Об эффекте наложения спектров в интеллектуальной системе горизонтирования УИТК при эксплуатации на подвижных шасси и методах его исключения

На рисунке 4 можно увидеть сопоставление результатов определения расстояния полученных с помощью ССО и средства видеообнаружения. Из полученных результатов видно, что с помощью видеосигнала мы получаем достаточно точный результат и максимальное расстояние до объекта обнаружения, которое можно определить в рассматриваемой ситуации с помощью данного СО ограничивается углом обзора используемой камеры. ССО позволяет обнаружить объект раньше и соответственно максимальное фиксируемое расстояние будет больше,

0.01 г-

0.005 -0 ~ -0.005 -

но в тоже время в полученном результате наблюдается довольно большая погрешность. Наличие погрешности в некоторой степени может быть обусловлено принимаемыми допущениями при решении трансцендентного уравнения (2). В дальнейшем для повышения уменьшения погрешности предполагается использовать для решения уравнения (2) можно использовать встроенный MATLAB пакет символьных вычислений и операций Symbolic Math Toolbox, который позволяет решать алгебраические уравнения и системы алгебраических уравнений.

Сигнал ССО

-0.01

iiiiiiiirtlj1^^

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

22 г

20

18

16

14е

Расстояние по видеосигналу

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

30 г

Расстояние по сейсмическому сигналу

20

10

-10е

50

51

52

53

57

58

Рисунок 4

54 55 56 Время, с

Результаты определения расстояния

59

60

Заключение

Проанализировав полученные результаты можно сделать вывод, что при решении данной задачи у каждого СО есть свои достоинства и недостатки. Поэтому для повышения точности определения расстояния в комбинированной охранной системе можно

объединить данные, полученные с используемых в ней средств обнаружения, что позволит в некоторой степени скомпенсировать неточности в определении расстояния, возникающие при использовании каждого из средств обнаружения по отдельности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Клионский, Д. М. Декомпозиция на эмпирические моды в современной цифровой обработке сигналов/ Д. М. Клионский // 10-я Междунар. конф. и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение». Москва. 26-28 марта 2008. Труды Росс. науч.-техн. общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. Сер. Цифровая обработка сигналов и ее применение. Вып. X-1. - М., 2008. - С. 188-190.

2. Клионский, Д.М. Декомпозиция на эмпирические моды и ее использование при анализе дробного броуновского движения/ Д.М. Клионский, Н.И. Орешко , В.В. Геппенер // Цифровая обработка сигналов. 2008. № 3. С. 37-45.

3. Гликман А.Г. Спектральная сейсморазведка - истоки и следствия, www.newgeophysspb.ru, 2005.

4. И.С. Берзон, А.М. Епинатьева, Г.Н. Парийская, С.П. Стародубровская. Динамические характеристики сейсмических волн в реальных средах. АН СССР, Москва, 1962.

5. Системы и средства управления физической защитой объектов: Монография / В.А. Дудкин, Н.Б. Джазовский и др. Под ред. Ю.А. Оленина - Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2003.-Кн. 2. - 256с.

УДК 629.78.072.1

Дмитриенко1 А.Г., Папко1 А.А., Поспелов1 А.В., Герасимов1 О.Н., Юрков2 Н.К.

1АО НИИФИ, г. Пенза

2ФГБОУ ВО «Пензенский госуниверситет», Пенза, Россия

ОБ ЭФФЕКТЕ НАЛОЖЕНИЯ СПЕКТРОВ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ГОРИЗОНТИРОВАНИЯ УИТК ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ПОДВИЖНЫХ ШАССИ И МЕТОДАХ ЕГО ИСКЛЮЧЕНИЯ

Представлены результаты разработки интеллектуальной системы горизонтирования устройств измерения углов тангажа и крена (УИТК), предназначенной для горизонтирования объектов, эксплуатируемых на подвижных шасси. Рассмотрены условия возникновения эффекта наложения спектров при эксплуатации УИТК и методы его исключения. Ключевые слова:

углы тангажа и крена, акселерометр уравновешивающего преобразования, микроконтроллер, опорно-поворотное устройство, спектр, наложение спектров, низкочастотный образ реального сигнала.

0

Горизонтирование при установке объектов различного назначения на подвижные шасси осуществляется с помощью систем с аналогичным названием.

Неотъемлемой частью систем горизонтирования являются инерциальные системы, предназначенные для измерения углов тангажа, крена (УИТК) и формирования управляющих воздействий для опорно-поворотных устройств установки объектов в заданное положение. При этом эффективность работы систем напрямую связана с точностью измерения углов тангажа и крена.

