Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование экспериментального образца автономной системы для определения ориентации объектов в пространстве с использованием малошумящего молекулярно-электронного датчика угловых движений.

Номер контракта: 14.575.21.0017

Руководитель: Агафонов Вадим Михайлович

Должность: доцент

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
навигация, управление движением, ориентация, азимут, датчик, молекулярная-электроника, целеуказание

Цель проекта:
Научно-техническая задача проекта состоит в разработке компактной автономной системы для высокоточной ориентации объектов в пространстве. Цель проекта: поиск и разработка научных и технических решений для создания высокоточной системы ориентации объектов в пространстве.

Основные планируемые результаты проекта:
Объект разработки и исследований состоит из:
1) измерительного блока;
2) блока управления и обработки данных;
3) блока визуализации данных;
4) блока питания;
5) блока управления блоком двигателя.
6) программного обеспечения управления системой;
7) программного обеспечения обработки данных.

Конечным результатом проекта является экспериментальный образец системы для высокоточного определения ориентации объекта в пространстве, демонстрирующий достижение следующих характеристик:
– точность определения азимута: 0,05˚/cos(φ) (φ – географическая широта);
– типичное время определения азимутального направления: 200 сек;
– восприимчивость к паразитным воздействиям внешних магнитных/электромагнитных полей, включая магнитное поле Земли, на точность измерения азимута — отсутствует;
– масса устройства: 4 кг;
– предельный занимаемый объем: 250х250х450 мм;
– использование в качестве чувствительного элемента молекулярно-электронных датчиков углового движения;
– полоса частот датчика углового движения, используемого в качестве чувствительного элемента: 0.1-20 Гц;
– напряжение питания датчика углового движения от источника постоянного тока: 9-16 В;
– потребление датчика углового движения, используемого в качестве чувствительного элемента: 10 мА;
– температурный диапазон работы: 0 +55˚С;
– собственные шумы датчика угловых движений, не более 10-6 рад/сек^2/sqrt(Гц).

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечный продукт, создаваемый с применением результатов проекта, представляет собой автономную систему для определения ориентации объектов в пространстве относительно направления на географический север и местной вертикали с точностью около 0.1 градуса при временах измерения в пределах нескольких минут. Автономность подразумевает независимость от спутниковых данных. Кроме того, система не использует информацию о магнитном поле. Измеряемыми параметрами являются угловая скорость вращения Земли и вектор силы тяжести. Роль выполняемых ПНИ состоит в определении совокупности аппаратных, алгоритмических и программных решений, необходимых для создание такой системы и в апробации найденных решений на экспериментальном образце.

Основная новизна технического решения проекта состоит в использовании для измерения вращения Земли датчика угловых движений, построенного на принципах молекулярно-электронной технологии, отличающегося низкими собственными шумами при невысокой стоимости.

В целом, проблему высокоточной ориентации на местности необходимо считать весьма далекой от окончательного решения и имеется значительный неудовлетворенный спрос на автономные устройства для определения направления на географический север с заявленной в проекте точностью. Именно поэтому значительные усилия исследователей во всем мире сосредоточены на поиске новых методов решения проблемы. В частности, значительный интерес представляет возможность использования инерциальных измерений угловой скорости вращения Земли динамическим методом. Суть метода состоит в том, что датчик угловых движений (угловой акселерометр или гироскоп) помещается на платформу, известным образом изменяющую свою ориентацию в пространстве, чаще всего, вращающуюся относительно вертикальной оси, ортогональной оси чувствительности датчика. В этом случае, проекция вектора угловой скорости вращения Земли на ось чувствительности датчика, а значит и его выходной сигнал, периодически изменяются при вращении. Амплитуда и фаза соответствующих изменений несет информацию о расположении оси вращения Земли, что и позволяет определить направление на географический север. Основное преимущество динамического метода состоит в переносе сигнала, связанного с вращением Земли, с 0 Гц на частоту вращения, что позволяет устранить ошибки, связанные с низкочастотными дрейфами измерительного устройства. Подход мог быть бы весьма эффективным при наличии малошумящего измерителя углового движения. Вместе с тем, доступные до недавнего времени датчики угловых движений, включая микроэлектромеханические и волоконно-оптические, не позволяют получить необходимо высокую точность при их применении, что связано с достаточно высокими собственными шумами соответствующих устройств и невысоким отношением сигнал/шум, которое удается достичь в эксперименте. Качественное повышение точности метода может быть достигнуто путем использования, принципиально нового, более чувствительного сенсора углового ускорения. Собственные шумы используемого в проекте молекулярно-электронного датчика в десятки раз ниже шумов волоконно-оптических гироскопов и в сотни раз ниже лучших микромеханических аналогов, что позволяет получить качественно лучшие точностные параметры.

