Датчики ориентации в пространстве

Наличие внутри микросхемы двух перпендикулярно  расположенных однотипных датчиков позволяет избежать влияния на выходной сигнал гироскопа вибрации и ускорения. Схемы формирования сигнала, расположенные  на этом же кристалле, позволяют сохранить  качество сигнала в условиях "шумного" окружения (электромагнитных помех, шумов  цифровых схем и т.д.).

Для схемы возбуждения чувствительных элементов требуется напряжение питания 14–16 В. Так как на микросхему подается напряжение 5 В, для получения  более высокого напряжения питания  на кристалле имеется схема "зарядового насоса" с переключаемыми конденсаторами. Если имеется внешнее напряжение питания величиной 14-16 В, то можно  использовать его, и при этом избавиться от необходимости подключения нескольких дополнительных внешних конденсаторов.

Данный прибор представляет собой  единственный на сегодня коммерчески  доступный гироскоп, имеющий встроенную схему автотестирования с цифровым управлением, которая работает при  активном датчике. В составе микросхемы присутствует датчик температуры для  осуществления калибровки устройства и компенсации погрешности, вызванной  изменением температуры, также на кристалле  имеется прецизионный источник опорного напряжения.

 

 

 

Гироскопический датчик на гироскопе ENC-03J

Электронные гироскопы — преобразователи  наклона и угловой скорости в  электрический ток. Так же как  и механические (ротационные), пьезокерамические  электронные гироскопы служат для  контроля положения и угловых  скоростей с малым временем отклика (до 50 Гц). Электронные датчики-гироскопы  марки ENC-03J и ENC-03M появились в розничной  торговой сети совсем недавно. Они предназначены  для работы в качестве датчиков изменения  наклона, а также компенсации  дрожания руки (штатива) в видеокамерах и высокотехнологичных фотоаппаратах.

Отличием электронных гироскопов от механических собратьев является компактность и малый вес (размер 12 х 8 мм, масса в зависимости от модели 1—20 г), отсутствие изнашивающихся элементов, высокая скорость отклика (минимум инерции), низкое напряжение питания (2,7—5,5 В), малый ток потребления (0,5—15 мА). Диапазон рабочих температур (-5...+75 °С) позволяет производить  контроль параметров в широком спектре  климатических условий и географических поясов.

Кроме того, электронные гироскопы  выпускаются также и в ЧИП-исполнении, что позволяет использовать их для  поверхностного монтажа.

На основе такого электронного датчика  создано простое устройство, которое  посредством светоизлучающего светодиода сигнализирует об изменении своего, ориентированного на горизонтальную поверхность  положения. Схема прибора показана на рис. 4.2

Рис. 4.2. Электрическая схема гироскопа

 

Основу устройства составляет пьезокерамический  гироскоп ENC-03J производства фирмы «Murata» (Япония). При горизонтальном положении  прибора постоянное напряжение на выводе 4 датчика U1 составляет 1,3—1,4 В при Un = 5 В. Коэффициент усиления операционного  усилителя DA1 приблизительно равен  единице. На вывод 3 датчика U1 поступает  напряжение сравнения через низкочастотный фильтр R3C3, который одновременно играет роль обратной связи операционного  усилителя.

При изменении горизонтального  положения датчика (отклонении от 0 °) напряжение на выходе U1 (вывод 4) изменяется в соответствии с коэффициентом  преобразования (0,67 мВ/° отклонения в секунду). Частота опроса состояния  составляет около 50 Гц. Максимальная угловая  скорость относительно строго горизонтального  положения (уровень 0) составляет ±300 °/с. Разделительный конденсатор С1 (образующий совместно с резистором R1 частотный  фильтр с полосой среза около 0,3 Гц), не пропускает постоянную составляющую напряжения на вход операционного усилителя DA1. При изменении горизонтального  положения датчика на выходе DA1 (вывод 6) присутствует напряжение высокого уровня, которое открывает ключевой транзистор VT1, вследствие чего зажигается светодиод HL1.

Все постоянные резисторы — типа МЛТ-0,25 или MF-25. Конденсатор С1 — неполярный типа К10-17, С2— оксидный полупроводниковый  танталовый, типа К52-х или К53-х, СЗ — типа КМ-6Б.

Оксидный конденсатор С4 типа К50-20 сглаживает пульсации источника  питания. Если применяется автономный источник питания— батарея или аккумулятор, данный конденсатор из схемы исключается. Светодиод HL1 — любой типа АЛ307Б  или аналогичный. Для лучшего  визуального контроля можно использовать светодиод с эффектом мигания. Вместо операционного усилителя КР140УД1208 можно применять КР140УД12, КР140УД20 с любым буквенным индексом. Транзистор VT1— любой кремниевый п-р-п типа с коэффициентом усиления более 40.

Устройство в налаживании не нуждается. В связи с высокой  чувствительностью пьезокерамического датчика U1 необходимо жестко крепить  его к корпусу устройства, который, в свою очередь, должен иметь максимально  ровную горизонтальную поверхность. При  Монтаже элементов устройства не перегревайте выводы датчика жалом  разогретого паяльника (время пайки  не более 1 с).

Пользоваться датчиком просто —  достаточно установить его на контролируемой поверхности (если предполагается контроль наклона и стабилизации) или поместить  в другую (нежидкую!) контролируемую среду для контроля вибрации.

Источник питания для устройства—  стабилизированный с постоянным напряжением 3—5 В. Ток потребления  всего узла с датчиком ENC-03J не превышает 5 мА.

