X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение. В современном мире путешествия на большие пространства уже не редкость. Морской круиз, перелёт на самолёте или, в скором времени, полёт в дальний космос – всё это стало и станет отчасти возможным благодаря развитию методов ориентирования в пространстве. Сейчас уже создано большое количество приборов и целых систем из них ради достижения всего одной цели – как можно более точно определить месторасположения объекта в пространстве. Среди множества способов одним из самых эффективных на мой взгляд является способ с использованием инерциальной навигации, речь о которых и пойдёт в данной статье.

На данный момент основная проблема, которую пытаются решить уже которое десятилетие – это накопление ошибок в процессе работы прибора для навигации на основе инерциального метода пространственного ориентирования. Было создано много методов, альтернатив, которые подчас построены совершенно на других законах и идеях. В итоге самым лучшим решением проблемы стала разработка систем, состоящих из нескольких приборов, один из которых – инерциальный модуль, а другие выполняют функцию следящей системы. Это позволяет понизить коэффициент погрешности ближе к нулю и избавиться от минусов каждого из элементов. Да, есть менее затратные механизмы, но подчас, в экстренной ситуации, они не способны дать оптимальный результат в силу преобладания ошибок в процессе или же на местности, то есть попросту не способны работать в конкретном месте и конкретных условиях. Поэтому нас данный вид ориентирования и заинтересовал, а потому ознакомимся же с ним более подробно.

Теоретическая часть. Что такое инерциальная навигация? Инерциальная навигация – метод определения координат и параметров движения различных объектов (судов, самолетов, ракет и пр.) и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел и являющийся автономным, т. е. не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов [1].

Данный способ имеет как достоинства, так и недостатки. Среди плюсов можно выделить следующие параметры: автономность (способность работать независимо от других навигационных приборов), помехозащищённость (на прибор влияет только ускорение притяжения к Земле, тем самым обеспечивая защиту от электромагнитных волн, способных сбить с толку остальные части общей системы навигации) и в некоторых случаях быстродействием и точностью. Однако, существенным их недостатком, не свойственным радиотехническим и оптико-электронным методам, является накопление ошибки измерения за время активной работы. Данная методическая погрешность обусловлена интегрирующим действием самой системы [2]. В доказательство приведу формулу погрешности определения координаты местоположения:

Таким образом, в разомкнутых системах погрешности определения скорости нарастают пропорционально квадрату времени, а погрешности определения координаты – пропорционально кубу времени [1]. Поэтому инерциальные системы навигации всё ещё находятся в процессе модернизации. Однако не смотря на всё выше сказанное данный способ ориентации используется повсеместно в различных сферах жизни вплоть до киноиндустрии, где с помощью программы происходит управление манипулятором с подвешенной камерой или же чем-нибудь ещё.

Теперь рассмотрим классификацию инерциальных систем навигации. Как упоминалось ранее системы подразделяются на 2 типа: системы разомкнутого типа (с малым периодом работы) и системы замкнутого типа (так называемы шулеровские системы). Оба типа делятся на платформенные и бесплатформенные системы. В свою очередь платформенные инерциальные системы бывают: полуаналитическими (оси чувствительности акселерометров и гироскопов ориентированы по осям какой-либо горизонтальной сопровождающей системы координат), аналитическими (оси чувствительности акселерометров и гироскопов ориентированы по осям геоцентрической инерциальной системы координат) и геометрическими (оси чувствительности акселерометров ориентированы по осям какой-либо горизонтальной сопровождающей системы координат, а оси чувствительности гироскопов – по осям геоцентрической инерциальной системы координат [2]).

Рис. 1. Геоцентрическая система координат

Все последние подтипы опираются прямо или же косвенно на геоцентрическую систему координат (рисунок 1) – систему координат, центр которой совмещён с центром Земли. Согласно определению Ньютона инерциальная система координат — это такая система координат, которая не изменяет свою ориентацию по отношению к неподвижным звездам (инерциальному пространству). В этой системе координат справедливы законы Ньютона. Геоцентрическая система координат не является инерциальной, так как ее начало движется с ускорением в барицентрической инерциальной системе координат. Однако в том случае, когда движущиеся объекты находятся в достаточной близости к поверхности Земли, геоцентрическую систему координат с достаточно степенью точности можно считать инерциальной.

