автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Автоматизированная система определения вектора состояния подвижного наземного объекта

Введение.

ГЛАВА 1. Сравнительный анализ существующих методов и устройств определения вектора состояния подвижных объектов.

1.1. Наземные измерительные системы.

1.2. Космические измерительные системы.

1.3. Инерциальные измерительные системы.

1.4. Б1ШС и особенности её использования.

1.5. Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. Разработка алгоритма построения наземной измерительной системы с использованием БИНС.

2.1. Определение ускорений, действующих на оси акселерометров.

2.2. Определение углов начальной выставки осей акселерометров.

2.3. Особенности построения алгоритмов измерительной системы.

2.4. Оптимизация методов обработки с учётом влияния возмущающих факторов в реальных измерительных системах.

2.5. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Создание аппаратно-программного комплекса обработки измерительной информации.

3.1. Аппаратурная реализация определения вектора состояния и параметров траектории наземного подвижного объекта.

3.2. Программное обеспечение.

3.3. Адаптивный интерфейс для взаимодействия с внешними устройствами.

3.4. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и натурные испытания системы.

4.1. Описание установки для экспериментальных исследований.

4.2. Результаты экспериментальных исследований разработанной системы.

4.3 Применение системы при обследовании и сертисфикации дорожного покрытия в составе дорожной лаборатории.

4.4, Выводы по главе 4.

Методы системного анализа и обработки информации применяются при решении широкого круга задач, включающих сложные многопараметрические зависимости результатов от исходных данных и характеристик анализируемых процессов.

Одним из видов таких задач являются навигационные, однозначно представляемые многомерным вектором состояния объекта, параметры которого требуют определения.

Определение вектора состояния объекта заключается в нахождении составляющих положения и скорости центра масс объекта на траектории, а также углового положения объекта относительно центра масс. Это является практически неотъемлемой частью описания движения объекта и широко используется при создании навигационных и измерительных систем.

В настоящее время известно множество способов решения данной задачи, среди которых наибольшее распространение имеют, так называемые, неавтономные методы навигационных определений (спутниковые, радиотехнические, лазерные), дополненные системами определения ориентации объекта на траектории (наклономеры, угломеры). Принципиальной особенностью таких систем является неавтономность, то есть требование создания специальных оборудованных опорных пунктов и обеспечение их непрерывной связи с объектом, что определяет структурную сложность системы в целом и зависимость результатов от внешних условий измерений.

Учитывая особенности неавтономных систем, более привлекательным представлялась разработка автономных навигационных систем, не связанных с опорными пунктами и независимых от внешних условий. Полностью автономные инерциальные навигационные системы отличаются от всех прочих тем, что их точность почти полностью зависит от качества используемых датчиков (гироскопов и акселерометров) и методов обработки снимаемой с них информации

В настоящее время инерциальные навигационные системы (ИНС) широко применяются для определения вектора состояния подвижных объектов, таких как подводные и надводные суда, авиационные и космические аппараты и другие, и являются объектами постоянного совершенствования.

Наиболее распространёнными и изученными в настоящее время являются ИНС на основе гиростабилизированных платформ (ГСП), идея которых была предложена еще в тридцатых годах двадцатого века. Однако ГСП являются очень сложными и дорогими конструкциями с различного рода кардановыми подвесами стабилизированной площадки, на которой устанавливаются чувствительные элементы и имеющими большие массу и размеры. В то же время, резкое возрастание мощности и быстродействия современных вычислительных средств, появление микромеханических чувствительных элементов за последнее десятилетие поставило на повестку дня реальную возможность разработки конкурентно способных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС). В этом случае отсутствуют сложные кардановые подвесы, а ориентация чувствительных элементов в инерциальной системе координат определяется на основе обработки информации, снимаемой с этих чувствительных элементов, жестко установленных на аппарате.

Конструктивные, ценовые и эксплутационные преимущества такого решения настолько убедительны, что основным направлением изменения облика бортовых инерциальных систем в настоящее время является переход от ИНС к БИНС, и исследования в этой области являются актуальными.

