Устройство для определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов
DEVICE FOR DETERMINING THE ANGLES OF SPATIAL ORIENTATION OF DYNAMIC AND STATIC OBJECTS

Область техники
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в бесплатформенных инерциальных системах навигации, в частности в бесплатформенных системах ориентации, применяемых, например, в беспилотных, автономных робототехнических комплексах.
Предшествующий уровень техники
Известно устройство для определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов, содержащее корпус, в котором установлен электронный модуль, включающий микроконтроллер, ко входам которого подключены инерциальные датчики, а именно: первый датчик угловой скорости по оси X, первый датчик угловой скорости по оси Y, первый датчик угловой скорости по оси Z и первый трехкомпонентный блок датчиков линейных ускорений (акселерометров), включающий также первый блок питания, при этом первый датчик угловой скорости по оси X, первый датчик угловой скорости по оси Y, первый датчик угловой скорости по оси Z и первый трехосный акселерометр подключены к первому блоку питания [RU2647205].
Недостатками этого устройства являются ограниченные возможности измерения параметров подвижных объектов-носителей. Это связано с тем, что при резких изменениях угловой скорости и линейного ускорения подвижного объекта-носителя, на котором установлено заявленное устройство, могут возникать значительные погрешности измерения параметров движения. Также коррекция показаний датчиков угловой скорости и акселерометров обеспечивается менее точно в ряде практических применений. Эти факторы не обеспечивают достаточной точности определения пространственной ориентации. Например, для применения в составе подводных беспилотных аппаратов и навигации внутри помещений.
Известно также устройство для определения угловых скоростей и линейных ускорений, содержащее корпус, в котором установлен электронный модуль, включающий микроконтроллер, ко входам которого подключен блок, включающий первый датчик угловой скорости по оси X, первый датчик угловой скорости по оси Y, первый датчик угловой скорости по оси Z и первый трехосный акселерометр (датчик линейного ускорения), включающий также первый блок питания, при этом первый датчик угловой скорости по оси X, первый датчик угловой скорости по оси Y, первый датчик угловой скорости по оси Z, первый трехосный акселерометр и микроконтроллер подключены к первому блоку питания [http://www.analog.com/en/products/adis16495.html?doc=ADIS16495.pdf].
Недостатками этого устройства являются ограниченные возможности измерения параметров подвижных объектов-носителей (отсутствие дублирования датчиков угловой скорости и линейного ускорения, отсутствие коррекции по показаниям магнитных полей, отсутствие коррекции по значениям расстояний до объектов, взятых за ориентир), что приводит к снижению точности измерения пространственной ориентации. Например, при резких изменениях угловой скорости и линейного ускорения могут возникать значительные погрешности измерения параметров движения. Также коррекция показаний датчиков угловой скорости и акселерометров обеспечивается менее точно в ряде практических применений. Например, для применения в составе подводных беспилотных аппаратов и навигации внутри помещений.
Отсутствие дублирования датчиков угловой скорости и линейного ускорения снижает надежность известного устройства. Известно также устройство для определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов, содержащее корпус, в котором установлен электронный модуль, включающий микроконтроллер, ко входам которого подключены первый датчик угловой скорости по оси X, первый датчик угловой скорости по оси Y, первый датчик угловой скорости по оси Z и первый трехосный акселерометр, включающий также первый блок питания, при этом первый датчик угловой скорости по оси X, первый датчик угловой скорости по оси Y, первый датчик угловой скорости по оси Z и первый трехосный акселерометр подключены к первому блоку питания, в электронный модуль введены второй датчик угловой скорости по оси X, второй датчик угловой скорости по оси Y, второй датчик угловой скорости по оси Z, второй трехосный акселерометр и второй блок питания, при этом второй датчик угловой скорости по оси X, второй датчик угловой скорости по оси Y, второй датчик угловой скорости по оси Z и второй акселерометр подключены ко входам микроконтроллера и к первому блоку питания, а второй блок питания подключен к микроконтроллеру, включающий также по меньшей мере один сонар, подключенный к микроконтроллеру и расположенный внутри корпуса, при этом в корпусе выполнено по меньшей мере одно отверстие, геометрически сопряженное с по меньшей мере одним сонаром, включающий также аккумулятор, подключенный к первому блоку питания и второму блоку питания [патент RU2733099]. Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Недостаток этого устройства заключается в низкой точности определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов, связанной с невозможностью определения угла истинного курса в статичном положении, уходом со временем угла относительного курса (уход обусловлен дрейфом датчиков угловой скорости) и невозможностью определения углов пространственной ориентации в случае, когда показания одного и более инерциальных датчиков искажены или недоступны.