Принципиальное ограничение применимости создаваемого устройства состоит в том, что измерения необходимо проводить на покоящемся относительно Земли объекте. В противном случае будет скорее определена не относительно малая угловая скорость вращения Земли, а угловая скорость движения самого объекта. Тем не менее, остается значительное количество применений, где указанное ограничение не имеет значения. Другие технические ограничения и риски связаны с тем, что динамический способ измерений или его конкретная реализация окажутся недостаточно точными из-за влияния ошибок измерений, отличных от собственных шумов измерительного устройства, а для их компенсации потребуется использование слишком дорогих технических решений. Наконец, существует риск появления конкурирующего устройства, наиболее вероятно, трехосного гироскопа, сочетающего в себе высокую точность, на уровне 0.01 град/час, со стоимостью < 2-3 тыс. долларов США. Одним из следствий выполненного ПНИ является уменьшение и более точная оценка указанных рисков.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения разработки включают:
1) навигацию наземных транспортных средств, подводных и надводных аппаратов и судов;
2) точное выставление начальных значений параметров в навигационных системах; калибровку и предполетную подготовку навигационных систем самолетов;
3) направленное бурение скважин;
4) прокладку тоннелей, геодезические работы, геофизику;
5) целеуказание на удаленный объект;
6) определение ориентации неподвижных объектов;
7) высокоточную ориентацию мобильных и стационарных систем связи.

В настоящий момент имеются потенциальные заказчики на разрабатываемую инновационную продукцию для использования в маркшейдерском деле и в системах навигации и управления колесных и гусеничных средств специального назначения.

Конечным результатом проекта должна стать разработка семейства систем для высокоточной ориентации объектов в пространстве, основными коммерческим преимуществами которых должны стать: высокая точность определения направлений (азимут и местная вертикаль); быстрое время определения с максимальной точностью; автономность работы и независимость от внешних полей; легкая интеграция с существующими системами более высокого порядка; низкая стоимость решения. Что касается рынка быта, то изделие проекта сможет заполнить нишу недорогих модулей высокоточного определения пространственной ориентации различных объектов для перечисленных выше областей применения. Спрос на разрабатываемое изделие обусловлен отсутствием аналогичной продукции на рынке, в связи с чем на практике используются технологии, обеспечивающих свойства предлагаемого изделия при недостаточной для многих применений точности и/или значительно более высокой стоимости решения.

Демонстрация даже промежуточных результатов проекта неизменно вызывает интерес как у специалистов, так и у более широкой аудитории, что обусловлено наглядностью принципов работы и впечатляюще высокой чувствительностью используемых датчиков. В 2015 году результаты работы представлялись на выставках ГеоКазань-2015, Cebit-2015, Гамбург, China Hi-Tech Fair 2015, Шеньчжень, конференции CSCE 2015, Рим, лекциях и семинарах.

Текущие результаты проекта:
В первую очередь, текущие результаты проекта включают совокупность научных и технических решений, направленных на создание отдельных компонентов системы:

- при создании измерительного блока разработана оптимальная конструкция преобразующего элемента молекулярно-электронного датчика. разработаны схемы сопутствующей электроники. в том числе, с учетом термокомпенсирующих цепей;
- при создании блока обработки данных системы ориентации были получены технические решения, выполняющее аналого-цифровое преобразование сигналов от измерительного блока, обеспечивающие динамический диапазон измерения не хуже 80 Дб, запись сигналов в память, выполнение преобразования Фурье, а также других математических операций, необходимых для обработки сигнала и вычисления результата измерения. Кроме того, найдено техническое решение для блока обработки данных для управления системой двигателей, обеспечивающих вращение платформы и её горизонтирование;
- программные решения позволяют осуществлять пользовательское взаимодействие с системой, обмен данными между блоками системы, обсчет, сбор и накопление данных, автоматизацию процесса измерений;
- разработана плата блока питания системы высокоточной ориентации, совмещенная с платой коммутации сигналов;
- разработано техническое решение, обеспечивающего передачу сигналов датчиков измерительного блока в блок обработки данных.

Найденные технические и программные решения реализованы в виде комплекта эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец высокоточной системы ориентации объектов в пространстве на основе низкошумящих молекулярно-электронных датчиков угловых движений содержащей электрические принципиальные схемы, чертежи отдельных деталей и сборочных узлов, а также комплекта программной документации для экспериментального образца высокоточной системы ориентации объектов, включая текст программы, пользовательское описание, описание применения.

На основе разработанной документации изготовлен экспериментальный образец высокоточной системы ориентации объектов в пространстве на основе низкошумящих молекулярно-электронных датчиков угловых движений.

Разработаны программа и методики исследований характеристик экспериментального образца.

В соответствии с разработанной программой и методиками проведены исследования характеристик образца, показавшие в частности достижение точности измерения направления на географический север 0.1 градуса, как предусмотрено требованиями ТЗ.

Результаты работы отражены в 4 статьях в журналах из баз данных Scopus и WoS, кандидатской диссертации и двух заявках на изобретение.