В общем случае для определения вектора состояния объекта, БРШС должна содержать 6 чувствительных элементов - три акселерометра и три гироскопа, но для наземных объектов система существенно упрощается в связи с тем, что продольная ось объекта совпадает с направлением скорости движения. В этом случае достаточно иметь один гироскоп и два акселерометра (в некоторых случаях три акселерометра), при наличии датчика линейной скорости. Используя информацию от акселерометров, можно определить углы наклона объекта к горизонту, а гироскоп предназначен для определения курса и коррекции сигналов акселерометров при поворотах объекта. Для дальнейшей миниатюризации БИНС целесообразно использовать микромеханические чувствительные элементы. Они имеют малые размеры, вес, энергопотребление и стоимость (в 200-300 раз ниже стоимости, например, динамически настраиваемых гироскопов).

На сегодняшний день главным недостатком микромеханических чувствительных элементов по сравнению с традиционными чувствительными элементами является большая шумовая составляющая сигнала и худшая точность измерения. Поэтому, для повышения точности необходима разработка новых подходов к анализу измерительной информации, методов и алгоритмов выделения полезной составляющей сигнала с последующей обработкой полученной информации.

Таким образом, исходя из состояния вопроса целью работы является разработка автоматизированной системы измерения и контроля вектора состояния подвижного наземного объекта на основе бесплатформенной инерциальной навигационной системы с использованием микромеханических чувствительных элементов.

В соответствии с целью работы были сформулированы следующие задачи исследований:

1. Разработка методов определения вектора состояния подвижного наземного объекта, с учетом спорадического влияния внешних воздействий.

2. Разработка программно-математического обеспечения для измерения и контроля геометрических параметров дорожного покрытия.

3. Разработка методов фильтрации, сглаживания и сжатия информации для оптимизации обработки сигналов БИНС.

4. Синтез разработанных методов и реализация автоматизированной системы измерения и контроля геометрических параметров дорожного покрытия на основе бесплатформенной инерциальной навигационной системы.

5. Разработка методов определения углов начальной выставки в полевых условиях.

Для достижения поставленной цели исследования и решения сформулированных выше задач применялись аналитические и экспериментальные методы исследования.

В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты.

1. Разработаны методы определения траектории движения, радиусов кривизны траектории движения, углов поворота относительно центра масс подвижного объекта с учетом спорадического влияния внешних воздействий на чувствительные элементы БИНС.

2. Разработана методика определения углов начальной выставки между осями измерительного блока и базовой плоскостью.

3. Разработан метод корректировки ошибок, вызванных сбоями переключения между каналами АЦП.

4. Создана автоматизированная система определения геометрических параметров дорожного покрытия на основе микромеханических измерительных элементов.

Новизна подтверждается получением патента на способ определения уклонов, кривизны, неровности и коэффициента сцепления дорожного покрытия и устройство для его осуществления.

В результате проведённых исследований получены следующие новые практические результаты.

1. На основе предложенных в диссертации решений разработана и внедрена автоматизированная система измерения и контроля геометрических параметров автомобильных дорог на основе бесплатформенной инерциальной навигационной системы.

2. Реализован алгоритм одновременного сжатия и сглаживания информации, основанный на использовании гармонических рядов.

3. Разработаны алгоритмы, а также программно-математическое обеспечение для измерения геометрических параметров автомобильных дорог с использованием автоматизированной системы измерения параметров дорожного покрытия.

4. В одной системе были совмещены функции как измерительной, так и навигационной, что существенно расширяет возможности её использования,

В соответствии с вышеизложенным диссертация построена следующим образом,

В первой главе анализируются известные к настоящему времени способы постороения системы для измерения геометрических параметров дорожного покрытия, основанные на использовании наземных, космических и инерциальных измерительных систем, а также систем, основанных на использовании БИНС,

Приводится обобщение результатов исследования различных систем, предназначенных для определения вектора состояния подвижного объекта, движущегося по поверхности земли и параметров его траектории.

Делается вывод о том, что системы, основанные только на спутниковых приёмниках, лазерных или барометрических методах не решают весь спектр задач и применимы только для решения задач узкого круга. Отмечается, что единственной системой, которая решает практически все рассматриваемые задачи, является инерциальная система навигации, при этом для большого круга задач предпочтительнее использовать БИНС.

