ДАТЧИК КАЧКИ, УГЛА РЫСКАНИЯ И КУРСОВОЙ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности - к устройствам ориентации и навигации, а также может быть использована для повышения точности автоматического управления судами.
Известен способ проводки судна (патент РФ №2207296 от 27.06.2003, МПК В63Н 25/00), включающий измерение параметров движения судна датчиками угла курса и угловой скорости, датчиком положения руля, и навигационным прибором, определяющим текущее положение судна, их последующее сравнение с программными значениями данных параметров движения и формирование управляющего сигнала на рулевой привод в функции данных рассогласований и скорости судна, определяемой навигационным прибором, отличающийся тем, что программные параметры движения, определяющие положение судна, получают путем обработки сигналов о положении судна от навигационного прибора при эталонном проходе судна по заданному маршруту, при этом выделяют участки судового хода, которые, в зависимости от ширины участка судового хода, аппроксимируют прямыми линиями, для которых программные значения угла курса постоянны, и криволинейные участки, соединяющие прямолинейные, которые аппроксимируют дугами круга радиуса разворота, и переходными участками, при этом программные значения угла курса, угловой скорости, положения руля определяют в соответствии с упрощенной моделью движения судна в функции радиуса разворота, текущей скорости и времени.
Недостатком способа является использование одноосевого датчика угловой скорости, измеряющего не только вертикальную составляющую угловой скорости, но и горизонтальные при боковой и килевой качке, что снижает точность определения положения судна, в особенности при наличии внешних факторов, порождающих вибрационные воздействия на измерительные средства.
Известно изделие «БИНС» ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор» (см. рекламный проспект и ), которое может быть рассмотрено в качестве прототипа. Изделие «БИНС» представляет собой малогабаритную бесплатформенную инерциально-спутниковую систему на базе микромеханических гироскопов и акселерометров. В зависимости от наличия и достоверности входной информации изделие может работать в обсервационном и автономном режимах. Готов к использованию непосредственно после подачи питания. Изделие не требует постоянной вахты. Время готовности к выдаче углов качки (с погрешностью ±0,7°) - не более 1 минуты. Предназначено для применения в автомобильном транспорте, на беспилотных летательных аппаратах, на малых судах, в робототехнике, в морских буях, в качестве инерциальной поддержки приемной аппаратуры спутниковых навигационных систем (СНС). БИНС выдает углы качки, проекции абсолютной угловой скорости, проекции линейной скорости качки, курс (при наличии многоантенной СНС), путевую скорость и географические координаты места. Схемой обработки и съема сигнала поддерживаются интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485. Сборная винтовая конструкция содержит кронштейн, к которому привинчен модуль электронный датчика с чувствительными элементами, что увеличивает массу изделия, которая составляет 1 кг. Чувствительными элементами инерциального измерительного модуля (ИИМ) являются три одноосных микромеханических гироскопа разработки ЦНИИ "Электроприбор", выполняющих функции датчиков угловой скорости и два двухосных микромеханических акселерометра (ММА) ADIS16006 фирмы "Analog Devices, Inc", являющихся датчиками линейных ускорений. Кроме того каждый из инерциальных датчиков содержит внутренний датчик температуры.
Недостатком данного прототипа, помимо большой массы, является отсутствие встроенной многоантенной СНС (встроенная в конструкцию СНС не обеспечивает определения угла курса в автономном режиме), что снижает быстродействие прибора. Использованные одноосные гироскопы с внутренними датчиками температуры не обладают достаточной устойчивостью к вибрациям, что вносит дополнительные погрешности в определение проекций абсолютной угловой скорости и других параметров и снижает точность измерения при использовании на судах.
Техническим результатом является уменьшение массово-габаритных характеристик датчика и повышение точности измерения при использовании на судах разных типов.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике качки, угла рыскания и угловой скорости, содержащем основание, модуль электронный с чувствительными элементами и схемой обработки и съема сигнала, и крышку, упомянутый модуль электронный выполнен в виде гибко-жесткой печатной платы, связанной клеевым соединением с основанием, к которому приклеена крышка, охватывающая модуль электронный, а на гибко-жесткой печатной плате размещены чувствительные элементы, устойчивые к вибрациям, и схема обработки и съема сигнала, снабженная основным разъемом датчика качки и технологическим разъемом для программирования.
