Обработка сигналов датчиков аналоговой информации на борту космического аппарата

ния коэффициентов передачи измерительных каналов конкретного образца БИНС.

Список литературы

1. Калихман Д.М. Прецизионные управляемые стенды для динамических испытаний гироскопических приборов / под общ. ред. акад. В.Г. Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2008. 296 с.

2. Анализ совместного влияния условий эксплуатации и погрешностей измерительных каналов на точность бесплатформенной системы ориентации / М.Б. Богданов [и др.] // Гироскопия и навигация. № 3 (62). СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2008. С. 53 - 58.

3. ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения.

4. Богданов М.Б., Данилов М.Б., Савельев В.В. Результаты исследовательских испытаний бесплатформенной инерциальной навигационной системы, построенной на волоконно-оптических гироскопах и компенсационных акселерометрах // XVII Санкт-Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам: сборник материалов. СПб, 2010. С. 117-119.

M.B. Bogdanov, V.V. Savelev

METHOD FOR DETERMINING THE ERRORS MULTIPLICATIVE MEASUREMENT CHANNELS STRAPDOWN INERTIAL NAVIGATION SYSTEMS CONTAINING ANGULAR VELOCITY SENSOR

Based on the analytical description of the reasons for the drift in determining BINS angular orientation in a synchronous rolling, a method definition of multiplicative errors of measuring channels of the system containing the angular velocity sensor. The method is confirmed experimentally. On the example shows the potential of the method in solving the problem of improving the transmission coefficients of channels SINS.

Key words: strapdown system, the method of determination of errors, multiplicative errors, synchronous rolling.

Получено 17.10.12

УДК 629.7.052

В.А. Иванов, магистр, 8

ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ДАТЧИКОВ АНАЛОГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ НА БОРТУ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Предложен метод первичной обработки сигналов датчиков телеметрической информации с применением базового матричного кристалла.

Ключевые слова: телеметрическая система, датчики аналоговой информации, базовый матричный кристалл, космический аппарат.

Телеметрическая система - комплекс технических и программных средств, предназначенный для контроля телеметрической информации на борту космического аппарата (КА).

Независимо от размеров и целей КА, телеметрическая система яв-

ляется одним из важнейших узлов в системе.

Актуальность телеметрических систем не вызывает никаких сомнений. Действительно, при возникновении нештатных ситуаций, когда научная аппаратура или система управления КА перестала функционировать, только телеметрия может подсказать людям, что же могло произойти или что происходит в космосе на борту спутника. По этой причине телеметрическая система разрабатывается как независимая аппаратура, функционирование которой никак не завязано с работоспособностью другой электронной начинки КА.

К основным задачам ТМС можно отнести мониторинг информации поступающей с датчиков различных типов.

Основную часть, опрашиваемых датчиков на борту КА, составляют аналоговые параметрические датчики сопротивления, диапазон которых находится в пределах от 10 до 500 Ом.

Зависимость между сопротивлением и температурой может быть приближенно описана уравнением Каллендар-Ван Дусена

— т Т Т Т

— = 1 + ах

—0 100 100 100 100

где Т — температура, °С; — - сопротивление при температуре Т; —0 - сопротивление при температуре таяния льда,а - постоянный коэффициент (определяет наклон функции R=F(T) при Т = 0 °С); 5 - постоянный коэффициент; в - постоянный коэффициент (в = 0 при Т > 0 °С).

Фактические значения коэффициентов а, 5 и в определяются экспериментально путем измерения значения резистивных датчиков температуры при разных температурах и решения уравнения (1).

Наклон графика, а, следовательно, и температурный диапазон его работы зависят от материала, из которого изготовлен датчик. На рис. 1 изображены графики зависимости сопротивления различных типов датчиков от температуры окружающей среды.

Если в блоке используется датчик с возможным рабочим диапазоном температур от минус 200 до 200 °С (сопротивление датчика изменяется в пределах от 20 до 180 Ом), но реальный разброс температур находится в более узком диапазоне, к примеру, от 0 до 100 °С, то сопротивление датчика изменяется в пределах от 100 до 140 Ом. Таким образом, при измерении падения напряжения на датчике присутствует постоянная составляющая, равная минимальному значению сопротивления, умноженному на значение силы тока опроса, проходящий через датчик (в данном случае постоянная составляющая равна 200 мВ при токе опроса в 2 мА). Эта составляющая (или смещение) при измерении и преобразовании мешает оптимальным образом использовать размах аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). В зависимости от среды, в которой используется датчик, смещение может достигать величины, сопоставимой с величиной полезного сигнала, а в некоторых случаях превышать его в несколько раз.

