An integrated navigation system of ground transport vehicle

Full Text

УДК 629.051 Интегрированная навигационная система наземного транспортного средства Новиков П.В., к.т.н. доц. Новиков В.В., д.т.н. проф.Шейпак А.А. Университет машиностроения NovikoF_08@mail.ru. Аннотация. В данной статье рассматривается пример практической реализации интегрированной навигационной системы, предназначенной для определения ме- стоположения автопогрузчика в рамках решения проблемы оптимизации грузопе- ревозок. Описывается принцип работы, конструктивные особенности и характе- ристики аппаратных компонентов навигационной системы. Приводятся результа- ты натурных испытаний системы, установленной на наземном транспортном средстве. Ключевые слова: транспортное средство, навигационная система, одо- метр, микромеханика, приемник Глонасс. Введение Стремительное развитие техники и технологий в последние десятилетия открыло воз- можности для успешного решения широкого круга задач навигации подвижных объектов - определения их местоположения и параметров движения при помощи разнообразных устройств, располагаемых как на борту самих объектов, так и вовне их. Задачи такого рода возникают не только в авиации, ракетостроении и флоте, но и в наземном транспорте. В течение долгого времени расширение области применения навигационных систем сдерживалось их высокой стоимостью, а так же сложностью глобального развертывания внешних сегментов этих систем, в том числе орбитальных группировок навигационных спутников. Однако освоение новых и совершенствование существующих методов навигации сделали навигационные устройства доступным для повсеместного использования. Особого внимания заслуживают комплексированные системы инерциальной и спутни- ковой навигации. Комплексирование спутниковых навигационных систем (СНС) второго по- коления (GLONASS, GPS) с инерциальными средствами является эффективным способом построения поколения систем высокоточной навигации. Многообразие возможных областей применения таких систем обуславливает неоднозначность критериев выбора их элементов, типа и режима работы аппаратуры потребителя СНС, набора инерциальных датчиков и устройств для построения полномасштабной инерциальной навигационной системы, а также вычислительных средств, реализующих алгоритмы комплексирования. Несмотря на успехи, достигнутые в области создания интегрированных навигационных систем, проблема построения универсальной системы, характеристики которой были бы в равной мере приемлемыми для любых объектов-носителей, на данный момент остается не- решенной. Внедрению комплексированных навигационных систем в серийное и массовое произ- водство препятствуют, как правило, малая точность определения координат в условиях го- родской среды, высокая стоимость и зачастую неприемлемые для практического применения значения массогабаритных параметров системы. Жесткие требования к стоимости, массе и габаритам навигационного комплекса транспортного средства предопределяют выбор в пользу инерциальной системы, построенной на основе микромеханических гироскопов и ак- селерометров. Однако, чувствительные элементы такого класса обладают настолько высоким уровнем собственных погрешностей, что применение классических алгоритмов коррекции показаний инерциальной части на основе информации, поступающей от приемника спутни- ковой навигационной системы, становятся затруднительными, поэтому встает задача синтеза специализированного алгоритма интегрированной навигационной системы транспортного средства [4, 5, 6]. К классу специфических транспортных средств относится автопогрузчик, работающий в сложных навигационных условиях, например на территории морского порта. Перемещение транспорта по территории морского порта проходит в узких пространствах - «каньонах», ограниченных грузовыми контейнерами, установленными один на один, что приводит к ча- стым перебоям в работе приемника Глонасс. В рамках проблемы оптимизации грузоперевозок на территории морского порта возни- кает потребность в определении местоположения автопогрузчиков, транспортирующих кон- тейнеры с грузом. При этом погрешность навигации в среднеквадратическом смысле должна быть сопоставима с габаритами стандартного контейнера (12х2,4х2,6) м. В данной статье рассматриваются принципы формирования и комплексирования эле- ментной базы системы, конструктивные черты и характеристики отдельных аппаратных со- ставляющих навигационного комплекса, предназначенного для определения местоположе- ния автопогрузчиков, транспортирующих контейнеры с грузом на территории морского пор- та и позволяющего обеспечить заданную точность решения навигационной задачи. Состав комплексной инерциально-спутниковой навигационной системы автопогрузчика В состав комплексной инерциально-спутниковой навигационной системы (рисунок 1) входят раздельно и непрерывно функционирующие автономная бесплатформенная инерци- альная навигационная система (БИНС), высокоточный