Датчики ориентации в пространстве

LIS3LV02DL — трехосевой цифровой  линейный акселерометр c программируемым  12- или 16-разрядным представлением  данных. Датчик поддерживает два  цифровых интерфейса (SPI/I2C), имеет  низкую мощность потребления  и высокую разрешающую способность.  При подаче напряжения питания  сенсор производит процедуру  самотестирования, что позволяет  пользователю быть уверенным  в исправности устройства. Датчик  можно сконфигурировать на генерацию  прерывания при обнаружении ускорения  свободного падения. Имеется возможность  программной установки порога  значения ускорения, при превышении  которого, по крайней мере в  одной из трех осей, устройство  выдаст сигнал прерывания. LIS3LV02DL доступен в пластмассовом корпусе  LGA16. Рабочий диапазон температур  составляет –40…85°C.

LIS3LV02DQ — трехосевой акселерометр  для измерения небольших значений  ускорения со стандартными цифровыми  интерфейсами SPI/I2C. В LIS3LV02DQ полосу  пропускания можно гибко задать  командой программного обеспечения,  позволяя разработчикам эффективно  менять условия измерения. Как  и в предыдущем устройстве, в  данном случае реализована возможность  программной установки порога, при  превышении которого устройство  формирует прерывание. Эта информация  помогает быстро понять, в каком  направлении перемещается датчик, прежде чем будут произведены  какие-либо вычисления.

LIS331AL, LIS331DL — трехосевые, линейные, универсальные, экономичные МЭМС- акселерометры класса «нано». Высокофункциональные  датчики с низким потреблением энергии обеспечивают очень высокую устойчивость к вибрациям и ударам с ускорениями до 10000g. Нанодатчики движения компании ST предназначены для приложений с небольшими ускорениями для бытовых и промышленных устройств, включая интерфейсы движения пользователя в мобильных и игровых устройствах, обнаружения свободного падения для защиты данных на жестком диске, обнаружения и компенсации вибрации в бытовой технике. Конструкция датчика включает в себя два стандартных цифровых интерфейса SPI и I2C. Пользователь может выбрать любой из них. Кроме того, имеются встроенные интеллектуальные функции, включающие распознавание одинарного и двойного щелчка, обнаружение выхода из состояния покоя и движения, фильтры верхних частот и две выделенных гибко программируемых линии прерывания. Датчик обеспечивает полную шкалу выходного сигнала ±2,0g, высокую температурную стабильность и большую устойчивость к смещению. Встроенные функции самотестирования позволяют проверять датчик после установки на плату. LIS331DLF, LIS331DLM, LIS331DLH — 6-, 8- или 12-разрядные приборы с цифровым выходом, которые являются pin-to-pin- и программно-совместимыми.

Основным назначением инерциальных датчиков является измерение ускорения, однако на их основе можно измерять наклон, движение объекта, определение  положения в пространстве, силу ударов и вибрацию.

Семейство гироскопов содержит трехосевые датчики (Yaw, Pitch и Roll). На рисунке 5 показаны направления и названия чувствительных осей датчика по отношению к плоскости  корпуса.

Базовым параметром гироскопов является чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к изменению угла поворота.

Параметр Zero-rate характеризует начальное  смещение выходного сигнала при  нулевом повороте датчика. Смещение связано с технологией изготовления и может измениться после монтажа  микросхемы. Оно имеет слабую зависимость  от температуры и должно учитываться  при обработке и выделении  полезного сигнала.

Основные параметры гироскопа LYPR540AH

– Напряжение питания: 2,7…3,6 В.– Расширенный  температурный диапазон (–40…85°C).– 3 независимых аналоговых канала.–  Диапазон полной шкалы: опции ±400 и  ±1600 dps.– Высокая ударопрочность.–  Встроенное самотестирование. Объединение  акселерометра и гироскопа позволяет  создавать интегрированные инерционные  системы (Inertial Movement Units, IMU).

