УСТРОЙСТВО ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЙ ИМИТАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ДАТЧИКА УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ
DEVICE FOR HARDWARE SIMULATION OF LASER ANGULAR VELOCITY SENSOR

Изобретение относится к области гироскопического приборостроения и может использоваться при отладке и проверках бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), выполненных на базе лазерных датчиков угловых скоростей (ДУС-Л), и систем навигации и автоматического управления (СНАУ) летательным аппаратом (ЛА), в состав которых входят данные БИНС.
ДУС-Л входит в состав гироскопического канала БИНС и выдает информацию о приращениях углов поворота (угловой скорости) ЛА вычислителю БИНС. Функционально датчик состоит из чувствительного элемента (ЧЭ) и блока электронного (БЭ).
Существуют разные способы проверки гироскопического канала БИНС. Одним из них являются натурные испытания, в которых проверяют СНАУ и БИНС в реальных условиях применения. Недостатком данного способа являются большие материальные затраты. Другим способом является программно-математическая имитация гироскопического канала БИНС, позволяющая оценить точностные характеристики ДУС-Л и его влияние на работу БИНС и СНАУ в целом.
Известны компьютерные имитаторы гироскопического канала БИНС, которые предназначены для моделирования показаний «идеальных» инерциальных датчиков (Богданов О.Н. Методика согласованного моделирования измерений инерциальных датчиков, траекторных параметров объекта с приложением к задачам инерциальной и спутниковой навигации. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, МГУ, 2015), основанные на интегрировании уравнения Пуассона. Также известны математические методы имитации работы инерциальных измерителей БИНС с использованием среды Matlab и Simulink (Ледовской М.И. Моделирование адаптивной фильтрации погрешностей инерциальных измерителей БИНС. Ползунковский вестник, №2/1, 1012; Прасолов А.С. и др. Моделирование алгоритма работы бесплатформенной инерциальной навигационной системы для контроля состояния рельсового пути, «Молодой ученый», №15 (119), Август, 2016).
Достоинством компьютерных (математических) имитаторов является возможность оперативного проведения большого количества виртуальных экспериментов и оперативной корректировки программного обеспечения БИНС по их результатам.
Недостатком известных компьютерных (математических) имитаторов является отсутствие возможности определения влияния гироскопического канала БИНС на работоспособность отдельных устройств, входящих в состав СНАУ.
Известен имитатор ДУС-Л (патент РФ №2432592 «Моделирующий комплекс для проверки системы управления беспилотного летательного аппарата», Каманин В.В., Подоплекин Ю.Ф. и др., МПК: G05B 13/04, G07C 11/00, опубл. 27.10.2011, Бюл. №30), который программно реализуется в виде постоянных масштабных коэффициентов датчика. Другие паспортные параметры ДУС-Л в имитаторе отсутствуют, что существенно снижает информативность моделирования и ограничивает сферу применения комплекса.
Известен комплекс математического моделирования динамики движения ЛА на компьютеризированном имитационном стенде (Ильиных В.В. и др. Моделирование динамики полета беспилотного ЛА в компьютеризированном имитационном стенде, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ» им. академ. Е.И. Забабахина, УДК 629.13, 2015), содержащий в своем составе программно-математическую модель погрешностей ДУС-Л. Данный комплекс позволяет достаточно полно имитировать работу гироскопического канала БИНС, но в нем отсутствует возможность оценить его влияние на работоспособность отдельных устройств, входящих в состав СНАУ, что существенно ограничивает область применения комплекса.
Данный комплекс выбран в качестве наиболее близкого аналога к заявляемому изобретению.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства программно-аппаратной имитации лазерного датчика угловых скоростей (ПАИ ДУС-Л), позволяющего проверять (настраивать) гироскопический канал БИНС в лабораторных условиях, без проведения натурных испытаний в составе ЛА.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей и уменьшение стоимости создания гироскопического канала БИНС и СНАУ в целом.