приемник GPS, одометр, многока- нальное вычислительное устройство, реализованное на микропроцессорах. Элементную базу БИНС составляют микромеханические гироскопы и акселерометры. бесплатформенная инерциальная система Спутник Глонасс антенна Глонасс одометр Визуализация навигационных данных Навигационная система Рисунок 1. Автопогрузчик, оснащенный комплексированной навигационной системой В состав системы в целом входят следующие основные устройства: три датчика угловой скорости - вибрационных гироскопа Analog Devices ADXRS-300; два двухканальных датчика линейного ускорения - акселерометра Analog Devices ADXL- 210, Магнитометр; барометрический высотомер; аналого-цифровые преобразователи сигналов (АЦП); цифровой вычислитель на основе сигнального процессора Analog Devices ADSP-2188M и программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) семейства Altera Cyclone EP1C3. Структурная схема предлагаемой инерциальной системы приведена на рисунке 2. Пластина Боковая плата Гxb TГxb Mzb Azb TAzb B Базовая плата Axb Ayb Боковая плата TAxyb Мxb Мyb АЦП Гzb TГzb Гyb TГyb Плата вычислителя Processor Оперативная память Flash-память ПЛИС Г - гироскоп UART RS-232 RS-232 RS-232 RS-232 А - акселерометр М - магнитометр В - высотомер Т - термодатчик ПК - персональный компьютер ПК Glonass Рисунок 2. Структурная схема интегрированной инерциальной системы На базовой плате расположены схема ввода-вывода информации; датчик-гироскоп вер- тикальной оси; датчик-акселерометр продольной и поперечной осей; датчик-магнитометр продольной и поперечной осей; датчик температуры акселерометров продольной и попереч- ной осей; микросхемы АЦП сигналов датчиков. На боковых платах расположены датчики- гироскопы продольной и поперечной осей; датчик-акселеромеетр вертикальной оси; датчик- магнитометр вертикальной оси; датчик температуры акселерометра вертикальной оси. На плате вычислителя находятся микросхемы процессора, ПЛИС и вспомогательные микросхе- мы. На треугольной пластине установлен датчик высоты. Информация с датчиков в аналого- вом виде поступает в АЦП на базовой плате и после перевода в цифровой код передается в вычислитель. В вычислителе сигналы датчиков преобразуются с учетом их калибровочных параметров и параметров температурной коррекции, а затем в соответствии с любым вы- бранным и введенным в память вычислителя алгоритмом обрабатываются совместно с дан- ными спутниковой навигационной системы и других внешних источников информации, по- ступающих в вычислитель через схему ввода-вывода на базовой плате Принцип инерциальной навигации [1, 2] сводится к решению задачи счисления прой- денного пути при помощи двукратного интегрирования ускорения объекта, измеренного установленными на нем чувствительными элементами - акселерометрами. Обобщенную схему построения комплексированной системы поясняет рисунок. Категория точности применяемых чувствительных элементов накладывает существен- ные ограничения на выбор возможных способов интеграции инерциального и спутникового компонентов навигационной системы, а архитектура микропроцессора, на основе которого построен вычислитель системы, оказывает прямое влияние на структуру программного обес- печения. При решении задач навигации наземных транспортных средств в целях повышения точности определения скорости и координат в качестве дополнительного источника данных может применяться одометр - устройство, измеряющее путь, пройденный транспортным средством, или его приращение за некоторый интервал времени [2]. Принцип действия одо- метра заключается в измерении угла поворота колеса или вала трансмиссии транспортного средства и преобразования этого числа в величину пройденного пути. На сегодняшний день создан ряд автомобильных навигационных систем, включающих одометр наряду с инерци- альным измерительным блоком и приемником системы спутниковой навигации [3]. Тем не менее, большинство таких систем существует лишь в виде моделей. Внедрению этих систем в серийное и массовое производство препятствуют, как правило, малая точность определе- ния координат в условиях городской среды и высокая стоимость. Построение интегрированных навигационных систем на базе элементов, выполненных с использованием микромеханических элементов, в сочетании с синтезом специализрованно- го алгоритмического и программного обеспечения, позволит решить задачу обеспечения гру- зоперевозок специфическими транспортными средствами, к числу которых относится авто- погрузчик. Приведем технические и эксплуатационные характеристики элементов БИНС, а также поясним принципы и структуру построения вычислительного устройства предлагае- мой системы. Гироскопы ADXRS-300. Датчик угловой скорости ADXRS-300, разработанный и про- изводимый компанией Analog Devices, представляет собой вибрационный гироскоп, выпол- ненный по микромеханической технологии iMEMS [4]. Основной элемент гироскопа - за- крепленная на упругих растяжках рамка, внутри которой совершает поступательные колеба- тельные движения чувствительная масса. Колебания возбуждаются электростатическим спо- собом. 