Технический результат предложенного решения заключается в повышении точности определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов, которая достигается благодаря коррекции конечного (итогового) решения по показанием спутниковых навигационных систем. Погрешность, обусловленная дрейфом датчиков угловой скорости, снижается за счет коррекции по показаниям спутниковых навигационных систем. Также предложенное решение позволяет осуществлять определение углов пространственной ориентации даже в случаях выхода из строя инерциальных датчиков только по показаниям спутниковых навигационных систем.
Раскрытие сущности изобретения
Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов, содержащее корпус, в котором установлен электронный модуль, включающий микроконтроллер, ко входам которого подключены первый датчик угловой скорости по оси X, первый датчик угловой скорости по оси Y, первый датчик угловой скорости по оси Z и первый трехосный акселерометр, включающий также первый блок питания, при этом первый датчик угловой скорости по оси X, первый датчик угловой скорости по оси Y, первый датчик угловой скорости по оси Z и первый трехосный акселерометр подключены к первому блоку питания, в электронный модуль введены второй датчик угловой скорости по оси X, второй датчик угловой скорости по оси Y, второй датчик угловой скорости по оси Z, второй трехосный акселерометр и второй блок питания, при этом второй датчик угловой скорости по оси X, второй датчик угловой скорости по оси Y, второй датчик угловой скорости по оси Z и второй акселерометр подключены ко входам микроконтроллера и к первому блоку питания, а второй блок питания подключен к микроконтроллеру, включающий также по меньшей мере один сонар, подключенный к микроконтроллеру и расположенный внутри корпуса, при этом в корпусе выполнено по меньшей мере одно первое отверстие, геометрически сопряженное с по меньшей мере одним сонаром, включающий также аккумулятор, подключенный к первому блоку питания и второму блоку питания, введен первый модуль спутниковой навигационной системы, подключенный ко входу микроконтроллера, расположенный внутри корпуса, при этом к первому модулю спутниковой навигационной системы подключена по меньшей мере одна первая внешняя антенна, в него также введен второй модуль спутниковой навигационной системы, подключенный ко входу микроконтроллера, расположенный внутри корпуса, при этом ко второму модулю спутниковой навигационной системы подключена по меньшей мере одна вторая внешняя антенна.-Существует вариант, в котором в устройство введен третий модуль спутниковой навигационной системы, подключенный ко входу микроконтроллера, расположенный за пределами корпуса, при этом к третьему модулю спутниковой навигационной системы подключена по меньшей мере одна третья внешняя антенна. Существует также вариант, в котором в устройство введен барометр, подключенный к микроконтроллеру, при этом в корпусе выполнено второе отверстие.
На прилагаемых графических материалах изображена схема устройства для определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов-носителей.