Данный результат достигается тем, что ПАИ ДУС-Л содержит первый и второй вычислители, флэш-диск, энергонезависимое запоминающее устройство, первый, второй и третий последовательные порты, порт ввода-вывода, порт программирования, первый и второй контроллеры мультиплексного канала передачи данных, контроллер флэш-диска, контроллер энергонезависимого запоминающего устройства, сетевой порт, цифровой параллельный порт, шину расширения, при этом вход первого контроллера мультиплексного канала передачи данных является первым входом ПАИ ДУС-Л, а выход через шину расширения соединен с первым входом первого вычислителя, второй вход которого соединен с выходом первого последовательного порта, вход которого является вторым входом ПАИ ДУС-Л, вход сетевого порта является третьим входом ПАИ ДУС-Л, а выход соединен с третьим входом первого вычислителя, четвертый вход которого является четвертым входом ПАИ ДУС-Л, выход флэш-диска соединен через контроллер флэш-диска с пятым входом первого вычислителя, выход энергонезависимого запоминающего устройства через контроллер энергонезависимого запоминающего устройства соединен с шестым входом первого вычислителя, первый выход которого через второй последовательный порт соединен с входом третьего последовательного порта, выход которого соединен с первым входом второго вычислителя, второй выход первого вычислителя через цифровой параллельный порт соединен с входом порта ввода-вывода, выход которого соединен со вторым входом второго вычислителя, выход которого соединен с входом второго контроллера мультиплексного канала передачи данных, выход которого является выходом ПАИ ДУС-Л, вход порта программирования является пятым входом ПАИ ДУС-Л, а выход соединен с третьим входом второго вычислителя, четвертый и пятый входы которого являются соответственно шестым и седьмым входами ПАИ ДУС-Л.
Расширение функциональных возможностей ПАИ ДУС-Л достигается по двум направлениям - программному и аппаратному. Во-первых, в устройстве программным образом имитируется девиация точностных характеристик ДУС-Л, меняющихся при эксплуатации, как систематическим, так и случайным образом, что позволяет оценить погрешности работы гироскопического канала БИНС в зависимости от параметров конкретного датчика. Во-вторых, возможность формирования значений приращений углов в режиме реального времени позволяет в лабораторных условиях отладить работу отдельных аппаратных узлов СНАУ и системы в целом.
Снижение стоимости создания гироскопического канала БИНС (и СНАУ в целом) достигается благодаря возможности оперативного проведения большого количества виртуальных опытов и оперативной корректировки программного обеспечения БИНС и СНАУ по их результатам.
Кроме того, на стадии отработки, вместо дорогого и трудоемкого в изготовлении ДУС-Л используется относительно дешевое устройство ПАИ ДУС-Л на основе одноплатного компьютера.
На фигуре представлена структурная схема ПАИ ДУС-Л.
Данное устройство содержит первый контроллер 1 мультиплексного канала передачи данных (МКПД), флэш-диск 2, энергонезависимое запоминающее устройство 3, шину 4 расширения, контроллер 5 флэш-диска, контроллер 6 энергонезависимого запоминающего устройства, первый последовательный порт 7, первый вычислитель 8, сетевой порт 9, второй последовательный порт 10, цифровой параллельный порт 11, порт 13 ввода-вывода, порт 14 программирования, второй вычислитель 15, второй контроллер 16 МКПД.
