Применение МЭМС-технологии для навигации

Появление микроэлектромеханических систем (МЭМС) позволило создать массу миниатюрных, надежных и недорогих устройств, которые стали востребованы практически во всех отраслях производства и на потребительском рынке. По мере совершенствования технологий производства, повышения качества и характеристик МЭМС изделия стали все более широко применяться в оборонной, авиационно-космической, энергетической и других высокотехнологичных отраслях.

Одной из областей, где применяются МЭМС устройства, является инерциальная навигация. Применение в инерциальных навигационных системах (ИНС) МЭМС акселерометров и гироскопов позволяет реализовывать методы инерциальной навигации на новом уровне, когда миниатюрные датчики служат источниками данных о параметрах движения летательных аппаратов, транспортных средств и судов.

В настоящей статье говорится об инерциальных датчиках, выполненных с использованием МЭМС технологий производства компаний Sensonor и Colibrys, как примерах МЭМС устройств, позволяющих в полной мере использовать преимущества современных технологий в навигационных системах, обеспечивая их уменьшение, удешевление и возможность более широкого внедрения.

Инерциальная навигация

Инерциальная навигация — метод определения координат и параметров движения различных объектов (судов, самолетов и др.) и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел. Принцип инерциальной навигации заключается в измерении движений объекта, характеризуемых изменениями во времени его ускорения, скорости и координат, при помощи датчиков пространственного перемещения. Полученные от датчиков данные используются для решения задач навигации, управления и наведения.

В датчиках, измеряющих пространственное перемещение, используются подвижные массы в качестве чувствительных элементов. Такая масса под действием сил инерции, возникающих при изменении параметров движения объекта, перемещается на определенную величину, которая измеряется и преобразуется в электронный вид.

Датчики пространственного перемещения, называемые инерциальными датчиками, формируют системы инерциальной навигации (наведения), которые обеспечивают автономное измерение ускорений объекта (например, судна или летательного аппарата), определение его скорости, положения в пространстве и расстояния, пройденного им от исходной точки и, таким образом, вырабатывают навигационную информацию и данные для управления объектом.

Ускорение - векторный параметр, имеющий как численное значение, так и направление. Таким образом, для получения полной информации об ускорении, требуются измерительные преобразователи, измеряющие оба эти показателя. В качестве датчиков в системах инерциальной навигации применяются акселерометры и гироскопы. Первые измеряют величину ускорения, вторые предоставляют информацию об угловой скорости, по которой определяется направление.

Акселерометры, измеряя фактическое ускорение летательного аппарата, в то же время подвержены влиянию гравитационного поля Земли. Для реализации алгоритмов компенсации этого влияния на акселерометры необходима опорная система координат, которая обеспечит данными о текущем положении акселерометров.

В классических ИНС с гироскопами вращения опорная система координат реализовывалась за счет установки акселерометров и гироскопов на стабилизированной платформе в кардановом подвесе. Такая конструкция позволяет изолировать датчики от поворотов летательного аппарата, делая пространственное положение акселерометров неизменным относительно Земли при движении объекта.

При создании современных ИНС чаще используются системы, которые называются бесплатформенными (БИНС), акселерометры и гироскопы в них жестко связаны с корпусом объекта. Измерения с выходов гироскопов поступают непосредственно на компьютер, вычисляющий мгновенную ориентацию акселерометров в опорной системе координат и формирующий соответствующие сигналы, компенсирующие влияние гравитации.

Учитывая, что опорная система координат в БИНС реализована на базе программной обработки данных от гироскопов и акселерометров, а также конструкции современных инерциальных датчиков, в таких системах нет вращающихся частей, они существенно проще по конструкции и дешевле в производстве, чем классические ИНС.

Основное достоинство ИНС – автономность. Работа таких систем не подвержена влиянию погодных условий и электромагнитного излучения, не требует наличия внешних сигналов, сами ИНС являются локальными системами, не требующими для своей работы организации канала обмена данными, например, между летательным аппаратом и землей.

Недостатками ИНС являются необходимость их начальной настройки (выставки) и накопление ошибок со временем.

Частным случаем современных БИНС являются системы определения курса и пространственного положения (англ. – AHRS), более известные как курсовертикали. Такие системы содержат в себе многоосевые датчики, которые выдают данные измерений для определения направления, углового и пространственного положения, поворотов в различных плоскостях самолета или иного объекта, передвигающегося в пространстве.