Во второй главе представлен метод определения ускорений, действующих на оси чувствительности акселерометров при наличии погрешности ортогональности осей чувствительности, в результате чего получены выражения для определения углов поворота объекта вокруг центра масс. Проводится анализ влияния внешних и внутренних возмущающих факторов на измеряемый сигнал и предлагаются рекомендации по использованию различных методов фильтрации и сглаживания сигналов. Представлены разработанные алгоритмы компенсации внешних и внутренних возмущающих факторов в реальных измерительных системах. При этом для каждого измеряемого и промежуточного параметра, после аналитического и экспериментального исследования, предложены соответствующие методы обработки информации. Рассматривается алгоритм сжатия информации на основе гармонических рядов. Здесь же приведены алгоритмы определения углов продольного и поперечного уклонов при движении объекта по поверхности земли. Предложен метод определения вертикального и горизонтального радиуса кривизны траектории движения объекта.

В третьей главе представлен аппаратно-программный комплекс обработки измерительной информации для определения вектора состояния и параметров траектории наземного подвижного объекта. Предложена методология и реализован механизм программного взаимодействия с внешними устройствами. Приводится предложенная автором многоуровневая концепция построения программы, предназначенной для решения задачи определения вектора состояния подвижного объекта. В ней в полной мере реализована стратегия объектно-ориентированного подхода.

10 в четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований. Проведена оценка влияния внешних и внутренних возмуп];ающих факторов на выходной сигнал измерительного блока. Экспериментально подтверждены теоретические исследования предложенных способов определения вектора состояния подвижного объекта и параметров его траектории в реальных условиях эксплуатации. Описывается применение разработанной на основе предложенных методов автоматизированной системы и программного обеспечения в составе дорожной лаборатории.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

4.4. Выводы по главе 4

1. В результате экспериментальных исследований проведена оценка влияния внешних и внутренних возмущающих факторов на выходной сигнал измерительного блока.

2. Экспериментально подтверждены теоретические исследования предложенных способов определения вектора состояния подвижного объекта и параметров его траектории в реальных условиях эксплуатации.

3. В результате проведенных экспериментов было подтверждено, что разработанная система может использоваться как в качестве измерительной, так и в качестве навигационной системы.

Заключение

В заключении можно отметить следующие основные научные и практические результаты, представленные в данной диссертационной работе:

1. Реализована автоматизированная система для определения вектора состояния подвижного наземного объекта в реальном масштабе времени и с учетом внешних дестабилизирующих воздействий.

2. Разработано программно-математическое обеспечение для измерения и контроля параметров дорожного покрытия, которое удовлетворяет всем перечисленным ниже требованиям: а) Многоуровневая расширяемость; б) Работа в реальном масштабе времени; в) Переносимость; г) Концептуальная целостность.

При этом архитектура проста и не содержит ничего лишнего: общее поведение достигается общими абстракциями и механизмами.

3. Разработаны методы фильтрации, сглаживания и сжатия информации. Помимо этого приведён анализ влияния внешних и внутренних возмущающих факторов на измеряемый сигнал и выработаны рекомендации по использованию различных методов фильтрации и сглаживания сигналов и разработаны алгоритмы компенсации внешних и внутренних возмущающих факторов в реальных измерительных системах. При этом для каждого измеряемого и промежуточного параметра, после аналитического и экспериментального исследования, предложены соответствующие методы обработки информации.

4. Разработка методов определения углов начальной выставки в полевых условиях. Достоинством этих методов является довольно простое и нетрудоёмкое определение параметров, которые могут существенно изменяться от одного выезда автомобиля к другому.

117

5. Реализован алгоритм сжатия и сглаживания информации, основанный на использовании гармонических рядов. Этот алгоритм помимо сжатия позволяет одновременно сглаживать сигнал. Если в таких областях как обработка видео и аудио сигналов (форматы jpeg, mpeg и др.) сглаживание этим методом при сжатии является недостатком (потеря качества), то в данном случае это одновременное решение сразу двух задач.

6. Предложена концепция построения систем для наземных подвижных объектов, которые одновременно могут совмещать как навигационную, так измерительную системы, с минимальным составом измерительных датчиков.

Таким образом, можно сделать заключение, что поставленные задачи исследований выполнены в полной мере.

1. А. Н. Ефремов, А. К. Камальдинов, А. И. Мармалаев, В. Г. Самородов. Лазерная техника в мелиоративном строительстве. -М.:Агропромиздат, 1989. 223 с.