Вход первого контроллера 1 МКПД является первым входом ПАИ ДУС-Л, а выход через шину 4 расширения соединен с первым входом первого вычислителя 8. Второй вход первого вычислителя 8 соединен с выходом первого последовательного порта 7, вход которого является вторым входом ПАИ ДУС-Л. Вход сетевого порта 9 является третьим входом ПАИ ДУС-Л, а выход соединен с третьим входом первого вычислителя 8. Четвертый вход первого вычислителя 8 является четвертым входом ПАИ ДУС-Л. Выход флэш-диска 2 соединен через контроллер 5 флэш-диска с пятым входом первого вычислителя 8. Выход энергонезависимого запоминающего устройства 3 через контроллер 6 энергонезависимого запоминающего устройства соединен с шестым входом первого вычислителя 8. Первый выход первого вычислителя 8 через второй последовательный порт 10 соединен с входом третьего последовательного порта 12, выход которого соединен с первым входом второго вычислителя 15. Второй выход первого вычислителя 8 через цифровой параллельный порт 11 соединен с входом порта 13 ввода-вывода, выход которого соединен со вторым входом второго вычислителя 15. Выход второго вычислителя 15 соединен с входом второго контроллера 16 МКПД, выход которого является выходом ПАИ ДУС-Л. Вход порта 14 программирования является пятым входом ПАИ ДУС-Л, а выход соединен с третьим входом второго вычислителя 15. Четвертый и пятый входы второго вычислителя 15 являются соответственно шестым и седьмым входами ПАИ ДУС-Л.
Первый вычислитель 8, первый контроллер 1 МКПД, флэш-диск 2, энергонезависимое запоминающее устройство 3, контроллеры флэш-диска 5 и энергонезависимого запоминающего устройства 6, первый 7 и второй 10 последовательные порты, цифровой параллельный порт 11, шина 4 расширения и сетевой порт 7 образуют имитатор ЧЭ ДУС-Л.
Второй вычислитель 15, второй контроллер 16 МКПД, порт 14 программирования, порт 13 ввода-вывода и третий последовательный порт 12 образуют имитатор БЭ ДУС-Л.
На вход первого контроллера 1 МКПД с внешнего устройства (на фигуре не показан) подаются моделируемые угловые скорости траектории полета ЛА и основные паспортные параметры ДУС-Л, поступающие через шину 4 расширения на первый вычислитель 8.
Первый контроллер 1 МКПД предназначен для приема посылок от внешнего устройства и преобразования формата поступающих кодов. Первый контроллер 1 МКПД может быть выполнен на основе терминала МКПД, подключаемого к шине 4 расширения (например, ISA).
Первый вычислитель 8 осуществляет функции обработки входных данных и расчета точностных характеристик ДУС-Л согласно паспортным параметрам по разработанной математической модели. Первый вычислитель 8 может быть изготовлен на быстродействующем центральном процессоре и оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ).
На второй вход ПАИ ДУС-Л (вход первого последовательной порта 7) с внешнего устройства поступают дополнительные паспортные параметры ДУС-Л. Первый последовательный порт 7 может быть выполнен на основе стандартных последовательных интерфейсов (RS-232, RS-422, RS-485).
Через сетевой порт 9 (типа LAN) в ОЗУ первого вычислителя 8 загружается программа управления ПАИ ДУС-Л.
В качестве флэш-диска 2 может быть использовано любое внешнее устройство с много кратно перезаписываемой флэш-памятью. Контроллер 5 управляет флэш-диском 2, из которого в первый вычислитель 8 имитатора ЧЭ записывается операционная система реального времени (ОСРВ). Ее тип выбирается, исходя из требований быстродействия работы ПАИ ДУС-Л.
К первому вычислителю 8 через контроллер 6 подключено энергонезависимое запоминающее устройство 3, в котором хранятся паспортные параметры ДУС-Л. Энергонезависимое запоминающее устройство 3 может быть реализовано на основе стандартных сегнетоэлектрических микросхем.
Второй 10 и третий 12 последовательные порты могут быть выполнены на основе стандартных последовательных интерфейсов персонального компьютера.
Цифровой параллельный порт 11 и порт 13 ввода вывода представляют собой стандартные многоканальные дискретные порты ввода-вывода одноплатных компьютеров.
Второй вычислитель 15 выполняет функции приема и передачи информации на контроллер рулевых приводов СНАУ, а также вычисления временных параметров имитируемой траектории движения ЛА. Второй вычислитель 15 может быть выполнен на основе процессора цифровой обработки сигналов.