 

Звезные датчики

В настоящее время за рубежом  насчитывается более 10 производителей звездных приборов, среди них: SODERN (Франция), Jena-Optronik (Германия), Galileo Avionica (Италия), Ball Aerospace (США), Goodrich (США), Terma (Дания, Германия, Нидерланды, Сингапур, США) и др., которые выпускают более 30 моделей звездных приборов различного типа и назначения

В России одной из организаций, производящей звездные датчики ориентации для  космических аппаратов (КА), является ИКИ РАН. Эти приборы получили название блок определения координат  звезд (БОКЗ). C середины девяностых годов  институтом было изготовлено более 60 приборов БОКЗ (Рис.3.2) в различных модификациях, которыми были оснащены 14 КА. Среди них Международная космическая станция, аппараты серии «Ямал»,«БелКА», «Ресурс‑ДК».

Еще один российский производитель  подобных приборов — это московское ОКБ «Марс», — с 2005 г. им были оснащены два КА: «Монитор» и «Казсат».

В отличие от приборов БОКЗ, производимых ИКИ РАН, звездные датчики МОКБ «Марс» не являются автономными. Они используют для обработки данных вычисли  тельные мощности бортовой ЭВМ. ОАО  «НПП» Геофизика Космос» (г. Москва) в прошлом разрабатывало и  производило большое количество звездных приборов. Во времена существования  СССР многие космические аппараты оснащались датчиками звезды производства ГП НПО«Геофизика», которое впоследствии было преобразовано  в ОАО «НПП» Геофизика Космос». В настоящее время предприятие  разрабатывает широкопольные звездные приборы 329К, 345К и 348К. Летных испытаний  этих приборов не было. Сравнение характеристик  звездных датчиков ориентации российских производителей представлено в табл. 2

Интегрированные приборы

В космическом приборостроении  наблюдается тенденция к комплексированию функционально близких приборов. Так, независимо друг от друга, фирмой Draper (США) и ИКИ РАН созданы  два интегрированных прибора: Inertial StellarCompass (ISC) (рис.3.3 слева) и БОКЗ-МФ (рис.3.3 справа) соответственно, сочетающих в  себе звездный датчик ориентации и  гироскоп. Эти функциональные блоки  удачно взаимодополняют друг друга, увеличивая надежность выполнения приборомцелевой  задачи.

Опыт эксплуатации приборов звездной ориентации вкосмосе показал, что существует ряд нештатных ситуаций, при которых  они не могут функционировать, несмотря навысокие технические характеристики. Примерами таких нештатных ситуаций могут быть засветка поля зрения прибора  Солнцем или другими естественными  и искусственными те-лами, а также  превышение максимальной угловой скорости для данного звездного прибора. Комплексирование звездного датчика  с гироскопом позволяет получить самодостаточный прибор, способный  определять параметры ориентации и  во всех возможных ситуациях.

 

 

Таблица 2 – Сравнительная таблица звездных датчиков ориентации российских производителей

Прибор	Масса, кг/ Размеры, мм	Мощность потребления, Вт	Точность, σx,y /σz,	Макс. Угловая скорость, град/с	Частота обновления, Гц	Поле зрения, град	Число элементов матрицы	Звездные величины
БОКЗ ИКИ РАН (1998)	4,5 / 450×230×200	11	2 / 20	0,15	0,3	8×8	512×512	+7,5
БОКЗ-У ИКИ РАН (1999)	4,25 / 490×240×190	11	2 / 20	0,15	0,3	8×8	512×512	+7,5
БОКЗ-М ИКИ РАН (2002)	4 / 370×230×230	9	2 / 20	0,5	0,3	8×8	512×512	+7,5
БОКЗ-МФ ИКИ РАН (2007)	1,3 / 200×200×200	8	5 / 25	4	1	18×18	512×512	+6
БОКЗ-М60 ИКИ РАН (2008)	4 / 370×230×230	9	1,5 / 15	1,2	1	8×8	512×512	+7,5
БОКЗ-М60/1000 ИКИ РАН (2009)	4,5 / 420×230×230	10	1 / 10	3	4	18×18	1024×1024	+6
329К «НПП «Геофизика- Космос»	3 /	12	8 / 20	–	4	–	–
345К «НПП «Геофизика- Космос»	1,7 /	12	7 / 20	–	До 10	–	–	–
348К «НПП «Геофизика- Космос»	3,7 /	11,5	11	1	5	15×15	1024×1024	–

 

Прибор ISC информацию об угловом движении выдает с гироскопа, а по оптическим измерениям этот гироскоп периодически калибруется. Точность определения  оптической оси прибора составляет 18 угл.с, вокруг оптической оси — 37 угл.с, а точность самого прибора примерно в 10 раз хуже за счет относительно высокого шума микромеханического гироскопа. В  период нештатных ситуаций для звездного  датчика добавляется лишь ошибка случайного дрейфа гироскопа (дрейф 3,3 град/ч), а если учесть, что нештатные  ситуации носят непродолжительный  характер — несколько минут, то дрейф  гироскопа не вносит существенной ошибки.