Кроме того, чувствительными элементами, устойчивыми к вибрациям, являются трехосный блок аналоговых микромеханических акселерометров, аналоговый датчик температуры, трехосный блок аналоговых микромеханических гироскопов, а схема обработки и съема сигнала содержит первый и второй стабилизаторы напряжения, малошумящие операционные усилители по числу осей блоков акселерометров и гироскопов соответственно, цифровой микроконтроллер (далее - МК) со встроенным аналогово-цифровым преобразователем и интерфейсами UART и JTAG, микросхема преобразователь выходного интерфейса UART - RS-485, причем три выхода по осям трехосного блока аналоговых микромеханических акселерометров и три выхода по осям трехосного блока аналоговых микромеханических гироскопов через соответствующие малошумящие операционные усилители подключены к входам встроенного аналогово-цифрового преобразователя МК, выход аналогового датчика температуры подключен к входу встроенного аналогово-цифрового преобразователя непосредственно, выход первого стабилизатора напряжения подключен к входу трехосного блока аналоговых микромеханических гироскопов, выход второго стабилизатора напряжения подключен к входу МК, входу микросхемы преобразователя выходного интерфейса UART - RS-485 и, через общую шину, к входу аналогового датчика температуры, входу трехосного блока аналоговых микромеханических акселерометров и вторым входам всех малошумящих операционных усилителей, при этом основной разъем датчика качки связан с входами обоих стабилизаторов напряжения и, через микросхему преобразователя выходного интерфейса UART - RS-485, с интерфейсом UART МК, а технологический разъем для программирования - с интерфейсом JTAG МК.
Кроме того, в основании выполнены отверстия для ориентации по приборной, судовой связанной и географической системам координат и закрепления датчика на объекте измерения.
Кроме того, в модуль электронный введен многоантенный приемник глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), подключенный ко второму входу МК.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид конструкции датчика качки, угла рыскания и угловой скорости (ДК).
На фиг. 1 приведены позиции:
1 - модуль электронный;
2 - основание;
3 - крышка;
4 - разъем;
19 - отверстия для ориентации по приборной, судовой связанной и географической системам координат и закрепления датчика на объекте измерения.
На фиг. 2 показана функциональная электрическая схема обработки и съема сигнала ДК.
На фиг. 2 приведены позиции:
15 - трехосный блок аналоговых микромеханических акселерометров (1 или 2 микросхемы в зависимости от производителя);
16 - аналоговый датчик температуры;
17 - трехосный блок аналоговых микромеханических гироскопов, устойчивых к вибрациям (3 микросхемы одноосных гироскопов);
18 - стабилизатор напряжения с выходным номинальным напряжением 6 В;
5 - стабилизатор напряжения с выходным номинальным напряжением 3,3 В;
6 - малошумящие операционные усилители с подключенным аналоговым фильтром низких частот (ФНЧ);
7 - встроенный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);
8 - цифровой микроконтроллер (МК) со встроенным АЦП и поддержкой интерфейсов UART и JTAG;
9 - интерфейс JTAG МК;
10 - интерфейс UART МК;
11 - микросхема преобразователь выходного интерфейса UART - RS-485;
12 - технологический разъем Х2 для программирования МК при изготовлении изделия;
13 - основной разъем датчика качки X1 (включает отдельные сигналы для цифровой и аналоговой «земли» GNDA и GNDD).
На фиг. 3 показана функциональная электрическая схема обработки и съема сигнала ДК с использованием многоантенного приемника ГНСС.
На фиг. 3 приведены позиции:
15 - трехосный блок аналоговых микромеханических акселерометров (1 или 2 микросхемы в зависимости от производителя);
16 - аналоговый датчик температуры;
17 - трехосный блок аналоговых микромеханических гироскопов, устойчивых к вибрациям (3 микросхемы одноосных гироскопов);
18 - стабилизатор напряжения с выходным номинальным напряжением 6 В;
5 - стабилизатор напряжения с выходным номинальным напряжением 3,3 В;
6 - малошумящие операционные усилители с подключенным аналоговым ФНЧ;
7 - встроенный АЦП;
8 - цифровой микроконтроллер (МК) со встроенным АЦП и поддержкой интерфейсов UART и JTAG;
9 - интерфейс JTAG МК;
10 - интерфейс UART МК;
11 - микросхема преобразователь выходного интерфейса UART - RS-485;
12 - технологический разъем Х2 для программирования МК при изготовлении изделия;
13 - основной разъем датчика качки X1 (включает отдельные сигналы для цифровой и аналоговой «земли» GNDA и GNDD);
14 - многоантенный приемник ГНСС (Глонасс/GPS).
