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.