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 равно- мерно, рамка не колеблется. Если подложка вращается вокруг оси чувствительности, то под действием силы Кориолиса возникают вынужденные (вторичные) колебания рамки. Измене- ние емкости системы конденсаторов при этом несет информацию об угловой скорости при- бора. Конструктивно гироскоп ADXRS-300 представляет собой интегральную микросхему; он выполнен на одном кристалле кремния и включает в себя все необходимые электронные цепи формирования сигнала. Акселерометры ADXL-210. Двухканальный датчик линейного ускорения - акселеро- метр ADXL-210 производства компании Analog Devices - выполнен по микромеханической технологии iMEMS [4]. Весь кристалл акселерометра размером (3,05×3,05) мм занят главным образом схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный датчик ускоре- ния размером (1×1) мм, расположенный в его центре. Датчик представляет собой дифферен- циальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого выре- заны (вытравлены) из плоского куска поликремниевой пленки толщиной 2 мкм. Неподвиж- ные обкладки этого конденсатора представляют собой консольные стержни, расположенные на высоте 1мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу. В действительности датчик имеет 54 элементарных ячейки для измерения ускорения, но для простоты рисунок показывает только одну ячейку. Чувствительная масса датчика ускорения при изменении скорости движения кристалла смещается относительно остальной части кристалла. Ее пальцеобразные выступы образуют подвижную обкладку конденсатора переменной емкости. С каждого конца эта структура опирается на столбики-анкеры, анало- гичные по конструкции держателям неподвижных обкладок. Растяжки у краев чувствитель- ной массы служат ее подвесом, ограничивающим перемещение массы и обеспечивающим ее возврат в исходное положение. При наличии ускорения сила инерции уравновешивается си- лой упругости подвеса. У акселерометра ADXL-210 есть система автотестирования. Из 54 элементарных ячеек датчика всего 42 ячейки используются в схеме измерения ускорения. Оставшиеся 12 ячеек служат для автотестирования. Автотестирование реализуется подачей высокого логического уровня на соответствующий вывод микросхемы. Вариант ADXL-202E выпускается в миниа- тюрном безвыводном кристаллоносителе размером (5×5×2) мм. Для удобства сопряжения с микроконтроллерами выходные сигналы представляют со- бой импульсы прмоугольной формы постоянной частоты. Информация об ускорении отоб- ражается скважностью импульсов. Сигнальный микропроцессор ADSP-2188. Процессоры группы ADSP, которые раз- работала фирма Analog Devices, - это 16-разрядные процессоры цифровой обработки сигна- лов, необходимые для использования в системах связи, измерительных приборах, системах автоматизации промышленного производства, в военной и медицинской технике. Процессор ADSP-2188M [8] реализован на принципах расширенной гарвардской архитектуры и состоит из высокопроизводительного ядра и шины: памяти программы (Program Memory, PM), памя- ти данных (Data Memory, DM), прямого доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA). Все машинные команды выполняется в ядре за один цикл. Шины необходимы для передачи не- обходимого потока данных для поддержания требуемой производительности. Функциональная схема процессора, включает следующие составляющие: вычислитель- ное устройства - умножитель-аккумулятор, арифметико-логическое устройство, устройство сдвига; программный автомат и связанные с ним генераторы адреса данных DAGI и DAG2; запоминающее устройство; внешние порты, необходимые для обеспечения интерфейса с внешней памятью и периферийными устройствами; синхронные последовательные порты SPORT0 и SPORT1. На кристалле ADSP-2188M располагаются шины памяти программы, используя кото- рую можно получить доступ как к данным, так и к командам. Процессор может выполнять действия над двумя операндами используя эти шины (один операнд - из памяти программы, второй - из памяти данных) по команде, подготовленной программным автоматом. Шины процессора соединены с его внешним портом, который реализует интерфейс с устройствами ввода-вывода, отображаемыми в адресное пространство, внешней памятью и памятью начальной загрузки Элемент ADSP-2188M удовлетворяет основным требованиям, которые предъявляются к сигнальным процессорам - высокая скорость арифметических вычислений, организация постоянного потока данных в вычислительные устройства и из них; высокая точность устройств, производящих вычисления; наличие двух генераторов адреса и поддержка цикли- ческих буферов, эффективная работа программного автомата. Гибкая архитектура и полный набор команд процессора ADSP-2188M позволяют одно- временно выполнять несколько команд. Процессор состоит из трех