Реализация изобретения
Устройство для определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов-носителей содержит корпус 1, в котором установлен электронный модуль 2. В базовом варианте корпус 1 может быть изготовлен из алюминиевого сплава В95Т1. Электронный модуль 2 может представлять собой восьмислойную печатную плату с двухсторонним монтажом микросхем. На нем размещен микроконтроллер 3, в качестве которого можно использовать высокопроизводительный микроконтроллер STM32F765 фирмы STMicroelectronics. Высокая производительность (тактовая частота до 216 МГц), наличие сопроцессора математических вычислений с двойной точностью, встроенной памяти (ОЗУ 320 кБайт, «флэш»-память - до 1 Мбайт), продвинутой архитектуры, каналов прямого доступа к памяти, расширенных режимов энергосбережения делают этот микроконтроллер оптимальным для использования его в малогабаритном устройстве. В одном из вариантов в качестве микроконтроллера 3 может быть использован микроконтроллер К1901ВЦ1QI компании Миландр. Ко входам микроконтроллера 3 подключены первый датчик угловой скорости (ДУС) по оси X 4, первый датчик угловой скорости (ДУС) по оси Y 5, первый датчик угловой скорости (ДУС) по оси Z 6. В качестве датчиков угловой скорости можно использовать датчики серии CRM100 компании Silicon Sensing. Используемый в этих датчиках в качестве чувствительного элемента кольцевой резонатор обеспечивает высокую стойкость ДУС CRM 100 к механическим ударам, вибрации, изменению температуры среды. Стабильность смещения нуля в запуске на уровне 12°/ч, малые шумы (случайное угловое блуждание 0.2°√/ч), широкая полоса пропускания (до 150 Гц). Наличие датчиков температуры в каждом ДУС позволяет обеспечить более точную компенсацию температурных погрешностей. Ко входу микроконтроллера 3 подключен также первый трехосный акселерометр 7, в качестве которого можно использовать трехосный акселерометр ADXL355 компании Analog Devices, либо акселерометр ADXL357. Данные акселерометры обладают малым уровнем шума до 25μg/√Гц, широким диапазоном измерения (до 8g для ADXL355 и до 40g для ADXL357 соответственно). Электронный модуль 3 включает также первый блок питания 8, в качестве которого можно использовать, например, блок LDO ADP1712AUJZ-3.3-R7 компании Analog Devices. При этом первый датчик угловой скорости по оси X 4, первый датчик угловой скорости по оси Y 5, первый датчик угловой скорости по оси Z 6 и первый трехосный акселерометр 7 подключены к первому блоку питания 8. Выход микроконтроллера 3 может быть осуществлен посредством первого интерфейса 9, который может быть реализован на базе микросхемы FT230XQ-R компании FTDIChip.В электронный модуль 2 введены второй датчик угловой скорости (ДУС) по оси X 10, второй датчик угловой скорости (ДУС) по оси Y 11 и второй датчик угловой скорости (ДУС) по оси Z 12, в качестве которых можно также использовать датчики CRM100 компании Silicon Sensing. В электронный модуль 2 включен также второй трехосный акселерометр 13, в качестве которого можно также использовать трехосный акселерометр ADXL355 компании Analog Devices, либо акселерометр ADXL357. В электронный модуль 2 включен также второй блок питания 14, в качестве которого можно использовать блок ADM7170ACPZ-3.3-R компании Analog Devices. При этом второй датчик угловой скорости по оси X 10, второй датчик угловой скорости по оси Y 11, второй датчик угловой скорости по оси Z 12 и второй акселерометр 13 подключены ко входам микроконтроллера 3 и к первому блоку питания 8. Причем второй блок питания 14 подключен к микроконтроллеру 3. В электронный модуль 2 включен аккумулятор 15, подключенный к первому блоку питания 8 и второму блоку питания 14. В качестве аккумулятора 15 можно использовать литий-полимерный аккумулятор LP232635 (130 мАч, 3.7 В).
В устройство введен, по меньшей мере, один сонар 16, подключенный к микроконтроллеру 3 и расположенный внутри корпуса 1, выполненного звукопроницаемым. Это может быть обеспечено посредством использования решетчатого корпуса 1 (не показано). В качестве сонара 16 можно использовать СН-201 компании TDK. Количество сонаров может быть в диапазоне от 1 до 10, их число обусловлено спецификой применения устройства (подводное, воздушное, наземное применения, навигация в замкнутых пространствах).
Существует вариант, в котором в электронный модуль 2 введен радиоинтерфейс 17, подключенный к микроконтроллеру 3. В качестве радиоинтерфейса 17 можно использовать приемопередатчик AT86RF231-ZF компании Microchip Technology. Существует также вариант, в котором в электронный модуль 2 введен трехосный магнитометр 18, сопряженный с микроконтроллером 3 и подключенный к первому блоку питания 8. В качестве магнитометра 18 можно использовать BM1422AGMV от компании ROHM semiconductor. При этом корпус 1 должен быть выполнен магнитопроницаемым. В качестве материала корпуса 1 можно использовать полиуретан Ноакаст 700.
Существует также вариант, в котором в корпусе 1 выполнено, по меньшей мере, одно первое отверстие 19, геометрическое сопряженное с, по меньшей мере, одним сонаром 16. При этом сонар 16 может быть закреплен на внутренней поверхности корпуса 1 и первое отверстие 19 может иметь диаметр в диапазоне от 0,2 мм до 3мм.
