IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

В настоящее время одним из перспективных направлений развития современной техники является создание информационных средств, входящих в состав автоматизированных систем контроля, разведки и управления. Указанные системы также включают в себя системы сбора, обработки и анализа данных.

Одним из основных вопросов при разработке бортовых систем управления (БСУ) подвижными объектами с малым временем непрерывной работы является обеспечение системы управления точной и достоверной навигационной информацией о местоположении и параметрах движения летательного аппарата (ЛА). Указанная задача решается применением в составе БСУ информационно-измерительных систем (ИИС) и навигационных комплексов. Наиболее перспективные ИИС строятся на базе бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), обеспечивающих решение задач навигации объектов, движущихся по поверхности Земли и в околоземном пространстве в широких диапазонах линейных и угловых скоростей.

В БИНС источники первичной информации (датчики угловых скоростей (ДУС), акселерометры) непосредственно связанны с корпусом объекта, навигационные параметры которого необходимо определять. Показания этих источников передаются в навигационный вычислитель, который выдает данные о местоположении, скорости и угловой ориентации объекта.

Такие достоинства БИНС, как автономность, помехоустойчивость, непрерывность информации (высокая скорость получения навигационных данных) и малое время готовности позволяют существенно повысить технические характеристики навигационных систем ЛА.

Функционально БИНС представляет собой блок чувствительных элементов (БЧЭ), состоящий из трех акселерометров и трех ДУСов, и навигационного вычислителя [1].

Одним из вариантов проектирования БИНС может стать использование миниатюрных чувствительных элементов входящих в состав БЧЭ, что позволяет получить недорогие и компактные системы с малой точностью достаточной для решения ряда задач.

Цель данной работы заключается в следующем: разработать программное обеспечение, которое позволяло бы формировать команды органам управления ЛА на основе данных, поступающих от блока датчиков первичной информации.

В состав рассматриваемой системы входят (см. рис. 1):

• модель ЛА;
• персональный компьютер ПК;
• блок датчиков первичной информации IMU и приёмник XBee;
• микроконтроллер МК, пульт управления и приёмник радиосигнала.

В системе присутствуют приёмник XBee и МК. Задачей первого является  организация информационного взаимодействия с блоком датчиков первичной информации (IMU). Задача МК заключается в организации интерфейса, позволяющего производить удаленное программное управление ЛА при помощи стандартного пульта управления  и приемника радиосигнала.

Требовалось разработать программное обеспечение, которое позволяло бы формировать команды органам управления ЛА на основе данных, поступающих от блока датчиков первичной информации.

Т.е. необходимо составить две программы:

• первая программа должна обладать графическим интерфейсом пользователя; в её задачи входит обработка данных, поступаемых с БЧЭ, и формирование команд органам управления ЛА; эта программа должна функционировать на ПК;
• вторая программа выполняется в МК; её основной задачей является формирование режимов работы органов управления ЛА.

Одной из задач МК является прием информации от ПК по интерфейсу RS-232C. Эта задача была решена с использованием механизма прерываний.

Второй задачей МК является формирование диаграммы информационного обмена с приемником (см. рис. 2):

Как видно из рисунка, на передачу всего пакета данных выделяется 20 мс. Данные передаются по каналам, которые отделяются друг от друга фиксированными непродолжительными паузами. После передачи пакета данных система переходит в режим синхропаузы [2].

Для точного определения пространственной ориентации ЛА была произведена калибровка датчиков первичной информации (ДУСов и акселерометров).

Программа для ПК реализует приём данных с БЧЭ по интерфейсу ZigBee. Эти данные представляют собой показания ДУСов и акселерометров. Зная их, можно определить ориентацию ЛА в пространстве, т.е. найти углы курса, крена, тангажа (см. рис. 3).

 -  тангаж, курс, крен.

Матрицы, определяющие правые вращения относительно положительных направлений указанных выше осей, имеют следующий вид

Матрица произвольного поворота в трёхмерном пространстве  может быть получена в соответствии с формулой 2

Для определения необходимых углов, требуется, в первую очередь, найти решение уравнения Пуассона в кватернионной форме                          

Затем, согласно соотношениям 4, определяются элементы матрицы направляющих косинусов

Зная их, не составляет труда, воспользовавшись формулами 5, получить необходимые углы

По показаниям акселерометров можно определить крен и тангаж ЛА, исходя из следующих соотношений [3]

Приложение для ПК (см. рис. 4) позволяет принимать данные с блока датчиков первичной информации по интерфейсу ZigBee. Кроме того, имеется возможность формировать команды органам управления ЛА, которые программа передаёт МК по интерфейсу RS-232C. Также проект содержит математическую 3D-модель ЛА, разработанную по технологии OpenGL.

Хотелось бы отметить перспективы дальнейших исследований, которые могут заключаться в следующем:

• реализация закона управления моделью летательного аппарата;
• доработка программных и аппаратных средств с целью организации двустороннего обмена с пультом дистанционного управления;
• проработка возможности построения системы дистанционного управления на основе радиоканала, функционирующего по стандарту ZigBee.

Список литературы

1. Савинов Г.Ф. Основы проектирования алгоритмов инерциальных навигационных систем. - МАИ, 1987.
2. Т. Ремизевич, Д. Столпник. Микроконтроллеры семейства DSP56F800 и DSP56F800E фирмы Freescale. - Электронные компоненты, № 4, 2003 г., с.41-46.
3. Лебедев Р.К. Стабилизация летательного аппарата бесплатформенной инерциальной системой. -Машиностроение, 1977.

Код для цитирования: Скопировать