Рис. 4.3. Схема включения датчика ENV-05F-03

При использовании в качестве вибродатчика аналогичного прибора ENV-05F-03 параметры  устройства улучшаются (повышается точность показаний— чувствительность). Отрицательным  моментом такой замены может показаться параметр максимальной угловой скорости—  у этого прибора он меньше: ±80 °. Однако применение датчика ENV-05F-03 позволяет  избавиться от операционного усилителя (схема включения собран преобразователь напряжения «переменный/постоянный ток», выход которого можно подключить к управляющему узлу, например к точке А (рис. 4.2).показана рис. 4.3).

На кремниевых диодах собран преобразователь  напряжения «переменный/постоянный ток», выход которого можно подключить к управляющему узлу, например к  точке А (рис. 4.2).

 

5. Методы повышения точности измерения.

 

Все реальные датчики положения  и угловой скорости, выдают не точное значение положения или скорости соответственно, а с некоторой  ошибкой. Возникает задача устранения шума датчика – по зашумлённым  данным оценить вектор состояния  тела, то есть восстановить его реальное движение. Рассмотрим методы устранения шума.

5.1 Статистические методы

 

Статистические методы основаны на минимизации функционала – суммы  квадратов разности между вычисленными на основе математической модели движения и измеренными датчиками параметрами. К примеру, на спутнике имеется магнитометр  и солнечный датчик. Пусть для  известной орбиты и для тех  моментов времени, для которых имеются  измерения, рассчитывается компоненты векторов направления на Солнце S и  направление вектора магнитного поля Н в инерциальной системе  отсчёта. В результате получаем набор

   (n=1,…,N; i=1,2,3)

относящихся к моменту времени   результатов измерений величин  ,  в связанной системе координат  и расчетные значения  ,  в  инерциальной [6]. Введём вектор параметров α, которые необходимо определить, состоящий  из начальных значений трех углов  Эйлера и трех компонент угловой  скорости, а z(t, z0(t0)) – решение уравнений  движения спутника относительно центра масс. Это решение получается их численным интегрированием и  для него рассчитываются S(z) и Н(z) и матрица   перехода от инерциальной к связанной системе координат. В свою очередь решение уравнений  движения z зависит от вектора состояния  α, таким образом, z=z(α). Построим функционал

Ф=ФS+ФH,

 

 

Где

N – число измерений. Таким  образом, оценка вектора α сводится  к минимизации функционала Ф(α)  по элементам α.

Описанный метод называется методом  наименьших квадратов (МНК). МНК требует  довольно большого объёма вычислений, и, как следствие, большого времени  для расчетов, и поэтому редко  применяется на бортовом компьютере спутников для управления движением, а используется для наземной постэкспериментальной  обработки информации. Подчеркнём, что МНК плохо работает в случае изменения движения тела под действием  каких-либо факторов (к примеру, уменьшилась  высота орбиты спутника и на него стала  действовать большая аэродинамическая тормозящая сила). В этом случае математическая модель, используемая в МНК, неудовлетворительно  описывает движение и в результате оценка вектора α становится неудовлетворительной и нужно менять математическую модель или модифицировать ее параметры.

5.2 Фильтрация

 

Зачастую возникают задачи определения  динамической оценки вектора состояния  α в условиях шума измерений и  шума системы (воздействие на систему  различных возмущающих факторов). Такие задачи называются задачами фильтрации.

Фильтр Калмана – последовательный рекурсивный алгоритм оценки, использующий принятую модель динамической системы  для получения оценки. Преимущество этого алгоритма состоит в  том, что он не требует больших  вычислительных мощностей, и поэтому  может быть реализован на бортовом компьютере спутника. Причем с помощью  него можно получать оценку вектора  состояния в режиме реального  времени, что необходимо, к примеру, для реализации активного управления. Кроме того, фильтр способен подстраиваться в случае неточно выбранных параметров математической модели, на которой  он основывается.

 

Заключение.

 

В данной курсовой работе рассмотрели  принцип работы, характеристики  область применения датчиков ориентации в пространстве. Сделали сравнение  датчиков различных типов. Рассмотрели  методы повышения точности измерения.

 

 

Библиографический список.

 

1. А.М. Овчинников, М.Ю. Овчинников, А.С. Середницкий. Лабора-торный стенд для отработки алгоритмов определения движения по снимкам звездного неба/ Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. – М., 2006. – №43.
2. А.А. Дегтярёв, М. Грасси, А. Перрота, М.Ю. Овчинников. Тестирование и калибровка миниатюрного солнечного датчика, разработанного на основе APS-технологии / Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. – М., 2005. – №94.
3. А.А. Ильин , Н.В. Куприянова, М.Ю. Овчинников , В.И. Пеньков, А.С. Селиванов. Анализ вращательного движения первого российского нанос-путника ТНС-0 по результатам летных испытаний/ Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. – М., 2006. – №18.
4. М Л. Пивоваров. Определение ориентации ИСЗ с использованием измерений угловых скоростей // Космические исследования. – 1985. – Т. 23, вып. 3. – С. 331-334.
5. В.Н. Бранец. О точности решения кинематических уравнений // Кос-мические исследования. 1982. – Т. 20, вып. 2. – С. 184-190.
6. С.В. Барабаш, И. Ю. Кирюшкин, У. Норберг, М.Ю. Овчинников. Методы управления углового движения нано-спутника Munin/ Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. – М., 2005. – №94.
7. С. А. Дятлов, Р.В. Бессонов. Обзор звездных датчик ориентации космических аппаратов/ Журнал
8. http://ru.wikipedia.org/Гироскоп
9. http://ru.wikipedia.org/Волоконно-оптический_гироскоп
10. http://ru.wikipedia.org/Лазерный_гироскоп
11. http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/48456/
12. http://radiostorage.net/?area=news/1790