ПРИМЕНЕНИЕ СКВОЗНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РЫНКА АЭРОНЕТ
ИНЕРЦИАЛЬНАЯ СИСТЕМА БПЛА
ЕКАТЕРИНА КОВЫЛОВА
РАЗРАБОТЧИК АВТОПИЛОТА, ПРОГРАММИСТ
ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА
Одним из ключевых компонетов беспилотного летательного аппарата является навигационная система, определяющая положение аппарата в пространстве. Методы навигации, использующие внешние ориентиры или сигналы, так называемые неавтономные, достаточно просты, но их работа зависит от внешних условий, например, качества радиосвязи. Таким образом, необходимы более надежные автономные методы. Таким методом является инерциальный метод навигации, основанный на свойствах инерции тел. Инерциальная навигационная система (ИНС) включает в себя аппаратную и программную части.
аппаратная часть
В аппаратную часть входят:
акселерометры
Датчики линейных ускорений
гироскопы
Датчики угловых скоростей
магнитометры
Датчики магнитного поля
В отдельных случаях, когда есть иной источник информации о курсе или когда время полета невелико, система может эксплуатироваться без магнитометра.
программная часть
Программная часть представлена в виде:
Драйвера датчиков
Модуля определения положения
Существует большое количество факторов, оказывающих негативное влияние на точность определения положения. Первый из рассматриваемых факторов касается программной составляющей и заключается в способе представления поворотов. К аппаратной части относится, в первую очередь, проблема вибраций. Кроме этого, влияние также оказывают смещения показаний акселерометров и гироскопов от температуры, смещения из-за старения датчиков, точность установки ИНС в корпусе летательного аппарата.
СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ поворотов
Существует несколько различных способов представления углов, используемых при разработке автопилотов:
Углы Эйлера
Кватернионы
Матрицы поворота
Произвольный поворот тела в пространстве может быть задан последовательностью поворотов вокруг трех взаимно ортогональных осей. Три угла, определяющие последовательные повороты связанной с телом системы координат относительно исходной системы, называются углами Эйлера.
Другой подход заключается в том, что любое изменение положения тела в пространстве может быть описано как вращение вокруг произвольной фиксированной оси. Для описания такого вращения достаточно четырех параметров — трехмерного вектора, задающего ось поворота, и угла поворота относительно этой оси. С целью удобного использования такого описания были введены кватернионы.
Они представляют собой систему гиперкомплексных чисел с четырьмя параметрами. Вследствие накопления ошибок в процессе интегрирования поворотов возникает необходимость в процедуре ренормализации.
Матрица поворота (или матрица направляющих косинусов) представляет собой матрицу размера 3×3, элементы которой равны косинусам углов между осями исходной и связанной с телом системы. При работе с матрицами поворота также требуется ренормализация, причем в данном случае процедура производится сложнее, чем для кватернионов.
Для проведения сравнения можно выделить следующие характеристики:
Объем занимаемой памяти
Количество вычислительных операций
Простота понимания
Объем памяти важен при передаче информации между устройствами и при хранении большого количества значений. Для единичных значений, описывающих текущее состояние, объемом можно пренебречь. Наиболее компактны углы Эйлера, несколько объемнее — кватернионы, наибольший объем памяти требуется для хранения матриц поворота.
Под количеством вычислительных операций понимается количество операций, необходимых для выполнения полезных вычислений, например, для поворота вектора на заданный угол. Для матриц поворота требуется наименьшее количество операций, далее идут кватернионы, на последнем месте — углы Эйлера.
преимущества и недостатки
Углы Эйлера
Задаются с помощью 3 значений. Просты в понимании.
Углы Эйлера
Существует проблема «складывания рамок». Повороты некоммутативны, важен порядок применения поворотов. Наибольшее количество операций.
Кватернионы
Задаются с помощью 4 значений (3 для единичных кватернионов). Лишены проблемы «складывания рамок». Легко реализовать плавную интерполяцию. Удобны в задачах планирования маршрута.
Кватернионы
Наибольшая сложность в понимании. Требуется ренормализация.
Матрицы поворота
Лишены проблемы «складывания рамок». Минимум операций при выполнении полезных вычислений.
Матрицы поворота
Наибольший расход памяти: 9 значений. Требуется ренормализация.
