Application of microelectromechanical sensors in the integrated navigation system of ground transport and agricultural technological vehicle

Full Text

Введение Современный этап развития навигационных технологий выдвигает в число актуальных задачу синтеза навигационной системы для наземного транспорта и сельскохозяйственных технологических средств, обеспечивающей высокоточное устойчивое решение навигационной задачи в сочетании с приемлемыми для широкого круга потребителей стоимостными показателями [1, 2]. Общим направлением в развитии навигационных систем для наземного транспорта и сельскохозяйственных технологических средств является создание интегрированных инерциально-спутниковых навигационных систем комплексированных с датчиками дополнительной информации [3-5]. Особенности применения навигационных систем в автомобильных и сельскохозяйственных приложениях диктуют ряд специфических требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам системы [3]. К числу основных требований следует отнести получение минимальных массогабаритных характеристик, низкое энергопотребление, обеспечение высокой надежности при достижении заданной точности решения навигационной задачи. Прогнозируемая массовость применений оборудования средств транспортной и сельскохозяйственной навигационной системы диктует необходимость использования в качестве чувствительных элементов инерциального модуля системы навигации датчиков с низкой стоимостью. К числу наиболее перспективных датчиков следует отнести микроэлектомеханические сенсоры (МЕМС) [1, 2, 6]. Датчики, выполненные по технологии МЕМС, обладают рядом неоспоримых преимуществ в сравнении с другими типами чувствительных элементов. К основным достоинствам МЕМС относят - малые массогабаритные характеристики (объем менее 1см3 при массе менее 1 г), низкое энергопотребление, высокую надежность, невосприимчивость к виброударным нагрузкам (до 2000 g), низкую цену. Основным недостатком МЭМС является крайне низкий уровень точностных характеристик, исключающий возможность автономного использования датчиков в составе навигационной системы без привлечения вычислительных процедур фильтрации измерительной информации. Несмотря на интенсивные исследования в области создания недорогих инерциально-спутниковых навигационных систем, в настоящее время практически нет образцов интегрированной аппаратуры, предназначенной к применению для широкого класса подвижных наземных объектов. С учетом перечисленных факторов практическую значимость представляет собой решение задачи построения инерциально-спутниковой системы для наземного транспорта и сельскохозяйственных технологических средств с использованием МЕМС датчиков. В контексте решаемой задачи актуальным вопросом является оценка влияния точностных характеристик МЕМС на выходные параметры навигационной системы. Для разработчиков транспортных и сельскохозяйственных технологических средств навигационных систем представляет интерес технико-экономическое обоснование выбора наиболее перспективных чувствительных элементов из всего многообразия датчиков, представленных для свободного потребления. Перечисленные факторы в совокупности определяют актуальность заявленной темы исследования. Цель исследования Целью данной работы является оценка точностных возможностей интегрированной системы, анализ основных конструкторско-технологических особенностей используемых МЭМС датчиков, сравнительный анализ стоимости промышленно выпускаемых элементов, определение критериев отбора МЭМС датчиков из всего многообразия чувствительных элементов соответствующего класса. Особенности построения инерциально-спутниковой системы. Конструкторско-технологические характеристики МЭМС Общий анализ способов повышения качества навигационных систем позволяет сделать вывод о том, что для обеспечения высокой точности и непрерывности навигационных определений наиболее перспективным способом является интегрирование в единый комплекс приемника спутниковой навигации и автономных датчиков. При этом в качестве автономных датчиков предложено использование МЕМС сенсоры и одометрический датчик. Создание интегрированной инерциально-спутниковой системы на основе объединения датчиков различной физической природы позволяют разработать систему, обладающую более высокими характеристиками точности, помехоустойчивости и непрерывности навигационных решений по сравнению с отдельными измерителями. Достоинствами использования МЕМС датчиков являются высокие эксплуатационные характеристики в сочетании с низкой стоимостью. Однако значительные ошибки датчиков требуют привлечения алгоритмов фильтрации выходных сигналов системы. Проанализируем основные конструкторско-технологические