Фильтр по тематике

Летать? Легко! Датчики KTP для беспилотников

Эта статья об инерциальных датчиках КТР адресована не только энтузиастам полётов и разработчикам систем управления БПЛА. Но и тем, чья задача – создавать и модернизировать блоки контроля и управления перемещением безэкипажных морских и речных судов, автономных сухопутных транспортных средств – колёсных, гусеничных, шагающих, а также обеспечивать стабилизацию полезной нагрузки. Обзор характеристик МЭМС датчиков движения и готовых модулей на их основе призван облегчить выбор и сократить путь до внедрения в изделия.

20.06.2023 3472 0
Летать? Легко! Датчики KTP для беспилотников

Беспилотная техника стала привычным явлением современной жизни. В наше время отпадает необходимость в визуальной инспекции и контрольной фотосъемке трассы магистральной газовой трубы с борта самолёта или вертолёта. Обзорную панораму городских новостроек или рекламное фото курортного побережья с высоты птичьего полёта можно сделать, не вставая со скамейки. Даже для доставки посылки в труднодоступную местность по воздуху больше не нужен волшебник в голубом вертолёте. Всё это дешевле, безопаснее и экологичнее делают теперь машины, которые мы привычно называем «беспилотники».

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА), беспилотные воздушные суда (БВС), дроны, коптеры – всё, что может быть объединено англоязычной аббревиатурой UAV – unmanned aerial vehicle – уже не вызывают у нас того благоговейного восхищения, которое сопровождало первые паровозы 200 лет назад. БПЛА стал привычным инструментом, который отправляется в автономный полёт по назначенной траектории или удалённо управляется оператором на избранных участках маршрута.

Для наглядности рассмотрим именно воздушные суда. Они в наибольшей степени находятся «на виду» и наиболее массовы в отличие, например, от подводных беспилотников, которые также перемещаются в трёх пространственных измерениях. Безэкипажные надводные суда (USV), беспилотные наземные колёсные, гусеничные, шагающие и прочие аппараты (UGV) порой незаменимы в своих областях применения, и к ним в равной степени можно приложить большинство технических решений с БПЛА.

Основой функционирования беспилотной техники и источником информации для неё служат датчики: скорости, ускорения, наклона/поворота, давления, магнитного поля, электромагнитного излучения, включая УФ-видимый и ИК-спектры, электрической ёмкости, химического состава окружающей среды, наличия пыли, уровня влажности, акустические и другие, более специфические.

Для выполнения поставленных задач беспилотник, в первую очередь, как и человек, которого он заменяет, должен надёжно ориентироваться в пространстве: различать положения «влево-вправо», «вперёд-назад», «вверх-вниз», а также определять направление движения – курс и скорость.  

Этой цели – навигации – как раз и служат инерциальные датчики, дополняемые электронными компасами и сигналами глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Вторая задача, выполняемая инерциальными датчиками на борту беспилотного средства, – это управление полезной нагрузкой: манипуляторами, камерами, другими исполнительными устройствами.

Инерциальные датчики

Базовые инерциальные датчики – это акселерометры и гироскопы. Путём их комплексирования создаются средства измерения параметров движения с расширенной функциональностью.

Акселерометр

Служит для измерения линейной скорости и ускорения. Современные МЭМС-акселерометры представляют собой ИМС с заключённым внутри чувствительным элементом. Вместе со схемами нормирования сигнала и формирования одного из интерфейсов промышленного стандарта МЭМС-акселерометры могут помещаться в прочный корпус со встроенным электрическим соединителем, стойкий к внешним воздействиям.

Гироскоп

Предназначен для измерения угла наклона/поворота, а с системой обработки сигнала – для измерения углового ускорения и угловой скорости. Отсюда происходит и отечественный термин «датчик угловой скорости» – ДУС. Конструктивное разнообразие современных гироскопов велико – волоконно-оптические (ВОГ), кольцевые лазерные (КЛГ), твердотельные волновые (ТВГ). Мы рассмотрим наиболее бюджетный, выполненный по технологии МЭМС. Как и чувствительный элемент МЭМС-акселерометра, кристалл МЭМС-гироскопа помещается в один из стандартных корпусов ИМС, а тот, при необходимости, вместе с сопутствующими схемами предварительной обработки закрывается внешней оболочкой с разъёмом или кабельным жгутом.

Инерциальный измерительный модуль

Когда ставится задача одновременного измерения поступательного или вращательного движения в двух-трёх плоскостях, становится технически и экономически целесообразно объединять в один кластер от 2 до 6 чувствительных элементов акселерометров и гироскопов. Такой инерциальный измерительный модуль может иметь вид интегральной микросхемы для монтажа на печатную плату или выглядеть как функционально законченное изделие в ударостойком пластиковом или металлическом корпусе с отверстиями, пазами для крепления и встроенным электрическим соединителем для сигнальных и силовых цепей.