В различных подсистемах беспилотного летательного аппарата одновременно могут использоваться разные форматы представления поворотов. Например, при расчетах в модуле определения положения (английская аббревиатура — AHRS, Attitude and Heading Reference System) необходимо использовать представления, не подверженные складыванию рамок, при этом наиболее удобное из них — это матрица поворота, поскольку она не требует дополнительных пересчетов при комплексировании данных от акселерометров и гироскопов. В подсистеме планирования маршрута удобнее использовать кватернионы, а в подсистеме логирования данных и интерфейсе оператора предпочтительнее использовать углы Эйлера из-за компактности и удобства их восприятия пользователем.
Таким образом, нельзя выделить какое-то одно представление поворотов, которое будет удобно использовать во всех случаях, поскольку каждое из них обладает своими достоинствами и недостатками. Необходимо выбирать представление в зависимости от решаемой задачи.
вибрации
Вибрации — это неотъемлемый атрибут всех беспилотных летательных аппаратов, содержащих силовые установки. Вибрации в зависимости от своей частоты и амплитуды могут оказывать негативные эффекты на системы управления летательных аппаратов и на полезную нагрузку. Одновременно на летательных аппаратах может быть несколько источников вибраций разной частоты.
спектрограмма
Здесь показана спектрограмма для данных с акселерометра, записанных при включенном двигателе. Вибрации разных частот хорошо заметны в виде ярких оранжевых линий. Уровень вибраций может увеличиваться в процессе эксплуатации, например, вследствие появления механических повреждений лопастей или обледенения из-за выполнения полетов при температуре, близкой к нулю.

акселерометр
Основным компонентом системы управления, подверженным влиянию вибраций, является акселерометр. Можно выделить два типа воздействия на сигнал от акселерометра — насыщение и алиасинг:
насыщение
Насыщение возникает из-за высокой амплитуды сигнала, превышающей диапазон измерений датчика, и приводит к смещению усредненного уровня сигнала. Результатом этого является некорректное определение положения в пространстве.
алиасинг
Алиасинг же возникает из-за недостаточной частоты дискретизации и приводит к наложению сигналов кратной частоты. На приведенном фрагменте лога ускорения хорошо заметен эффект наложения, фрагмент относится к моменту изменения оборотов двигателя. Подобная ситуация также приводит к некорректному определению положения летательного аппарата в пространстве и может закончиться падением.

Алиасинг — это наложение сигналов кратной частоты, возникающее из-за недостаточной частоты дискретизации. На рисунке изображены сигналы кратной частоты, которые при оцифровке могут оказаться неотличимы друг от друга.
На полезной нагрузке летательных аппаратов, например, на видеокамерах или фотоаппаратах, влияние вибраций может проявляться в виде смазанных изображений. При обработке результатов аэрофотосъемки такие изображения необходимо отбрасывать из-за низкой детализации. При значительном количестве смазанных изображений может потребоваться выполнить повторный полет, что приведет к дополнительным временным и денежным затратам. Для борьбы с вибрациями применяются различные методы.
методы борьбы с вибрациями
Для борьбы с вибрациями применяются следующие методы:
Программная фильтрация оцифрованных данных
Наиболее распространенным способом программной фильтрации данных от датчиков является фильтр нижних частот. С помощью такого фильтра можно подавить вибрации, частота которых не превышает половину частоты дискретизации датчика. Фильтрация используется совместно с другими методами.
Повышение частоты дискретизации
Повышение частоты дискретизации применяется при возникновении алиасинга, но диапазон частот вибраций ограничен половиной максимальной частоты дискретизации датчика, а также производительностью вычислительной системы.
Демпфирование источников вибраций
Демпфирование позволяет эффективно бороться как с эффектом насыщения, так и с алиасингом за счет уменьшения амплитуды колебаний. При этом необходимо правильно подобрать материал демпфера под требуемый диапазон частот.
Демпфирование компонентов, подверженных вибрациям
Зачастую в борьбе с вибрациями одновременно используются сразу несколько методов. Проблемы, вызываемые вибрациями, оказывают значительное влияние на процесс проектирования летательных аппаратов и затрагивают как аппаратную, так и программную составляющие. Борьба с вибрациями является важной составляющей процесса разработки летательных аппаратов.
материалы
Quaternions for Computer Graphics
2011, Vince John
An Introduction to Orientation Kinematics
Complementary, Kalman, and Mahony Filter
#новыепроизводственныетехнологии #большиеданные #беспроводнаясвязьиинтернетвещей #трансфертехнологий #проектированиеимоделированиедеятельности #созданиеплатформсетейэкосистем #сборииспользованиеданныхвуправлении #системыраспределенногореестра #ресурсныесостояния
Больше лонгридов и заданий доступны при записи на курс