Дополнительно может быть реализован выход по второму интерфейсу 20 RS-232 на базе микросхемы ADM3202 компании Analog Devices. Для изоляции цифрового выхода 21 может быть применена микросхема ADuM3160BRWZ.
В качестве отличительных признаков в устройство введен первый модуль спутниковой навигационной системы (СНС) 22, подключенный ко входу микроконтроллера 3, расположенный внутри корпуса 1. В качестве первого модуля спутниковой навигационной системы 22 можно использовать GNSS модуль ZED-F9P. К первому модулю спутниковой навигационной системы 22 подключена по меньшей мере одна первая внешняя антенна 23, в качестве которой можно использовать ANN-MB(SMA) (производитель Ublox) В устройство также введен второй модуль спутниковой навигационной системы (СНС) 24, подключенный ко входу микроконтроллера 3, расположенный внутри корпуса 1. В качестве второго модуля спутниковой навигационной системы 22 можно использовать GNSS модуль ZED-F9R Ко второму модулю спутниковой навигационной системы 24 подключена по меньшей мере одна вторая внешняя антенна 25, в качестве которой можно использовать ANN-MB(SMA) (производитель Ublox). -
Существует вариант, в котором в устройство введен третий модуль спутниковой навигационной системы (СНС) 26, подключенный ко входу микроконтроллера 3, расположенный за пределами корпуса 1. В качестве третьего модуля спутниковой навигационной системы 26 можно использовать GNSS модуль ZED-F9P. К третьему модулю спутниковой навигационной системы 26 подключена по меньшей мере одна третья внешняя антенна 27, в качестве которой можно использовать ANN-MB(SMA) (производитель Ublox). -Существует вариант, в котором в устройство введен барометр 28, подключенный к микроконтроллеру 3, при этом в корпусе 1выполнено второе отверстие 29. В качестве барометра 28 можно использовать MPL3115A2 Диаметр второго отверстия 29 может быть в диапазоне 0,1 мм - 2 мм.
Устройство для определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов работает следующим образом. Устройство устанавливают на объект-носитель (не показан), ориентацию которого необходимого определять и подключают к бортовому питанию объекта-носителя. Первый блок питания 8 осуществляет питание датчиков угловых скоростей и акселерометров. Второй блок питания 14 осуществляет питание микроконтроллера 3. Датчики угловой скорости измеряют угловую скорость подвижного объекта-носителя по трем взаимоортогональным осям, информация с датчиков поступает в микроконтроллер 3. Акселерометры измеряют линейное ускорение подвижного объекта-носителя по трем взаимоортогональным осям. Информация с акселерометров поступает в микроконтроллер 3. В микроконтроллере 3 с помощью математически реализованного фильтра Калмана осуществляется интегрирование показаний с датчиков угловой скорости и линейного ускорения с целью получения значений углов пространственной ориентации динамического объекта-носителя. Для определения углов пространственной ориентации статического объекта-носителя (когда угловые скорости и линейные ускорения объекта-носителя настолько малы, что их значениями можно пренебречь), используются показания только акселерометров, на основе показаний которых измеряются углы отклонения объекта-носителя от вектора силы тяжести Земли. Далее информация об углах пространственной ориентации поступает на микросхему преобразования интерфейса 9. Информацию с цифрового выхода устройства для определения пространственной ориентации динамических и статических объектов-носителей поступает входы внешних устройств (не показаны), которые обеспечивают навигацию, управление двигателями подвижных частей беспилотных и/или автономных роботехнических комплексов.
Дублирование датчиков угловой скорости позволяет реализовать два режима работы устройства для определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов-носителей (далее - УПО). В режиме повышения точности выходные сигналы с ДУС используются в дифференциальном режиме, что позволяет снизить нестабильность нуля в запуске и уровень шумов, уменьшить чувствительность к изменению температуры среды, механическим ударам и вибрации. В режиме расширения динамического диапазона два ДУС на каждой оси работают с разными диапазонами измерения, что позволяет более точно измерять медленное вращение подвижного объекта-носителя, не теряя при этом информацию в случае резкого увеличения угловой скорости.
В одном из вариантов используют аккумулятор 15 для обеспечения бесперебойного питания в случае отсутствия внешнего бортового питания, что повышает надежность устройства.
