Датчики ориентации в пространстве

Аннотация

 

Задача  определения ориентации тела заключается  в нахождении кватерниона или  матрицы перехода из некоторой неподвижной  системы координат в систему  координат, жестко связанную с телом. Отметим, что эта задача является подзадачей нахождения вектора фазового состояния тела, знание которого необходимо знать, к примеру, при управлении ориентацией спутника.

Существует  несколько способов определения  ориентации с помощью различных  измерительных средств. В настоящей  работе, проведём обзор способов определения  ориентации тела; погрешности, достоинства  и недостатки различных типов  датчиков ориентации.

Курсовая  работа выполнена на листах формата А4, в количестве 47 стр. Содержит 15 рисунков и 3 таблицы.

 

Содержание

Введение 5

1. Классификация датчиков, принцип действия 6

1.1 Позиционные датчики. 6

1.1.1. Звёздная камера (звездный датчик) 6

1.1.2. Солнечный датчик 7

1.1.3. Магнитометр 8

1.2 Датчики угловой скорости 9

1.2.1 Гироскоп 9

1.2.2 Акселерометр 23

2. Уравнение преобразования. 24

3. Назначение, основные характеристики, погрешности, достоинства и недостатки датчиков. Сравнение датчиков различных типов 26

Рис.3.1. Расположение базовых осей чувствительности МЭМС-гироскопа по отношению к корпусу 31

4. Типовые структурные и электрические. схемы включения в измерительную цепь . 38

5. Методы повышения точности измерения. 44

5.1 Статистические методы 44

 5.2 Фильтрация 45

Заключение. 46

Библиографический список. 47

 

 

 

Введение

 

Автоматические системы управления современным производством –  это комплекс сложного многоуровневого  оборудование, ориентированное на обеспечение  максимальной производительности и  высокого качества продукции. Взаимодействие систем управления с технологическими процессами при производстве продукции, контроль над параметрами, количеством  и качеством продукта осуществляют различные датчики и аналитическое  оборудование. Применение датчиков позволяет  постоянно контролировать ход технологического процесса и оптимизировать его, что  улучшает качество продукции и повышает конкурентоспособность производства. Рост цен на энергоносители и материалы  повышает требования к их учета и  эффективного использования, а значит, и в этом случае возникает потребность  в приборах учета.

Автоматизация различных технологических  процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами  требуют многочисленных измерений  разнообразных физических величин.

Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики - с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы  или устройства.

В данном проекте я рассмотрю один из разновидностей датчиков – датчик ориентации в  пространстве.  

1. Классификация датчиков, принцип действия

 

Измерительные средства, с помощью  которых возможно определить ориентацию тела, можно разделить на две группы датчиков, которые измеряют непосредственно  или косвенно (через пересчет) одну из компонент вектора фазового состояния. Первая группа – это датчики направления, определяющие в связанной системе  некоторое известное в неподвижной  системе координат направление. Вторая группа – датчики угловой  скорости, измеряющие непосредственно  вектор угловой скорости тела. Рассмотрим подробнее, как с помощью конкретных измерительных средств определяют ориентацию тела.

1. Позиционные датчики.

1. Звёздная камера (звездный датчик)

Подобные устройства, используя  привязку наблюдаемых звёзд к  известному звёздному каталогу, обеспечивают определение трёхосной ориентации аппарата относительно инерциального  пространства. Этот датчик представляет собой видеокамеру, снимающую звёздное небо. В рассматриваемой в [1] макетной реализации камеры результатом съёмки является видеофайл. Видеофайл далее  преобразуется в последовательность графических файлов. Графические  файлы являются входными для алгоритма  определения углового положения  спутника, версия которого описана  в [1]. Основные этапы работы этого  алгоритма можно описать следующим  образом.

– Определяется положение центров  масс всех наблюдаемых звёзд относительно системы координат, связанной с  сенсором камеры.

– Определяется угловое положение  распознанных звёзд относительно системы  координат, связанной с камерой.

– Вычисляются угловые расстояния между наблюдаемыми звёздами.

– В соответствии со звёздным каталогом (хранящимся на бортовом компьютере) проводится идентификация наблюдаемых звёзд.

– Определяется направление оптической оси камеры относительно инерциальной и орбитальной системами координат.

– Определяется ориентация спутника относительно инерциальной и орбитальной  системами координат.

2. Солнечный датчик

 

Основная задача солнечного датчика  – это определение направления  на Солнце (азимута и угла места  по отношению к спутнику). Рассмотрим его устройство на примере солнечного датчика, базирующегося на радиационно-устойчивом APS детекторе [2], закрытом непрозрачной маской с одним (или несколькими равноудаленными) отверстиями диаметром 0.2 мм, которая существенно ограничивает поступающий на детектор поток солнечного излучения. Схема работы датчика представлена на рис.1.1

Солнечный свет, проходя через отверстие  в маске, формирует на плоскости  фотодетектора некоторое изображение  источника. Положение центра масс изображения  дает возможность определить ориентацию прибора относительно направления  на источник. Углы ориентации сенсора a и b могут быть определены из простейших геометрических соображений, согласно формулам

 

Здесь - положение центра масс изображения в системе координат OXY, связанной с плоскостью фотодетектора, F – расстояние от маски до плоскости фотодетектора, () – координаты центра масс изображения в случае, когда источник находится в зените (фактически – это расчетные значения проекции центра отверстия маски на плоскость фотодетектора).