Инерциальная навигационная система (ИНС)

Как следует из названия, ИНС призвана решать навигационные задачи. В дополнение к 6 осям инерциальных датчиков (акселерометров и гироскопов) ИНС содержат до 3 осей магнитометров – электронных компасов для надёжного определения курса. Модуль ИНС также может иметь встроенный барометрический датчик для определения собственной высоты над уровнем моря и расширенный набор интерфейсов для приёма информации от внешних устройств, таких как датчик воздушной скорости или одометр. Наилучшее качество навигационного решения достигается при комбинировании информации от перечисленных выше датчиков с данными от ГНСС. 

Инерциально-спутниковая навигационная система (ИНС+ГНСС) 

Может конструктивно состоять из двух отдельных устройств – модуля ИНС и модуля приёмника ГНСС с 1 или 2 разнесёнными антеннами, либо приёмник ГНСС может встраиваться в модуль ИНС. В этом случае на модуле ИНС+ГНСС, кроме интерфейса обмена данными и разъёма для подключения источника питания, предусмотрено и гнездо для антенного кабеля. Благодаря такому комплексированию данных от различных источников и внесению взаимных поправок достигается точность позиционирования ±10 см. Ещё более высокая точность реализуется при взаимодействии модуля ИНС+ГНСС по радиомодему с наземной сетью трансляции навигационных данных.

Время ставит задачи – больше беспилотников

В рамках российской Национальной технологической инициативы через утверждённые Инфраструктурные центры реализуются программы «Автонет» и «Аэронет», которые, среди прочих задач, интегрируют беспилотные технологии в экономику страны. Воздушные беспилотные системы ожидаемо демонстрируют более интенсивный рост как по объёму выпуска на территории РФ, так и по спектру решаемых задач. Очевидно, что высокий спрос на БПЛА – это тренд ближайшего времени. Такой взрывной рост потребности вскрыл неизбежную проблему. Отечественная МЭМС-индустрия сейчас, к сожалению, не успевает за потребностями рынка и не в состоянии быстро обеспечить заказчиков датчиками и системами на их основе в требуемые сроки по объёму и номенклатуре. 

Тому есть объективные причины, рассмотрение которых не является предметом настоящей публикации.  Но у нашей страны есть исторический опыт решения задачи «Догнать и перегнать!». Показательна, например, история создания Горьковского автозавода в начале 1930-х гг. Стране в период ускоренной индустриализации и освоения новых регионов требовался массовый, простой и дешёвый в эксплуатации грузовик, а также автобус и шасси для спецтехники. Купленный за рубежом завод позволил быстро освоить то лучшее и эффективное, что есть у других, усовершенствовать и умножить, подготовить страну к новым испытаниям и вызовам времени.  Логичным выглядит использовать положительный опыт предшественников: приобрести за рубежом те компоненты и решения, которые позволят в краткосрочной перспективе закрыть дефицит, дать собственной полупроводниковой и электронной промышленности передышку для освоения собственных компонентов требуемого качества в необходимом количестве и обеспечить в итоге технологическую безопасность страны. Наиболее реалистичным представляется сценарий заимствования у производителей КНР, чей уровень техники, её качество уже подтверждены многолетней историей применения в РФ. 

Новое имя, привычная надёжность

Одним из таких брендов МЭМС инерциальных датчиков является KTP. Дружественное отношение к потребителям, поддержка ОКР на самых ранних этапах инженерными образцами, адаптация характеристик продукции к специфическим условиям применения, техническая поддержка, высокий уровень качества – все эти факторы способствуют широкому внедрению продукции KTP в изделия российских производителей.

Рассмотрим подробнее доступную в РФ номенклатуру компонентов КТР и технические характеристики.

Акселерометры

ИМС акселерометров A106, A309, A310, A311 в металлокерамическом корпусе LCC20 содержат один или три чувствительных элемента (рис. 1).

Диапазон измеряемых ускорений: от ±5g до ±200g для разных моделей. Интерфейс – аналоговый однополярный (напряжение) или SPI. Модели отличаются также полосой пропускания, что позволяет использовать акселерометры не только в навигационных задачах, но и в виброизмерительных системах (табл. 1).

Гироскопы

Линейка ДУС представлена однокомпонентной моделью H111-300 с высокими показателями точности и стабильности и группой трёхкомпонентных моделей H301, H302, H303 в компактных стальных или алюминиевых корпусах (рис. 2).

У потребителя есть возможность выбора по критерию цена/габарит/характеристики. Стандартные модели регистрируют угловые скорости в диапазонах ±300°/с или ±450°/с. По заказу диапазон измерений может быть расширен до ±3600°/с. Интерфейс: SPI или RS-422. Показатели точности, стабильности, значение полосы пропускания и прочие приведены в табл. 2.

Инерциальные измерительные модули

Конструктивно корпуса и параметры гироскопов в модулях M301, M302, M303, M304, M305 соответствуют «базовым моделям» из линейки 3-осевых гироскопов (рис. 3).

Грамотная ценовая политика производителя позволяет потребителю не переплачивать за избыточные эксплуатационные характеристики и получить идеально настроенный под задачу стандартный модуль. Если этого недостаточно, то существует возможность приобрести модуль M302 в заказном исполнении – с диапазоном измерений по каналам акселерометров до ±150g и по каналам гироскопов – до ±4000°/с. Большинство модулей поставляется в комплекте с крепежными винтами и кабельной сборкой, это существенно облегчает работу снабженцам (рис. 4).