Существует также вариант, в котором используется сонар 16. Сонар 16 посылает ультразвуковой импульс, принимает отраженный сигнал и по разнице во времени между ними определяет расстояние до объекта, принятого за ориентир или поверхности, например, дна водоема, стен помещения, земной поверхности. Информация с сонара 16 поступает в микроконтроллер 3, в котором обрабатывается вместе с информацией от ДУС и акселерометров с целью получения углов пространственной ориентации. В том случае, если необходимо определять расстояния до более чем одной поверхности, например, расстояния до стен помещения, целесообразно применять два и более сонаров.
Для беспрепятственного распространения ультразвуковых импульсов, излучаемых сонаром 16, в корпусе 1 УПО выполнено, по меньшей мере, одно первое отверстие 19, сопряженное с, по меньшей мере, одним сонаром 16.
Существует также вариант, в котором используют радиоинтерфейс 17. Например, тогда, когда устройство для определения углов пространственной ориентации установлено на подвижные объекты-носители, информацию, о параметрах движения которых необходимо передавать на устройства вне подвижного объекта-носителя (не показаны) или в других случаях, когда другой интерфейс неисправен или его использование невозможно.
Существует также вариант, в котором используют трехосный магнитометр 18, который измеряет вектор магнитного поля Земли в связанной с объектом-носителем системе координат. С помощью информации от магнитометра 18 в микроконтроллере 3 осуществляется коррекция курса.
Особенности функционирования устройство для определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов, связанные с использованием первого модуля спутниковой навигационной системы 22 и второго модуля спутниковой навигационной системы 24, заключаются в определении истинного курса в условиях, когда объект-носитель неподвижен и определение курса по датчикам угловой скорости (4, 5, 6, 10, 11, 12) и акселерометрам (7,13) (далее - инерциальным датчикам) невозможно. Для корректной работы модуля спутниковой навигационной системы необходимо применение первой внешней антенны 23 и второй внешней антенны 25.
Существует также вариант, в котором в устройство введен барометр 28, подключенный к микроконтроллеру 3, который используется в качестве альтиметра, и обеспечивает коррекцию навигационного решения по вертикальному каналу. Это позволяет с меньшей погрешностью определять углы пространственной ориентации, в частности углы крена и тангажа. Для корректной работы барометра 28 в корпусе 1 реализовано второе отверстие 29 для взаимодействия с внешней средой.
Технические результаты
То, что в устройство введен первый модуль спутниковой навигационной системы 22, подключенный ко входу микроконтроллера 3, расположенный внутри корпуса 1, при этом к первому модулю спутниковой навигационной системы 22 подключена по меньшей мере одна первая внешняя антенна 23, в него также введен второй модуль спутниковой навигационной системы 24, подключенный ко входу микроконтроллера 3, расположенный внутри корпуса 1, при этом ко второму модулю спутниковой навигационной системы 24 подключена по меньшей мере одна вторая внешняя антенна 25, повышает точность определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов, которая достигается благодаря определению истинного курса в условиях, когда объект-носитель неподвижен и определение курса по инерциальным датчикам невозможно, а также применение первого модуля СНС 22 и второго модуля СНС 24 в комбинации с инерциальными датчиками позволяет корректировать навигационное решение. Это снижает погрешность определения углов ориентации, обусловленное дрейфом датчиков угловой скорости. То, что в устройство введен третий модуль спутниковой навигационной системы 26, подключенный ко входу микроконтроллера 3, расположенный за пределами корпуса 1, при этом к третьему модулю спутниковой навигационной системы 26 подключена по меньшей мере одна третья внешняя антенна 27, дополнительно повышает точность определения углов пространственной ориентации динамических и статических объектов, которая достигается благодаря возможности определять углы пространственной ориентации в случае отказа инерциальных датчиков, а в случае, когда инерциальные датчики работают, решение помогает снизить погрешность определения углов. Данная коррекция позволяет оценивать углы независимо от системы на основе инерциальных датчиков.
То, что в устройство введен барометр 28, подключенный к микроконтроллеру 3, при этом в корпусе 1 выполнено второе отверстие 29 позволяет его применять в качестве альтиметра, который используется для коррекция навигационного решения по вертикальному каналу. Это позволяет с меньшей погрешностью определять углы пространственной ориентации, в частности углы крена и тангажа.