Однако, по большей части, на практике чаще всего приходиться решать простые задачи на нахождение координат с помощью гироскопа и акселерометров в локальной плоскости. То есть ограниченное пространство в котором ярко выражены определённые координаты, относительно которых и предстоит ориентироваться.

Практическая часть. Для проверки теоретических знаний на практике нами было принято решение создать мобильного робота на базе Arduino UNO для управления различными подключаемыми модулями, а точнее двигателями, которые отвечают за перемещение в пространстве и инерциальным модулем Troyka-IMU 10 DOF, который отвечает за ориентирование в пространстве. Данный модуль имеет 10 степеней свободы, обеспеченный следующими микросхемами: трёхосный акселерометр LIS331DLH; трёхосный гироскоп L3G4200D; трёхосный магнетометр/компас LIS3MDL; барометр LPS331AP. Благодаря этому маленькому набору мы собрали простую схему, на которой начали программировать.

В результате практической деятельности были выявлены существенные недостатки как самого микроконтроллера, так и модуля: стандартные шаблоны программного кода, которые находятся в свободном доступе подчас либо не работают, либо во время работы, в момент, когда модуль находится в неподвижном состоянии, начинает выводить на экран значения, которые должны быть получены при перемещении в пространстве; при попытках оптимизировать программный код, вводя новые переменные и испытывая новые способы усреднения данных для увеличения точности получаемых значений, было выявлено, что сам микроконтроллер оказался не способен обработать такое количество действий, так как у него не хватает внутренней памяти для сохранения и обработки тех данных, что могли бы привести к необходимому результату.

Все эти проблемы можно решить несколькими способами: во-первых, получить в своё распоряжение более мощную модель микроконтроллера, либо заменить существующий путём создания своего микроконтроллера, или же упростить программный код так, чтобы он работал. Самым оптимальным решением естественно стало решение найти способ упростить программу любыми способами. В процессе был обнаружен вполне эффективный способ – использовать дополнительные данные, получаемые сторонней, не связанной с инерциальной навигацией, системой. В нашем случае, для уменьшения погрешностей был использован «фильтр Маджвика». Фильтр занимается обработкой массивов данных поступающих с датчиков и снимает проблемы точности и настройки параметров фильтров, основанных на подходах Калмана. Фильтр использует кватернион для представления ориентации, чтобы описать положение в пространстве в трёх измерениях и не содержит проблем, связанных с описанием положения углами Эйлера (складывание рамок) [3]. Простым языком, данный фильтр использует дополнительную систему ориентирования (магнитометр) в качестве следящей системы, которая уменьшает возникающие погрешности, увеличивая точность гироскопического модуля.

Выводы и дальнейшие перспективы. Оценивая проделанную работу, можно сделать следующие выводы: для получения более точного результата нужно улучшать микроконтроллер, его мощности и память, а также упрощать программный код. На данный момент нами выполнена лишь часть работы: ориентация при угловом движении. В дальнейшем планируется проработка линейного движения, его интеграции со сторонней системой, которая будет выполнять функцию следящей. Например, использовать дополнительные радио-датчики для ориентирования на локальной местности.

В целом, данное исследование актуально благодаря текущему развитию робототехники и кибернетики. Множество операций по точному ориентированию в пространстве нуждаются в совершенствовании и именно инерциальные методы навигации могут существенно продвинуть науку в развитии, а также человека в познании мира.

Список литературы

Инерциальные навигационные системы: учеб. пособие. – Ч. 1: Одноканальные инерциальные навигационные системы / Л.М. Селиванова, Е.В. Шевцова. – М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2012.

Сравнительный обзор аэронавигационных методов автоматического счисления пути / А.Н. Ломанов, В.В. Ревунов // Вестник рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева: науч. журнал. – М.: Изд-во Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П.А. Соловьева, 2016. – С. 108-115.

Sebastian O.H. Madgwick An efficient orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays.

Код для цитирования: Скопировать