Кроме того, производитель комплектует некоторые модели разборными полимерными виброопорами-втулками. Примеры монтажа модулей с такими основаниями приведены на рис. 5. 

В линейке модулей только одна модель – M305 – имеет интерфейс UART (TTL), остальные оснащены RS-422 со скоростью обмена 115 200 или 921 600 бод. На выходе устройств – «сырые данные» – отсчёты с АЦП от каждого из датчиков. Для первичного знакомства с оборудованием KTP, пробной записи данных предоставляется бесплатное демонстрационное программное обеспечение. Получаемые данные также отображаются графически в режиме реального времени. Среди них – крен, тангаж, рыскание, измеренные значения линейных ускорений по трём осям (рис. 6).

Характеристики модулей приведены в табл. 3.  

ИНС и ИНС+ГНСС

Этот класс приборов в настоящий момент представлен тремя моделями. Модуль ИНС M701 выдаёт навигационное решение с учётом данных, поступающих от внешнего приёмника спутниковой навигации. Модули M702 и M703 являются полноценными ИНС+ГНСС устройствами со встроенными мультисистемными приёмниками сигналов Beidou/GPS/ГЛОНАСС. У M703 этот приёмник многочастотный, рассчитанный на работу с двумя антеннами. Дополнительно M703 способен через внешний радиомодем принимать сигналы поправок для режима RTK, а также, в дополнение к RS-422, оснащён интерфейсом CAN, что существенно расширяет область его применения (рис. 7).

Эксплуатационные характеристики модулей приведены в табл. 4.  

Очевидно, что продукция КТР создана не только для беспилотной техники, она востребована везде, где требуется точно контролировать параметры движения и управлять положением объекта, в таких отраслях, как:

  • промышленная автоматика и робототехника, станки с ЧПУ;
  • геофизические работы, управление бурением и диагностика скважин и трубопроводов;
  • контроль вибраций и подвижек плотин, мостов, высотных зданий и сооружений;
  • системы диагностики транспортной инфраструктуры и подвижного состава железных дорог;
  • системы помощи при вождении автотранспорта;
  • трекинг дорогостоящего оборудования, грузового и пассажирского транспорта, контейнеров;
  • стабилизация антенн, камер, прочей полезной нагрузки;
  • управление техникой на строительной площадке, в карьерах, подземных горных выработках и т.п.
Этот список может быть продолжен, но мы оставим рассказ о реализованных проектах для следующих публикаций.

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!

20.06.2023 3472 0
Комментарии
Рекомендуем
Модель потенциального рассеяния в задаче диагностики слоистых диэлектриков

Модель потенциального рассеяния в задаче диагностики слоистых диэлектриков

Для решения ряда практических задач, связанных с идентификацией дефектов и повреждений в материалах, установлением состояния конструкций, выявлением неоднородностей в оптически непроницаемых средах и визуализацией их структуры, необходимо обрабатывать информацию, полученную дистанционно, что предусматривает оценку материальных параметров объектов исследования и установление их пространственного распределения. В отличие от математической теории обратных задач рассеяния, которая направлена главным образом на доказательство теорем о существовании и единственности решения, важное прикладное значение имеет разработка вычислительных процедур, которые позволят найти параметры рассеивателей при реальных условиях проведения измерений. Целью статьи является повышение эффективности средств оценивания параметров неоднородных сред по известному распределению рассеянного электромагнитного поля путём решения обратных задач рассеяния. Рассмотрен метод решения обратной задачи рассеяния по коэффициенту отражения для многослойных структур без потерь, высокая точность которого достигается за счёт конечного количества коэффициентов решений Йоста, что позволило избежать вычислений коэффициентов безграничных тригонометрических последовательностей в элементах матрицы рассеяния. Полученные результаты позволили осуществить оценку количества слоёв диэлектрической структуры, установить диэлектрическую проницаемость и ширину каждого слоя по значениям комплексного коэффициента отражения, который известен по результатам измерений на дискретном множестве частот в ограниченном диапазоне. Это дало возможность анализировать диэлектрические материалы неразрушающим методом и идентифицировать расслоение и отклонения параметров слоёв от технологически заданных значений. Разработан метод определения распределения диэлектрической проницаемости вдоль поперечной координаты в диэлектрических плоскослоистых структурах, и развитые алгоритмы идентификации поверхностей раздела по коэффициенту отражения нормально падающей плоской волны использованы как процедуры обработки сигналов в средствах подповерхностной радиолокации, что позволило избежать ложного обнаружения неоднородностей при анализе структуры сред.
04.07.2025 146 0

ООО «ИнСАТ» ИНН 7734682230 erid = 2SDnjd5pUmj
ООО «ИнСАТ» ИНН 7734682230 erid = 2SDnjbxbMrV
  Подписывайтесь на наш канал в Telegram и читайте новости раньше всех! Подписаться