Рис. 1. Графики зависимости сопротивления различных типов датчиков от температуры окружающей среды

В соответствии с техническим заданием, максимальная погрешность измерений параметров каждого типа датчиков на клеммах соединителя не должна превышать 1 % от максимального допустимого значения измеряемой величины.

Из-за того, что блок телеметрической системы разрабатывается параллельно с другими блоками КА, до последнего момента неизвестно, датчик с каким сопротивлением будет использован, и в каком диапазоне температур он будет находиться. Соответственно неизвестно какой диапазон сопротивлений необходимо измерять.

Зачастую, диапазон выходного сигнала датчика не совпадает с входным диапазоном АЦП, поэтому требуется преобразовывать выходной сигнал, что чаще всего сводится к его усилению. Как было описано выше, преобразуется не только полезный сигнал, но и смещение. Что бы измерять только полезную составляющую, необходим метод для преобразования выходного сигнала датчика.

Первой задачей метода является преобразование входного дифференциального сигнала к виду удобному для цифровой обработки (рис. 2). Здесь же производится первичное усиление сигнала.

Третьей задачей является усиление полезной составляющей преобразованного сигнала для оптимального использования входного диапазона измерений АЦП (рис. 4).

Таким образом, метод решает следующие задачи:

- преобразование;

- нормирование;

- масштабирование.

Используя изложенный метод, возможно измерять значение датчиков во всех диапазонах с высокой точностью при оптимальном использовании входного диапазона АЦП.

Рис. 3. Нормализация преобразованного сигнала

Рис. 4. Масштабирование полезной составляющей

Реализация вышеизложенного метода влечет за собой использование большого количества дискретных элементов. Это, в свою очередь, снижает надежность и увеличивает площадь расположения компонентов на плате.

Использование в проекте полузаказных схем на основе базового матричного кристалла позволяет избавиться от недостатков предложенного метода.

Принято считать, что полностью заказные микросхемы обеспечивают максимальную функциональность, надежность и стойкость, минимальную стоимость при массовом производстве, но требуют максимальных затрат на этапе разработки и освоения производства и для производства малых партий не применимы. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) имеют более высокое энергопотребление, дополнительные элементы для специализации, что снижает надежность микросхем и определяет их более высокую стоимость по сравнению с другими группами специализированных интегральных схем (ИС). Полузаказные ИС занимают промежуточное положение между полностью заказными ИС и ПЛИС. По показателям надежности, энергопотребления и стойкости к

внешним воздействующим факторам они сравнимы с заказными ИС, в тоже время по длительности цикла разработка ^ изготовление ^ испытания, сопоставимы с ПЛИС. Производство базовых матричных кристаллов (БМК), как правило, поддерживается в течение длительного времени (более 15 лет), производители предлагают заказчикам собственные библиотеки и технологии проектирования ИС, а также предоставляют услуги по прототипированию полузаказных микросхем. Зачастую оптимальным способом реализации аппаратуры космического применения является использование именно полузаказных ИС [1,2].

Для создания полузаказной ИС выбирается необходимый по объему и параметрам БМК. Проектирование микросхемы заключается в разработке электрической схемы и соответствующей топологии слоев металлизации, а производство кристаллов - в формировании этих слоев на ранее изготовленных и аттестованных пластинах - полуфабрикатах с уже сформированными транзисторными структурами.

Разработка БМК начинается с разработки модели кристалла. Затем проводится этап моделирования поведения микросхемы специальными программными средствами.

На сегодняшний день разработаны семейства серий БМК, имеющих унифицированную библиотеку базовых и типовых функциональных ячеек. В библиотеке содержатся практически все модели элементов, необходимые для реализации предложенного метода.