В качестве измерителей углов в наземных системах горизонтирования, как правило, используются акселерометры уравновешивающего преобразования [1]. В отличие от традиционных датчиков угла, использование акселерометров не требует механической связи между чувствительным элементом и подвижным основанием. Акселерометры измеряют углы наклона конструкций относительно вектора гравитационного ускорения д на основе энергетического взаимодействия с ним. При измерении углов тангажа 0 и крена у два акселерометра устанавливаются на платформу измерительными осями перпендикулярно. При этом они измеряют проекции вектора гравитационного ускорения, равные де = д^^е и ду = д^^у. Для каждого из них выходной сигнал без учета смещения нуля ивых(0) будет равен

ивых(е) = Кgе  агсзт — , и^ху

Кgу  агсзт

g

где Кд0, Кду - коэффициенты преобразования акселерометров каналов 0 и у по гравитационному ускорению.

Особенностями создания акселерометров для систем горизонтирования является выполнение двух противоречивых требований:

- высокой точности, реализуемой за счет увеличения глубины уравновешивания и, как следствие, увеличения собственной частоты;

- устойчивости или сохранения метрологических характеристик при воздействии виброускорений в широком частотном диапазоне, возникающих при работе двигателя шасси, опорно-двигательных и технологических устройств объекта, например, вентиляторов. При этом следует иметь в виду, что для систем горизонтирования с использованием акселерометров вибрационные помехи являются влияющей величиной, однородной с измеряемым параметром.

Выполнение указанных требований достигается путем формирования частотного диапазона измерений (ЧДИ), верхняя граница которого определяется контролируемой динамикой объекта и скоростью затухания амплитудно-частотной характеристики в первой октаве за верхней границей ЧДИ до 30 дБ/окт. При этом необходимость выполнения требований осложняется также тем, что параметры влияющих вибраций, как любой реальный сигнал, имеют неограниченный спектр, а требования к их частотному диапазону, как правило, задаются весьма приближенно.

В настоящее время для формирования ЧДИ акселерометров эффективно использование ФНЧ высокого порядка на переключаемых конденсаторах (на ПК-фильтрах). Для микросхем ПК-фильтров частота среза (верхняя граница ЧДИ) и частота генерации встроенного генератора, под которой следует понимать частоту дискретизации, связаны соотношением 50:1.

Структурная схема системы с учетом включения ПК-фильтров на входах АЦП микроконтроллера показана на рисунке 1.

д - модуль вектора гравитационного ускорения; 0, у - углы тангажа и крена соответственно; т - масса инерционного элемента; Дх - смещение инерционного элемента под действием измеряемой и уравновешивающей сил р0 (Гу), Ер; Сэкв - жесткость подвеса, формируемая электромеханической

обратной связью. Рисунок 1 - Структурная схема системы горизонтирования

Согласно структурной схеме проекции гравитационного ускорения на измерительные оси акселерометров каналов 0 и у преобразовываются в них в выходные напряжения, которые подаются на ПК-фильтры и входы АЦП микроконтроллера.

В настоящее время в АО «НИИФИ» разработана система горизонтирования типа УИТК. Ее отличительной особенностью является использование акселерометров собственной разработки с применением отечественной комплектации, включая ПК-фильтр, микроконтроллер и приемо-передатчик, а также высокая стабильность метрологических характеристик, нормируемая в виде среднеквадрати-ческого значения абсолютной погрешности, которое в условиях эксплуатации не превышает ±20 угловых секунд (см. таблицу). Для примера, эталонные средства горизонтирования типа поплавковых и электронных уровней имеют сопоставимую погрешность, но при неизменной температуре окружающей среды и отсутствии влияющих ускорений.

Несмотря на положительные результаты разработки и высокий уровень экспериментальной отра-

ботки УИТК, при ее пробной эксплуатации на подвижном шасси автомобиля «Тигр-М», системой записан спектр низкочастотного сигнала частотой до 2 Гц, который невозможно интерпретировать в качестве записей вибрации, воспроизведенной работой двигателя автомобиля. В режиме холостого хода автомобиля возможно наложение вибропроцессов от работы различных узлов двигателя, но их нижняя частотная граница, как правило, не бывает менее 300 Гц. Анализ вибрационных составляющих, возникающих при работе двигателя внутреннего сгорания [2, 3], показал, что причиной появления низкочастотной составляющей в спектре УИТК не может являться биение сигналов с незначительно отличающимися частотами, в связи с тем, что биение как линейный процесс не может быть источником новых частотных компонент. Дальнейшие исследования показали, что появление в спектре выходного сигнала УИТК низкочастотной составляющей объясняется эффектом наложения спектров вибрационного сигнала и частоты дискретизации примененного ПК-фильтра. Указанный эффект характеризуется следующими признаками [4 - 6]:

Таблица

Диапазоны измерений, град. от ±3 до ±90

ЧДИ, Гц 0 - 4

Среднеквадратическое значение абсолютной погрешности в условиях эксплуатации, угл. сек. ±20

Время непрерывной работы, час, не более 15

Представление выходной информации кодировка ASCII

Интерфейс RS-2 32

Напряжение питания, В 23 - 34

Ток потребления, мА, не более 100

Температура окружающей среды, 0С минус 5 0 - +7 0

Виброускорение в направлениях измерительных осей, м/с2/Гц 0,5/5-500

Виброускорение в поперечном направлении, м/с2/Гц 5/5-500

Масса с корпусом из стали, кг 1,7

Габаритные размеры, мм х мм х мм 100х150х54

- нарушением условия нахождения анализируемого сигнала (в рассматриваемом случае вибрационного) в зоне Найквиста или нарушением критерия дискретизации Котельникова, согласно которому частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше частоты исследуемого или влияющего сигнала;

- формированием в ПК-фильтре паразитного сигнала или низкочастотного образа реального сигнала, отображаемого в частотном диапазоне измерений системы и воспринимаемого АЦП и микроконтроллером в качестве измеряемого угла наклона (см. рисунок 2).

В этой связи фактические измерения низкочастотной составляющей при установке УИТК на автомобиль «Тигр-М» объясняются отображением частот выше частоты дискретизации ПК-фильтра в полосу частот полезного сигнала, находящуюся в

диапазоне частот от 0 до верхней границы ЧДИ [7, 8].

Из анализа признаков наложения спектров, а также учитывая, что эффект наложения в цифровом сигнале полностью производится на первом этапе цифро-аналогового преобразования, а в данном случае - в ПК-фильтре, и то, что для любого реального сигнала спектр является бесконечным, следует, что для его исключения при работе УИТК необходимо принятие специальных мер.

К их числу относятся:

- увеличение частоты дискретизации ПК-фильтра, что связано с нежелательным расширением верхней границы ЧДИ;

- использование более предпочтительного решения в виде ограничения спектра измеряемого сигнала путем дополнительной аналоговой фильтрации выходного сигнала акселерометров.

Рисунок 2 - Запись выходного сигнала УИТК при наложении спектров с частотой воздействия вибрации,

близкой к частоте дискретизации

Реализация этого решения и его экспериментальное подтверждение позволили решить достаточно сложную проблему наложения спектра включением пассивного интегрирующего звена первого порядка на вход ПК-фильтра с частотой среза, превышающей верхнюю границу ЧДИ в (5-10) раз.

Таким образом, для правильной интерпретации результатов измерений систем горизонтирования на основе акселерометров в процессе эксплуатации необходимо не только фильтровать анализируемый сигнал до начала дискретизации, но и обращать особое внимание на достоверность представления

частотного диапазона вибрационных помех, возникающих при работе шасси, опорно-поворотных и технологических устройств объектов горизонтиро-вания.

Кроме этого представляется целесообразным нормирование частоты наложения спектров в КД системы на основе экспериментального исследования при воздействии влияющих вибраций в интервале частот, верхняя граница которого превышает на порядок максимальную частоту вибраций, установленную в техническом задании.

ЛИТЕРАТУРА

Статико-динамические акселерометры для ракетно-космической техники.

Политехника, 2000.

1. Мокров Е.А., Папко А.А. Пенза: ПАИИ, 2004. 164 с.

2. Ричард Лайонс. Цифровая обработка сигналов. - 2-е. - М: Бином-Пресс, 2006

3. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов. - 2-е. - СПб:

- 592 с.

4. ГОСТ 32108-2013 «Измерения вибрации, передаваемой машиной через упругие изоляторы. Двигатели внутреннего сгорания поршневые высокоскоростные и среднескоростные».

5. ГОСТ Р ИСО 13373-2-209 «Контроль состояния и диагностика машин. Вибрационный контроль состояния машин. Часть 2. Обработка, анализ и представление результатов измерений вибрации».

6. Автомобили семейства «Тигр». Виброакустический метод диагностики подшипников коленвала двигателей внутреннего сгорания. Вибрация двигателя на холостых.

7. Болознев, В.В. Методы и средства радиоволновой вибродиагностики двигателей летательных аппаратов/ В.В.Болознев, М.Ю.Застела, Ф.Н.Мирсаитов// Надежность и качество сложных систем. 2015, № 2(10). - С. 102 - 108.

8. Лушпа, И.Л. Модели интенсивности отказов виброизоляторов для электронных средств/ И.Л.Лушпа,В.В.Жаднов//Надежность и качество сложных систем. - 2014. - № 1(5). - С. 50-57.