Датчик качки, угла рыскания и угловой скорости, содержит основание 2, модуль электронный 1 с чувствительными элементами и схемой обработки и съема сигнала, и крышку 3, упомянутый модуль электронный выполнен в виде гибко-жесткой печатной платы, связанной клеевым соединением с основанием 2, к которому приклеена крышка 3, охватывающая модуль электронный 1, а на гибко-жесткой печатной плате размещены чувствительные элементы 15, 16, 17, устойчивые к вибрациям, и схема обработки и съема сигнала, снабженная основным разъемом 4 (13) датчика качки и технологическим разъемом 12 для программирования.
Чувствительными элементами, устойчивыми к вибрациям, являются трехосный блок аналоговых микромеханических акселерометров 15, аналоговый датчик температуры 16, трехосный блок аналоговых микромеханических гироскопов 17, а схема обработки и съема сигнала содержит первый 18 и второй 5 стабилизаторы напряжения, малошумящие операционные усилители 6 по числу осей блоков акселерометров и гироскопов соответственно, цифровой микроконтроллер 8 (далее - МК) со встроенным аналогово-цифровым преобразователем 7 и интерфейсами UART 10 и JTAG 9, микросхему преобразователь 11 выходного интерфейса UART - RS-485, причем три выхода по осям трехосного блока аналоговых микромеханических акселерометров 15 и три выхода по осям трехосного блока аналоговых микромеханических гироскопов 17 через соответствующие малошумящие операционные усилители 6 подключены ко входам встроенного аналогово-цифрового преобразователя 7 МК, выход аналогового датчика температуры 16 подключен ко входу встроенного аналогово-цифрового преобразователя 7 непосредственно, выход первого стабилизатора 18 напряжения подключен к входу трехосного блока аналоговых микромеханических гироскопов, выход второго стабилизатора напряжения 5 подключен к входу МК, входу микросхемы преобразователя 11 выходного интерфейса UART - RS-485 и, через общую шину, к входу аналогового датчика температуры 16, входу трехосного блока аналоговых микромеханических акселерометров 15 и вторым входам всех малошумящих операционных усилителей 6, при этом основной разъем 13 датчика качки связан с входами обоих стабилизаторов напряжения 18 и 5, и через микросхему преобразователя 11 выходного интерфейса UART - RS-485, с интерфейсом UART 10 МК, а технологический разъем 12 для программирования - с интерфейсом JTAG МК.
В основании 2 выполнены отверстия 19 для ориентации по приборной, судовой связанной и географической системам координат и закрепления датчика на объекте измерения.
В модуль электронный 1 введен многоантенный приемник 14 глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), подключенный ко второму входу МК.
Чувствительными элементами в составе ДК являются трехосный блок ММА 15 и трехосный блок ММГ 17, а также датчик температуры 16. Все датчики выполнены в виде аналоговых микросхем. В качестве ММГ используются специальные гироскопы стойкие к вибрациям со спектральной плотностью шума не превышающей 0,01°/с/√Гц. Сигналы с ММА и ММГ через малошумящие операционные усилители поступают на вход встроенного АЦП 7. В МК 8 выполняется основной алгоритм, включающий оцифровку, фильтрацию, обработку и передачу данных. Для обеспечения высокой производительности и малого времени обработки данных выбирается микроконтроллер с высокой тактовой частотой (более 150 МГц и модулем для вычислений с плавающей запятой). Программа в МК 8 записывается с помощью технологического разъема 12 по интерфейсу JTAG 9. Далее этот разъем 12 не используется и может быть удален с печатной платы или просто закрыт в корпусе. Прием команд и передача данных осуществляется по встроенному интерфейсу UART 10. Сигналы UART RX и UART TX преобразуются с помощью микросхемы 11 в сигналы интерфейса RS-485, откуда поступают на разъем 13. Разъем 13 обеспечивает передачу цифровых сигналов А и В, а также входного напряжения питания и двух независимых сигналов «земля» для цифровых и аналоговых элементов. Напряжение питания VIN с помощью двух стабилизаторов 18 и 5 напряжения преобразуется в номиналы 3,3 В (для МК 8, ММА 15, датчика температуры 16, микросхемы интерфейса RS-485 11) и 6 В (только для ММГ 17).