вычислительных модулей: умножитель-аккумулятор, ариф- метико-логический модуль, устройство сдвига. Все вычислительные модули работают с 16- разрядными данными и имеют возможность обеспечения вычислений с высокой точностью. Арифметико-логический модуль поддерживает стандартный набор арифметических и логи- ческих операций. В умножителе за один цикл выполняются операции умножения, умноже- ния со сложением, умножения с вычитанием. Он имеет два 40-разрядных аккумулятора, поз- воляющих сохранить данные при переполнении результата. В модуле сдвига выполняются операции логического и арифметического сдвигов, нормировки и денормировки, а также операция определения порядка. Устройство сдвига способно обрабатывать различные число- вые форматы, включая многословные представления чисел. Два генератора адреса данных обеспечивают адресацию для одновременной выработки двух операндов (из памяти данных и памяти программы). Каждый генератор хранит и обнов- ляет четыре 16-разрядных адресных указателя. Любой из этих указателей может быть до или после выполнения команды модифицирован значением, хранящимся в одном из четырех ре- гистров модификации. Значения, хранящиеся в регистрах длины и базового адреса, могут быть связаны с произвольным указателем, что создает условия для выполнения автоматиче- ской адресации по модулю, необходимой для реализации циклического буфера. Процессор обрабатывает 16-разрядные данные в целом и дробном форматах, в допол- нительном коде и беззнаковые. Между внутренними вычислительными устройствами ядра процессор перемещает 40-разрядные данные повышенной точности, ограничивая тем самым ошибку округления промежуточных результатов. На кристалле процессора ADSP-2188M помещена оперативная память объемом 2 Мбит, которая включает 49150 24-разрядных слова памяти программы и 57344 16-разрядных слова памяти данных. Особенностью логической организации оперативной памяти является ее раз- деление на страницы (оверлеи). Все страницы проецируются в один и тот же фрагмент ад- ресного пространства памяти программы при памяти данных. Переключение страниц осуществляется записью номера страницы в специальные регистры процессора PMOVLAY и DMOVLAY . В вычислителе комплексированной инерциальной системы в качестве внешнего запо- минающего устройства используется микросхема твердотельной полупроводниковой энерго- зависимой перезаписываемой памяти (flash-памяти) Am29LV03С, которую разработала ком- пания AMD. Схема выполнена по технологии «комплементарный металл - оксид - полупро- водник» (КМОП), имеет емкость 32 Мбит и разделена на 64 сектора по 512 кбит. Два последовательных порта процессора обеспечивают синхронный полнодуплексный последовательный интерфейс. Интерфейс поддерживает большое количество режимов прие- ма и передачи данных с синхронизацией и без нее. Приемники спутниковой системы GPS Crescent A-100 и Smart-VI. В состав инте- грированной навигационной системы входит высокоточный приемник системы GPS Crescent A-100 разработанный компанией Hemisphere GPS, либо Smart-VI производства компании NovAtel. Одометр. Для определния приращения пути, пройденного транспортным средством, применяется одометр - устройство, для которого измеряемой величиной служит угол поворота колеса или вала трансмиссии. Основой цифрового одометра, входящего в состав интегрированной навигационной системы, служит оптический кодовый датчик положения, содержащий ротор - прозрачный диск с нанесенными на нем в радиальном направлении непрозрачными полосами (или непрозрачный диск с радиальными прорезями), а также пару из излучателя и фотоприемника, размещенных по противоположные сиороны от ротора. Электронная схема, смоделированная на основе ПЛИС в составе вычислителя инерци- альной системы, и специальный алгоритм обработки выходного сигнала ПЛИС позволяют получить длительность интервала времени, отделяющего фронты двух подряд идущих им- пульсов кодового датчика одометра. Величина, обратная этой длительности, служит мерой частоты вращения колес и, следовательно, скорости транспортного средства. При вращении ротора последовательности импульсов напряжения на выходах двух фо- топриемников будут идентичными, но смещенными во времени одна относительно другой на величину знак которой несет информацию о направлении вращения . Эксперимент Приводятся результаты наземных испытания комплексированной навигационной си- стемы, установленной на автомобиле Renault Scenic 2. Навигационная система испытывалась на территории России в период со 2-го по 21-е марта 2013 года. Используемое оборудование Оборудование для испытаний состояло из следующих компонентов: комплексирован- ная навигационная система с приемником Navis-08 GNNS (GLONAS + NAVSTAR), встрое- ная в корпус навигационной системы, навигационная система «БИНС-Тек», построенная на базе волоконнооптических гироскопов, которая использовалась в качестве опорной системы, автомобильный диагностический адаптер Bluetooth