3. Магнитометр

 

Как правило, подобные устройства состоят из трёх индукционных сенсоров, измеряющих окружающее магнитное поле в трех взаимно  перпендикулярных направлениях и, тем  самым, определяют ориентацию и величину вектора напряженности поля. На околоземной  орбите направление магнитного поля Земли известно в каждой точке  пространства. В первом приближении  геомагнитное поле подобно полю диполя (рис.1.2). Таким образом, зная ориентацию вектора напряженности поля в  связанной системе координат, можно  определить ориентацию спутника в орбитальной  системе координат [3].

С помощью позиционных датчиков, определяющих непосредственно ориентацию тела, можно также оценить и  скорость вращения тела, используя  различные алгоритмы вычисления скорости изменения определяемого  направления. Однако во многих случаях  эти методы не дают удовлетворительной точности. Следует также отметить в числе недостатков звёздной камеры и солнечного датчика, что  их можно использовать только при  определённых условиях. Так, солнечный  датчик не может работать, когда  он ориентирован против Солнца или  находится в тени Земли, а звёздный датчик не может определять ориентацию, когда он направлен на Землю (не видит  звёздного неба) и на Солнце (происходит засветка звёзд). В этих случаях невозможно определить ориентацию спутника.  

2. Датчики угловой скорости

1. Гироскоп

 

Гироскоп (от др. - греч. γῦρος «круг» и σκοπέω «смотрю») — устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета. Простейший пример гироскопа — юла (волчок).

Термин впервые введен Жаном (Бернаром Леоном) Фуко в его докладе в 1852 году Французской Академии Наук. Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в  инерциальном пространстве. Этим и  обусловлено название «гироскоп».

Гироскоп изобрёл Иоганн Боненбергер  и опубликовал описание своего изобретения  в 1817 году.

Преимуществом гироскопа перед  более древними приборами являлось то, что он правильно работал в  сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако вращение гироскопа быстро замедлялось  из-за трения.

Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для  разгона и поддержания вращения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером  Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных  лодках вместо компаса или совместно  с ним.

Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес. Такие  гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых  поворота вокруг осей АА', BB' и CC', пересекающихся в центре подвеса О, который остаётся по отношению к основанию A неподвижным.

Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса  O, называются астатическими, в противном случае — статическими гироскопами.

Для обеспечения вращения ротора гироскопа  с высокой скоростью применяются  специальные гиромоторы.

Классификация

 Основные типы гироскопов  по количеству степеней свободы:

• двухстепенные,
• трехстепенные.

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

• механические гироскопы,
• квантовые гироскопы.

  

1. Механические гироскопы

 

Разновидности механических гироскопов.

 

• Пьезоэлектрические гироскопы.
• Твёрдотельные волновые гироскопы.
• Камертонные гироскопы.
• Вибрационные роторные гироскопы (в том числе динамически настраиваемые гироскопы).
• МЭМС гироскопы.

 

Твёрдотельные волновые гироскопы.

 

Работа одной из разновидностей ТВГ разработанные с 80-х гг. компаниями GE Marconi, GE Ferranti (ВБ), Watson Industires Inc. (США), Inertial Engineering Inc. (США) Innalabs, и другими основаны на управлении двумя стоячими волнами в физическом теле — резонаторе, который может быть как осесимметричным, так и циклически-симметричным. При этом, осесимметричная форма резонатора позволяет улучшить характеристики гироскопа, а именно: значительно увеличить срок жизни гироскопа и его удароустойчивость, что важно для многих систем стабилизации. Резонаторы подобных ТВГ вибрируют по второй форме колебаний (как и в HRG). Таким образом, стоячие волны — это колебания эллиптической формы с четырьмя пучностями и четырьмя узлами, расположенными по окружности края резонатора. Угол между смежными узлами / пучностями составляет 45 градусов. Эллиптическая форма колебаний возбуждается до определенной амплитуды. Когда гироскоп поворачивается вокруг оси чувствительности, результирующие Кориолисовы силы, воздействующие на элементы вибрирующей массы резонатора, возбуждают парную форму колебаний. Угол между главными осями двух режимов составляет 45 градусов. Замкнутый контур управления (компенсационная обратная связь — КОС) гасит парную форму колебания к нулю. Амплитуда силы (то есть сигнал пропорциональные току или электрическому напряжению в цепи КОС), необходимая для этого, пропорциональна угловой скорости вращения датчика. Соответствующая система замкнутого контура управления называется компенсационной аналогично КОС маятниковых акселерометров и классических роторных ДУС. Для генерирования компенсационной силы и считывания вызванных движений используются пьезоэлектрические элементы, закреплённые на резонаторе. Подобная электромеханическая система в высокой степени эффективна и обеспечивает низкий уровень шума выходного сигнала и широкий диапазон измерения, необходимые для многих «тактических» применений (хотя и снижает чувствительность датчика пропорционально расширению его диапазона измерений). Отметим, что упомянутые гироскопы используют современные сплавы инварного типа с паянными пьезоэлектрическими элементами ввода-вывода или пьезокерамические резонаторы с вжиганием электродов. В любой случае, их добротность теоретически ограничена величинами порядка 100тыс. (на практике, обычно, не выше 20тыс.), что на несколько порядков ниже многомиллионной добротности резонаторов КВГ из кварцевого стекла или монокристаллов, используемых для «стратегических» применений.