Для определения угла курса можно добавить многоантенный приемник 14 глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), как показано на фиг. 3. Современные многоантенные приемники ГНСС обладают малыми габаритами и массой. Добавление многоантенного приемника ГНСС позволяет ввести дополнительную корректировку и комплексирование выходных данных.
Модуль ДК 1 представляет собой гибко-жесткую печатную плату, которая приклеивается на основание 2, сверху клеится крышка 3. Крепление ДК на установочную плоскость изделия назначения осуществляется тремя винтами. На крышке изделия нанесено наименование, заводской номер и направление осей приборной системы координат. Разъем 4 обеспечивает взаимодействие с прибором посредством интерфейса RS-485.
Достижению технического результата помимо указанных выше конструктивных особенностей и использования микромеханических акселерометров и гироскопов, стойких к вибрациям, встроенного многоантенного приемника ГНСС, высокопроизводительного микроконтроллера, способствует применение алгоритмов компенсации погрешностей, фильтрации и комплексирования данных. Кроме того, при изготовлении проводится индивидуальная заводская калибровка изделия, обеспечивающая оптимальную компенсацию погрешностей измерения.
у
Результатом обработки измеренных проекций угловых скоростей и кажущихся ускорений в приборной системе координат является абсолютная курсовая угловая скорость ω, углы крена γ и дифферента θ. Алгоритм ДК учитывает взаимосвязь трех систем координат: приборной, судовой связанной и географической.
Приборная система координат образуется продольной осью ОХ, вертикальной OY (направленной от основания к крышке ДК) и осью OZ, дополняющей систему координат до правой. Вращение вокруг продольной оси X определяются углом крена, γ. Вращение вокруг вертикальной оси OY определяется углом рыскания ψ (или курсовым углом). Вращение вокруг поперечной оси OZ определяется углом дифферента θ. Положительным считается вращение против часовой стрелки вокруг соответствующей оси.
C
C
C
Связанная система координат судна имеет начало в центре масс судна. Продольная ось OX направлена от кормы к носу и лежит в продольной плоскости судна. Вертикальная ось OY направлена вверх и образована пересечением продольной и поперечной плоскостей судна. Ось OZ лежит в поперечной плоскости и дополняет систему координат до правой. При установке ДК на судно определяется взаимное положение осей и далее учитывается при вычислении углов крена, дифферента и рыскания. В идеальном случае системы координат совпадают.
g
g
g
g
g
g
Географическая система координат определяется следующим образом: О - начало координат совпадает с центром масс подвижного объекта, OX - направлена на север по касательной к меридиану, OY - вдоль вертикали места вверх, OZ - по касательной к параллели на восток. Если оси географической СК OX и OZ повернуты на произвольный угол азимута 6 вокруг оси OY, то СК называется полусвободной в азимуте. В качестве опорной системы координат используется полусвободная в азимуте географическая СК, причем ось X повернута относительно направления на север на угол истинного (требуемого) курса.
Углы крена, дифферента и рыскания определяют взаимное расположение связанной системы координат относительно опорной (полусвободной в азимуте географической системы координат).
Расчет абсолютных угловых скоростей можно выполнить с использованием формулы 1:
Углы крена γ, дифферента θ и рыскания ψ могут быть вычислены из матрицы направляющих косинусов (см. формулу 2) с одним уравнением Пуассона (см. формулу 3) интегрированием методом Коши-Эйлера с итерациями.
;
2l
θ=arcsinc;
.
Уравнение Пуассона (3) записывается с условием малой переносной скорости судна, которой можно пренебречь.
где  - кососимметрическая матрица.
При движении объекта без ускорения углы дифферента и крена можно рассчитать на основе данных акселерометров по формуле (4):
Таким образом, предлагаемой полезной моделью получен технический результат, заключающийся в повышении точности измерения и уменьшении массово-габаритных характеристик. Кроме того получено дополнительное увеличение быстродействия прибора при обеспечении определения и выдачи углов качки и курса объекта, проекций абсолютной угловой скорости и географических координат места. Обеспечивается простая установка изделия на подвижной объект, быстрое включение и инициализация начального положения. При использовании в авторулевых системах судов повышается безопасность и точность проводки судна.