Прибор ISC фирмы Draper — единственный в настоящее время интегрированный  прибор, который функционирует в  космосе. Прибор состоит из двух блоков: оптического блока и блока  электроники. Датчики угловой скорости встроены в оптический блок.

Основные характеристики прибора ISC

Точность, σ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1°

Точность оптического измерения  σx,y /σz . . . . . . . . . . . . . . . 18/37 угл.с

Макс. угловая скорость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 град/с

Частота обновления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Гц

Поле зрения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21×21°

Масса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,9 кг

Мощность потребления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,5 Вт

Формат КМОП-матрицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512×512

В Институте космических исследований создано два интегрированных  прибора: БОКЗ‑МФ (см. рис.3.2 справа) и БОКЗ‑М60. Прибор БОКЗ-М60 выполнен в конструктиве прибора БОКЗ-М (см. рис.3.2). В отличие от прибора ISC информация об ориентации выдается по оптическим измерениям, гироскоп постоянно калибруется, а информация с него используется только при нештатных ситуациях, когда работа оптического канала невозможна. Более развитый оптический канал приборов обеспечивает в разработках ИКИ более высокие точностные характеристики, чем приборы фирмы Draper. Приборы БОКЗ-МФ и БОКЗ-М60 являются автономными.Их основные характеристики представлены в табл. 8.

В ИКИ РАН разработка интегрированных  приборовопределения параметров ориентации стала одним из основных направлений. В настоящее время разрабатывается  интегрированный прибор, который  сочетает звездный датчик ориентации, гироскоп средней точности и приемо-вычислительное устройство спутниковых навигационных  систем ГЛОНАСС/GPS. Этот прибор по точностным параметрамбудет полностью удовлетворять  требованиям ДЗЗ

 

 

Таблица 3 – Основные характеристики интегрированных приборов ИКИ РАН

Параметр	Прибр
	БОКЗ - МФ	БОКЗ - М60
Точность, σx,y/ σ	5/25	1,5/15
Максимальная угловая скорость оптического измерения град/с	4	1,2
Максимальная угловая скорость град/с	20	20
Частота обновления, Гц	1	1
Поле зрения, град	18×18	8×8
Масса, кг	1,3	4
Мощность потребленя	8	9
Размеры, мм	200×200×300	370×230×230
Формат ПЗС-матрицы	512×512	512×512

 

 

. 

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

 

Гироскоп iMEMS и об его применении

Датчик угловой скорости – гироскоп ADXRS представляет собой интегральную микросхему; он выполнен на одном кристалле  кремния и включает в себя все  необходимые электронные схемы  формирования сигнала.

Две микромеханические структуры из поликристаллического кремния снабжены специальными возбуждающими рамками, которые с помощью электрического сигнала приводятся в резонанс. Колебания  микромеханических элементов имеют  достаточно высокую частоту и  амплитуду, чтобы при угловом  вращении прибора сила Кориолиса, действующая  на эти элементы, достигала заметной величины. По краям каждой колеблющейся рамки, перпендикулярно направлению колебаний, расположены подвижные зубцы, которые чередуются с неподвижными зубцами (фиксированными на кремниевую подложку); таким образом образуется структура, емкость которой меняется в соответствии с величиной силы Кориолиса.

Полученный с емкостного датчика  высокочастотный сигнал поступает  на каскады усиления и демодуляции, в итоге на выходе микросхемы мы получаем сигнал напряжения, пропорциональный угловой скорости Максимальная детектируемая  скорость вращения (т.е. динамический диапазон датчика угловой скорости) составляет у гироскопов ADXRS150 и ADXRS300 соответственно 150°/с и 300°/с