характеристики МЕМС датчиков сточки зрения возможности и эффективности их использования в составе инерциально-спутниковой системы транспортного и сельскохозяйственного технологического средства. Погрешности инерциальной навигационной системы всецело определяются точностью используемых чувствительных элементов. Выбор датчиков, как правило, предопределяется условием работы системы - в первую очередь, требуемой длительностью автономного (без использования коррекции от внешних устройств) счисления координат. Одним из ключевых параметров при этом оказывается нестабильность смещения нуля (дрейфов) гироскопов. Сравнительный анализ характеристик серийно выпускаемых образцов приборов в зависимости от принципа их действия показал, что нестабильность нуля гироскопов составляет от 10-6 °/ч до 200 °/ч (рис. 1). Рис. 1. Типичная нестабильность смещения нуля (дрейфа) гироскопов разных типов В рамках решения задачи по выработке навигационных параметров навигационной системой транспортного и сельскохозяйственного технологического средства предполагается, что источником информации о скорости движения машины служит одометр, поэтому точность гироскопов оказывается важна лишь в контексте определения углов ориентации, в первую очередь угла курса. Необходимость автономного вычисления параметров возникает только на протяжении тех кратких периодов времени, когда отсутствует прием сигналов навигационных спутников. Все сказанное обусловливает выбор в пользу МЕМС датчиков как наиболее дешевых и свободно доступных на рынке. На момент разработки аппаратной части инерциальной системы транспортного и сельскохозяйственного технологического средства наиболее широко рынок микромеханических гироскопов был представлен продукцией компании Analog Devices [7]. На сегодняшний день класс микромеханических гироскопов весьма широк и неоднороден и включает датчики с нестабильностью смещения нуля от 5 до 200 град/ч и стоимостью от 6 до 500 $. График на рис. 2, построенный в логарифмическом масштабе, иллюстрирует соотношение между уровнем погрешностей и стоимостью нескольких распространенных образцов таких гироскопов, производимых компаниями Analog Devices, ST Microelectronics, Epson, Systron Donner. Как видно из рис. 2. условиям, накладываемым на точность и стоимость датчиков, наиболее полно удовлетворяет гироскоп ADXRS-300 фирмы Epson. Рис. 2. Соотношение уровня погрешностей и цены микроэлектромеханических гироскопов Датчик угловой скорости ADXRS-300, разработанный и производимый компанией Analog Devices, представляет собой вибрационный гироскоп, выполненный по микромеханической технологии iMEMS [5, 6]. Основной элемент гироскопа - закрепленная на упругих растяжках рамка, внутри которой совершает поступательные колебательные движения чувствительная масса. Колебания возбуждаются электростатическим способом. На внешней поверхности рамки и на подложке расположены выступы, образующие обкладки системы плоских конденсаторов. При колебаниях рамки относительно подложки расстояния между этими выступами изменяются, соответственно изменяется и электрическая емкость конденсаторов. Когда подложка неподвижна или движется прямолинейно и равномерно, рамка не колеблется. Если подложка вращается вокруг оси чувствительности, то под действием силы Кориолиса возникают вынужденные (вторичные) колебания рамки. Изменение емкости системы конденсаторов при этом несет информацию об угловой скорости прибора. Конструктивно гироскоп ADXRS-300 представляет собой интегральную микросхему; он выполнен на одном кристалле кремния и включает в себя все необходимые электронные цепи формирования сигнала. Данный прибор имеет встроенную схему автотестирования с цифровым управлением. В составе микросхемы присутствует датчик температуры для осуществления калибровки устройства и компенсации погрешности, вызванной изменением температуры. Также на кристалле имеется прецизионный источник опорного напряжения. Двухканальный датчик линейного ускорения - акселерометр ADXL-210 производства компании Analog Devices - выполнен по микромеханической технологии iMEMS [8]. Весь кристалл акселерометра размером 3,05×3,05 мм занят главным образом схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный датчик ускорения размером 1×1 мм, расположенный в его центре. Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского куска поликремниевой пленки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой консольные стержни, расположенные на высоте 1мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу. Датчик ADXL-210 изготавливается в плоском керамическом корпусе с планарными выводами, причем оси, по которым измеряется ускорение, направлены параллельно плоским выводам (то есть параллельно плоскости печатной платы). Вариант схемного выполнения ADXL-202E выпускается в миниатюрном безвыводном кристаллоносителе размером 5×5×2 мм. Для удобства сопряжения с микроконтроллерами выходные сигналы представляют собой импульсы прямоугольной формы постоянной частоты. Информация об ускорении отображается скважностью импульсов. Описанный способ обеспечивает высокую помехоустойчивость, для передачи сигнала достаточно одной линии и прием его любым микроконтроллером, у которого есть таймер. Основные характеристики МЕМС датчиков навигационной системы транспортного и сельскохозяйственного технологического средства сведены в табл. 1. Таблица 1 Характеристики гироскопа ADXRS-300 и акселерометра ADXL-210 Характеристики гироскопа ADXRS-300 Характеристики акселерометра ADXL-210 Параметр Значение Параметр Значение Диапазон измерений, град / с ± 300 Диапазон измерений, g ±10 Масштабный коэффициент, мВ / (°/с) 5,0 Масштабный коэффициент аналогового сигнала, мВ/g 100 Погрешность масштабного коэффициента, % 8,0 Погрешность масштабного коэффициента, % 20 Нелинейность масштабного коэффициента, % 0,1 Нелинейность выходной характеристики, % 0,2 Ширина полосы пропускания, Гц 40 Ширина полосы пропускания, Гц 5000 Среднеквадратичный уровень шума, град/с / 0,1 Среднеквадратичный уровень шума, 10-6 g/ 500 Чувствительность к линейным ускорениям, град / с / g 0,2 Время готовности <5 с Диапазон рабочих температур, °С -40…+58 Диапазон рабочих температур, °С -40… +85 Напряжение питания, В 5±0,25 Напряжение питания, В 3,0…5,25 Потребляемый ток, мА 6 Потребляемый ток, мА 0,6 В качестве основного алгоритма комплексирования навигационных систем предлагается фильтрация, реализованная на базе оптимального фильтра Калмана. Выбор данного метода фильтрации обусловлен, в основном, простотой реализации дискретной формы фильтра в вычислителе и наилучшей теоретической сходимостью вычислительной процедуры в классе линейных оптимальных фильтров. Результаты проведения натурных испытаний интегрированной инерциально-спутниковой системы транспортного и сельскохозяйственного технологического средства, построенной на базе МЕМС датчиков при использовании специализированных алгоритмов обработки информации, сведены в табл. 2. Таблица 2 Точностные показатели инерциально-спутниковой навигационной системы Точностные характеристики Режимы работы Величины (1 σ) Режим коррекции от спутниковой системы (1 σ) Автономный инерциальный режим с коррекцией от одометра (1 σ) Горизонтальные координаты 5 м 0,25% от произведенного пути Путевая скорость 0,1 м/с 0,3 м/с Вертикальная скорость 0,3 м/с 0,3 ... 0,5 м/с Высота 2 … 4 м 6 … 8 м Углы ориентации (тангаж, крен) - - Динамическая точность 0,01 … 0,03° 0,05 … 0,1° Курс Динамическая точность 0,08 … 0,1° 0,5 … 0,7° Горизонтальные координаты 0,125% от пройденного пути Результаты натурных испытаний показали, что точность выработки навигационных параметров инерциально-спутниковой системы находится на уровне удовлетворяющем заданным требованиям. Данное обстоятельство указывает на целесообразность и эффективность использования МЕМС датчиков в качестве чувствительных элементов системы. Выводы Достоинствами использования микроэлектромеханических датчиков являются высокие эксплуатационные характеристики и низкая стоимость. Однако высокие погрешности датчиков не позволяют использовать их в качестве автономных навигационных систем, помимо этого микроэлектромеханические датчики являются датчиками интегрирующего типа и, следовательно, требуют привлечения алгоритмов фильтрации измерительной информации. Результаты натурных испытаний показали, что интегрирование в единый навигационный комплекс приемника спутниковой навигации, инерциальных МЕМС датчиков и одометрического датчика обеспечивает: · непрерывность навигационных определений на всех этапах движения транспортного и сельскохозяйственного технологического средства, в том числе для транспортных средств в условиях плотной городской застройки, когда наблюдается временная неработоспособность приемников спутниковой навигации; · повышение точности определения навигационных параметров; · высокоточное определение параметров пространственной ориентации. Применение предложенного навигационного инструмента в сегменте оборудования для наземных транспортных и сельскохозяйственных технологических средств создает фундамент для новых высокотехнологичных и экономичных проектов.

About the authors

P. V. Novikov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: NovikoF_08@mail.ru

V. N. Gerdi

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.

V. V. Novikov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.

References

Supplementary files