Курсовертикали создавались, чтобы заменить традиционные механические гироскопические пилотажные приборы, и обеспечивают высокую надежность и точность. Такие системы включают в себя твердотельные или МЭМС гироскопы, акселерометры и магнитометры для всех трех осей. Некоторые курсовертикали используют приемники GPS для улучшения долговременной стабильности гироскопов. Фильтр Калмана используется для получения оптимальной оценки полученных данных измерений.

Рис. 1. Курсовертикаль в составе авиационных приборов

Инерциальные навигационные системы требуют процесса инициализации, в ходе которого производится настройка системы по местоположению и по пространственному положению (ориентации относительно заданной базы, например, горизонта). Пространственное положение можно задать, пользуясь акселерометрами для определения направления вертикали и гироскопами для определения вращения Земли. Этими векторами определяются оси опорной системы координат.

Этот процесс называется выставкой и, как правило, требует, чтобы объект оставался неподвижным в течение некоторого периода времени, необходимого для определения начального положения.

Рис. 2. Внешний вид курсовертикали

При выставке инерциальная система координат проходит через процедуру автонастройки, которая позволяет выровнять вертикальную ось локальной системы координат по измеренному ускорению и измерить горизонтальную скорость Земли для определения начального азимута.

В случае, если начальное положение объекта известно, и гироскопы обеспечивают точные измерения, то этих данных будет вполне достаточно для навигации. Однако, первоначальное положение известно в очень редких случаях, а гироскопы обычно выдают искаженные данные из-за дрейфа нуля и нестабильности включения.

И гироскопы, и акселерометры подвержены смещению и дрейфу нуля, несоосности, ошибкам ускорения (g-чувствительность), нелинейным эффектам и погрешности масштабного коэффициента. Эти ошибки учитываются при настройке системы. Наибольшая погрешность в курсовертикалях связана со смещением нуля гироскопов.

При работе ИНС ошибки со временем накапливаются из-за того, что система интегрирует все входные данные, включая ошибки. Так, скорость движения вычисляется интегрированием измеряемого акселерометрами ускорения, и постоянная ошибка в этих измерениях приводит к постоянно увеличивающейся ошибке скорости. Ошибки гироскопов обуславливают появление дополнительных ошибок в определении направления при измерении ускорения и ускорения свободного падения, а постоянное интегрирование приводит к возрастанию этих неточностей.

Без применения алгоритмов фильтрации и раздельных независимых измерений акселерометров и гироскопов результат навигационных вычислений будет отличаться от истинной траектории.

Коррекция на базе фильтра Калмана обеспечивает калибровку гироскопов в режиме онлайн, передавая значения корректировок в блок вычислений и, определяя характеристики текущего смещения гироскопов. Акселерометры обеспечивают выдачу опорной информации о пространственном положении объекта, используя земную гравитацию.

В основном, роль акселерометров в курсовертикалях заключается в обеспечении опорной информации о начальном положении и коррекции пространственного положения путем компенсации дрейфа гироскопов во время движения.

В настоящее время существуют различные типы курсовертикалей:

• Высокоточные системы используют кольцевые лазерные гироскопы (RLG) или волоконно-оптические гироскопы (FOG). К точности таких систем предъявляются очень высокие требования, поскольку они используются в режиме автоматического полета и должны быть настолько точными, чтобы предотвратить, например, контакт крыльев крупных самолетов с землей во время взлета или посадки, особенно в тумане и в экстремальных погодных условиях. Для этого типа навигационных систем требуются акселерометры со стабильностью смещения не менее 2mg при любых условиях, включая диапазон изменения температур, линейность, эффекты второго порядка и несоосность.
• Курсовертикали более низких классов используются в качестве вспомогательных систем ориентирования пилотов или как резервные навигационные системы, и не требуют таких высоких точностей. Такие курсовертикали очень часто используются в небольших гражданских самолетах и на некоторых беспилотных летательных аппаратах (БЛА). В этих случаях используются МЭМС гироскопы, а также акселерометры более низкого класса.

Параметры инерциальных датчиков зависят от применения

Для курсовертикалей высокого и среднего классов обычно используются гироскопы с дрейфом 0,01–0,1°/ч и акселерометры с диапазоном от 10g до 15g.

В приборах более низкого класса применяют гироскопы с дрейфом 1–10°/ч и акселерометры с диапазоном 5g.