OBD EML 327, подключенный к диагно- стическому порту автомобиля таким образом, что все навигационное решение рассчитыва- лось в вычислителе комплексированной навигационной системы в режиме реального време- ни, а также ноутбук с программным обеспечением для приема скорости от Bluetooth OBD EML 327 и передачей в дополнительный порт навигационной системы, оснащенный про- граммным обеспечением для приема, отображения и сохранения данных с навигационной системы. Комплексированная навигационная система была установлена в салоне автомобиля вблизи от его центра масс. Автомобильный диагностический адаптер был подключен в диа- гностический порт автомобиля. Антенна приемника Navis-08, установленного в навигацион- ную систему была размещена в верхней части атомобиля, непосредственно под панорамным люком. Навигационная система «БИНС-Тек» работала в режиме коррекции своих показания от информации встроенного GNSS приемника Navis-08. Для получения текущей скорости автомобиля компанией было разработано специаль- ное программное обеспечение, способное отсылать специально сформированный пакет дан- ных в диагностический адаптер Bluetooth OBD EML 327 и получать в ответ пакет данных с текущим значением скорости автомобиля. На текущий момент программным обеспечением микроконтроллера поддерживаются все основные стандарты взаимодействия: ISO 15765-4, SAE J1939, ISO 9141-2, ISO 14230-4, SAE J1850 PWM/VPW. После получения информации о скорости, программное обеспечение отправляло дан- ное значение в дополнительный порт RS-232 комплексированной навигационной системы. Частота поступления данных о скорости автомобиля в условиях проводимого эксперимента составляла порядка 10 Гц. Для отображения навигационных данных с комплексированной навигационной систе- мы использовалось бесплатное программное обеспечение CNDataViewer. Программное обеспечение CNDataViewer отображает основные параметры навигационной системы, а так- же позволяет производить запись всех поступающих от навигационной системы данных в бинарный файл для последующего анализа. Условия проведения экспериментов Для проверки точности комплексированной навигационной системы в общей сложно- сти было выполнено 3 заезда - первый заезд из г. Балашиха в д. Полтево (Раменский район) и обратно в г. Балашиха (общая длина пройденного пути составила 47500 м), Второй заезд из г. Балашиха в д. Хрипань (Раменский район). и обратно в г. Балашиха (общая длина прой- денного пути составила 71500 м), третий заезд из г. Балашиха в д. Пласкинино (Раменский район) и обратно в г. Балашиха (общая длина пройденного пути составила 121800 м). Ско- рость движения в каждом из заездов не превышала 110 км/час. Результаты экспериментов Статистическая обработка результатов испытаний комплексированной навигационной системы (таблица 1), позволяют сделать вывод о том, что достигнутые точностные показате- ли следует признать высокими для данного класса приборов. Ошибки координат навигаци- онной системы возникают в условиях длительного отсутствия сигнала СНС. Таблица 1 № Время движения без коррекции, с Ошибка по координатам, м Пройденный путь, м Ошибка прой- денного пути, % 1 682 (11 минут 22 секунды) 400 12930 3,09 2 658 (10 минут 58 секунд) 500 12250 4,08 3 674 (11 минут 14 секунд) 280 9470 2,95 4 740 (12 минут 20 секунд) 390 6200 6,29 5 693 (11 минут 33 секунды) 100 9950 1,00 Мат. ожидание 3,48 Заключение В статье представлены результаты разработки недорогой навигационной системы, спо- собной определять местоположение определенного класса транспортных средств с заданной точностью; предложена аппаратная реализация системы, способной реализовать разработан- ный навигационный алгоритм. Испытания интегрированной навигационной системы проде- монстрировали ее высокие точностные характеристики, подтвердив тем самым справедли- вость заложенных в ее основу концепций. Дальнейшее совершенствование системы может вестись по следующим направлени- ям:переход к использованию более точных датчиков угловой скорости с разработкой вариан- та системы усеченного состава (гироскоп вертикальной оси, приемник системы Глонасс, одометр, вычислитель);поиск более надежных алгоритмических критериев качества спутни- кового навигационного решения, на основе которых осуществляется коррекция показаний системы;освоение технологий крупносерийного и мелкосерийного производства. Решение этих задач позволит создать интегрированную наземную навигационную си- стему, отвечающую требованиям широкого круга потенциальных заказчиков и обладающую значительными конкурентными преимуществами в сегменте рынка навигационной техники для специальных транспортных средств.

About the authors

P. V Novikov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

V. V Novikov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: NovikoF_08@mail.ru
Ph.D.

A. A Sheypak

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr.Eng., Prof.

References

Supplementary files