Второй контроллер 16 МКПД преобразует и передает на внешнее устройство вычисленные значения угловых скоростей и временные параметры моделируемой траектории движения ЛА. Второй контроллер 16 МКПД может быть выполнен на микросхеме терминала МКПД.
Устройство ПАИ ДУС-Л работает следующим образом.
В ОЗУ первого вычислителя 8 загружается ОСРВ, в которой устанавливают длительность ее системного такта, равную 50 мкс. Затем идет конфигурация микросхем энергонезависимого запоминающего устройств 3, из которой при включении питания автоматически считывают предыдущие дополнительные и основные паспортные параметры ДУС-Л, с которыми начинается работа ПАИ ДУС-Л до ввода новых значений через первый последовательный порт 7. Далее инициализируется цифровой параллельный порт 11, контроллеры МКПД 1 и 16 конфигурируются в качестве оконечного устройства, настраивают на необходимую скорость передачи данных все последовательные порты 7, 10, 12. Второй вычислитель 15 генерирует тактирующий сигнал, имитирующий выходные импульсы датчика углового положения ДУС-Л. Это тактирующий сигнал через цифровой параллельный порт 11 подается в первый вычислитель 8 и используется в программе управления имитатором ЧЭ для формирования необходимых прерываний. Далее считывается адрес оконечного устройства, который присваивается ПАИ ДУС-Л в БИНС. После этого, по переднему фронту тактирующего сигнала начинается этап имитации полета ЛА. По третьему последовательному порту 12 во второй вычислитель 15 от имитатора ЧЭ передаются рассчитанные угловые приращения.
Обработка входной информации о траектории движения ЛА, задаваемой с внешнего устройства, происходит в каждом периоде сигнала датчика углового положения. В режиме имитации полета, на первый вход устройства через первый котроллер 1 МКПД передаются значения текущей и прогнозируемой угловой скорости по трем осям ДУС-Л, а с выхода второго контроллера 16 МКПД устройство выдает значения приращений угловых скоростей по трем осям (с учетом характеристик ДУС-Л) и значения интервалов времени, необходимых для построения имитируемой траектории полета ЛА. В программе управления имитатором ЧЭ создаются несколько потоков данных (поступают на вход сетевого порта 9), работающих в режиме прерываний ОСРВ, что позволяет достичь погрешности измерения интервалов времени, не превышающей микросекунды. В процессе работы ДУС-Л также имитируется режимы переброса периметра кольцевого лазера и восстановления информативности ДУС-Л после завершения режима переброса, что позволяет отработать алгоритмы управления БЭ и БИНС в целом.
В программной части заявляемого устройства (математической модели) технические характеристики ДУС-Л представляются основными и дополнительными паспортными параметрами. К основным относятся: систематические составляющие погрешностей измерений угловой скорости, коэффициенты дрейфа, масштабные коэффициенты осей чувствительности ДУС-Л и матрица перехода от система координат датчика в систему координат БИНС. Дополнительными паспортными параметрами ДУС-Л являются: нестабильность масштабных коэффициентов, невоспроизводимые части смещений нулей и случайные составляющие погрешности измерения угловой скорости.
sist
Систематические составляющие измерения угловой скорости Δ и невоспроизводимые части смещения нуля μ, вычисляются для i-й оси по формуле:
Пересчет скоростей из системы координат БИНС в систему координат ДУС-Л осуществляется в соответствии с (2).
IZD_i
где ω - скорость i-й оси в системе координат БИНС;
- элементы матрицы А перехода от система координат БИНС в систему координат ДУС-Л.
Пересчет угловых скоростей для i-й оси из размерности [рад/с] в [°/ч] производится по формуле (3):
Далее вводится добавка, учитывающая прогнозируемые скорости, в соответствии с формулой:
где  - текущая и прогнозируемая скорости по i-й оси ДУС-Л соответственно, задаваемые с персонального компьютера;
t_DUP - время текущего вызова ПАИ ДУС-Л [с];
t_UVM - время последнего вызова внешнего устройства [с];
Т_UVM - период кадра МКПД [с].