В соответствии с предложенным методом первой задачей является преобразование падения напряжения на резистивном датчике. Это производится схемой из двух операционных усилителей (рис. 5). Оба операционных усилителя (ОУ) включены как неинвертирующие усилители, причем первый из них ОУ1 преобразует уровень опорного напряжения второго усилителя ОУ2. Выходной сигнал усилителя ОУ1 подается на инвертирующий вход ОУ2, поэтому ОУ2 усиливает дифференциальный входной сигнал (падение напряжения на измерительном резисторе R1).

Дифференциальный коэффициент усиления каскада операционных усилителей

Ки = 1 + = 3 . и Я4

Коэффициент выбран с учетом диапазона сопротивлений датчика, указанного в ТЗ, и входного измеряемого диапазона используемого АЦП (от 0 до 3,3 В).

Преобразованный сигнал поступает в часть схемы, где производится нормализация (в соответствии с разработанным методом) (рис. 6).

В этой части схемы используется ОУ, подключенный по схеме вы-читателя. На неинвертирующий вход ОУ4 подается преобразованный сигнал с датчика, а на инвертирующий вход поступает сигнал, сформированный на цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП), соответствующий уровню смещения.

Рис. 5. Схема преобразователя Рис.6. Схема нормализации

напряжения преобразованного сигнала

В заключение преобразованный и нормализованный сигнал поступает на вход каскада ОУ. Все ОУ подключены по одинаковой схеме - усиления с различными коэффициентами. Количество ОУ и коэффициенты выбираются в зависимости от числа и величины рабочих диапазонов датчиков.

Выходы каскада операционных усилителей подключены к мультиплексору, с помощью которого необходимый коэффициент задается адресом.

Заключение

Предложенный метод решает задачи выделения полезной составляющей аналогового сигнала и ее усиления для последующего преобразования на АЦП.

Реализация предложенного метода в качестве структуры для БМК увеличивает показатели надежности (отказоустойчивость, вероятность безотказной работы и т.д.), т.к. вместо большого количества дискретных элементов используется одна ИС, которая имеет высокий уровень стойкости к воздействию радиации (характеристика 7.И6 составляет не менее 2-5 Ус, при этом катастрофических отказов и тиристорного эффекта не наблюдается), что является одной из важнейших характеристик в аппаратуре космического применения.

Список литературы

1. Денисов А.Н. Методология проектирования аппаратуры по технологии БМК-ПЛИС-БМК // Известия вузов. Электроника. № 5. 2009. С.85-86.

2. Басаев А.С. , Денисов А.Н., Коняхин В.В. , Мальцев П.П. Методология проектирования радиационно-стойких микросхем на основе БМК для космических аппаратов // Материалы III Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008", (МЭС-2008). М., 2008, с. 8 .

V.A. Ivanov

PROCESSING SIGNALS OF SENSORS ANALOG INFORMATION IN THE SPACECRAFT

A method of primary processing signals of sensor telemetry data with the use of a base matrix crystal is proposed.

Key words: telemetry system, sensors of analog information, the base matrix crystal, spacecraft.

Получено 17.10.12

УДК 681.586

В.Ф. Петров, канд. техн. наук, зам. директора, pvf@olvs.miee.ru (Россия, Москва, НИИ ВС и СУ МИЭТ),

A.И. Терентьев, канд. техн. наук, ст. научн. сотр., terentev@olvs.miee.ru (Россия, Москва, НИИ ВС и СУ МИЭТ),

Ю.В. Блохин, мл. научн. сотр.

B.В. Демьянов, ведущий инж.-электроник

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМ ДВИЖЕНИЕМ МОБИЛЬНОГО РОБОТА

Рассмотрены вопросы построения автономных систем управления движением мобильных роботов. Выполнен анализ решаемых задач, определены требования к аппаратной составляющей системы. Проведены экспериментальные исследования предложенных технических решений.

Ключевые слова: мобильный робот, система управления, автономное движение, обработка видеоизображений.

Неблагоприятные и опасные для человека условия, имеющие место на производстве, ведении современных боевых действий, работе в космосе, на дне океана или на зараженной местности, требуют применения автономных мобильных робототехнических систем.

По степени автономности в выполнении поставленных задач можно выделить три поколения мобильных роботов:

- к роботам первого поколения относятся телеуправляемые аппараты;

- второе поколение роботов отличает самостоятельное выполнение чисто механических операций по заранее составленной программе;