Далее к заданным угловым скоростям добавляются погрешности ДУС-Л, входящие в состав его технических параметров:
i
где Δ[°/ч] - постоянное смещение нуля по i-ой оси ДУС-Л, рассчитанное по формуле (1);
i
σ[°/ч] ~ случайная составляющая погрешности измерения i-ой оси ДУС-Л. Данная величина изменяется в каждом периоде T_DUP с нулевым математическим ожиданием и нормальной плотностью распределения вероятности со среднеквадратическим отклонением, заданным оператором;
- коэффициент дрейфа нуля i-й оси ДУС-Л;
T - время, прошедшее с начала имитации траектории движения [с].
i
Соответственно, угловое приращение α, измеряемое i-й осью ДУС-Л за период вызова ПАИ ДУС-Л [с], рассчитывается по формуле:
i
Количество информационных импульсов, выдаваемое счетчиком i-ой оси, соответствующее приращению α, определяется в соответствии с формулой:
i
где MK - масштабный коэффициент i-й оси ДУС-Л [''/имп];
i
γ - нестабильность масштабного коэффициента i-й оси ДУС-Л [''/имп].
i
γ является реализацией случайной величины и изменяется в каждом периоде T_DUP с нулевым математическим ожиданием и нормальной плотностью распределения вероятности со среднеквадратическим отклонением, заданным оператором.
i
i
Учитываются только целые значения N. Остаток от деления по формуле (7) не отбрасывается, а накапливается. При достижении остатком значения единицы (минус единицы, в случае скорости с отрицательным знаком), он обнуляется, а полученная единица прибавляется (вычитается) к величине N.
При моделировании траектории движения ЛА, сначала считываются приращения угловых скоростей и умножаются на матрицу перехода (2). Далее производится изменение размерности скоростей (3), учитывается линейная добавка скорости (4), вычисляется невоспроизводимая часть смещения нуля ДУС-Л и добавляется систематическая погрешность измерения угловой скорости (1), вычисляется общее время имитации траектории движения, добавляются случайная погрешность измерения угловой скорости и дрейф нуля ДУС-Л с нормальной плотностью распределения вероятности (5), значения скоростей переводятся в угловые приращения (6), которые умножаются на масштабные коэффициенты (7) с учетом их нестабильности, распределенной по нормальному закону, и учитывается нецелочисленность значений приращений углов поворота. Обработанная информация передается на выход ПАИ ДУС-Л и дальше на контроллер рулевых приводов СНАУ.
Авторами разработано устройство для программно-аппаратной имитации лазерного датчика угловых скоростей. Устройство включает в себя имитатор ЧЭ на основе платы микрокомпьютера СРС109 с центральным процессором Vortex86DX, и имитатор БЭ с процессором цифровой обработки сигналов типа 1867ВЦ5TDD1. В качестве внешнего устройства задействован персональный компьютер, в котором установлен контроллер шины МКПД на основе платы МВ26.14. Программа управления имитатором ЧЭ написана на языке Си в среде программирования QNX Momentics IDE и работает под управлением ОСРВ QNX6. Программа управления имитатором БЭ создана в программной оболочке Code Composer Studio также на языке Си. Прикладные программы для ПК написаны в среде программирования C++Builder 6 с использованием соответствующих динамических библиотек.
Устройство апробировано на стенде полунатурного моделирования при проверке аппаратных средств, отвечающих за передачу сигналов по мультиплексным каналам передачи данных от БИНС к исполнительным устройствам СНАУ. Внедрение устройства программно-аппаратной имитации лазерного датчика угловых скоростей на этапе разработки позволило оперативно устранить ряд недостатков узлов СНАУ, провести отладку алгоритма работы БИНС, сократить длительность и трудозатраты проведения испытаний.