2. Ю. Д. Роев. Применение баропрофилографа для регистрации непрерывного профиля местности.Диссертация на соискание утченой степени кандидата технических наук. М.: 1971.

3. EdwardsA, Jr, Navigation, 18, No 3, p. 386 401 (1971-1972). Бесплатформенные инерциальные навигационные системы.

4. V.L.Budkin, V.A. Parshin, S.V. Prozorov, A.K. Salomatin, V.M. Soloviev. Devdlopment of silicon sensors for navigation and control systems.

5. H. T. Кузовков, O.C. Салычев. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация.- М.: Машиностроение, 1982. 216 с.

6. П.В. Бромберг. Теория инерциальных систем навигации. -М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. 296с.

7. Цуцаев Д. А., Цуцаева Т.В. Сравнительный анализ суш;ествуюш;их методов и устройств определения вектора состояния подвижных объектов. 2002. - 14 с, - Деп. в ВИНИТИ 08.02.2002, № 264 - В2002.

8. Патент РФ № 2109874, МКИ Е 01 С 23/07, 1996, патент РФ № 2112829, МКИ Е 01 С 23/07, 1996, патент РФ № 2114242, МКИ Е 01 С 23/07, 1996.

9. Патент РФ № 2114391, МКИ G 01 С 7/04, 1996. Ю.Патент РФ № 2114392, МКИ G 01 С 7/04.

10. Ачильдиев В. М., Дрофа В. Н., Рублев В, М., Сорокин В. Е., Сорокин Г. В., Цуцаев Д. А. Способ определения уклонов, кривизны, неровности и коэффициента сцепления дорожного покрытия и устройство для его осуществления. Патент РФ №2162202 от 25.03.2000.

11. Цуцаев Д. А. Система определения вектора состояния подвижногообъекта. Труды международной конференции «Математические и физические методы в экологии и мониторинге природной среды». -323-328 с, МГУЛ, - М. - 2001.

12. Ачильдиев В. М., Дрофа В. Н., Рублев В. М., Сорокин Г. В., Цуцаев Д. А. Система измерений геометрических параметров и качества покрытия дорожного полотна на основе инерциального блока БИ-210. Микросистемная техника, № 8, 2001 г.

13. Цуцаев Д. А. Анализ методов обработки сигналов с учётом влияния возмущающих факторов в реальных измерительных системах. 2002. -11с, - Деп. в ВИНИТИ 08.02.2002, № 265 - В2002.

14. Амосов А. А,, Дубинский Ю. А., Копченова Н. В. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высшая школа, 1994. - 486 с.

15. Цуцаев Д. А., Цуцаева Т.В. Фильтрация и сглаживание выходных сигналов с микромеханических акселерометров с использованием гармонических рядов. 2002. - 9 с, - Деп. в ВИНИТИ 08.02.2002, № 263 - В2002.

16. П.Свешников А. А., Ривкин С. С, Вероятностные методы в прикладной теории гироскопов. ~ М.: изд. «Наука», 1974, 536с.

17. Виленкин С. Я. Статистическая обработка результатов исследований случайных функций. М.: Энергия, 1979. - 320с.

18. Ачильдиев В. М., Цуцаева Т.В., Цуцаев Д.А. Перспективные чувствительные элементы для построения бесплатформенных инерциальных измерительных блоков. Электронный журнал МГУЛ. -2001.

19. Brooks, F. The Mythical Man-Month. Reading, MA: Addison-Wesley, p.42, 1975.

20. Гради Буч. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. Второе издание Rational Санта-Клара, Калифорния перевод с английского под редакцией И. Романовского и Ф, Андреева. М.: Диалектика, 2001,-450 с.

21. Соколов Н, Л., Цуцаев Д. А. Алгоритм управления спуском космического аппарата (КА) на планету Марс. // Автоматизация и компьтеризация информационной техники и технологии/ Научн. тр. -Вып. 282. М.: МГУЛ, 1998.

22. Цуцаев Д. А. Методология построения программ обработки информации измерительных навигационных систем. 2002. - 11 с, -Деп. в ВИНИТИ 08.02.2002, № 266 - В2002.

23. Ольховский Ю. Б., Новоселов О. Н., Мановцев А. П. Сжатие данных при телеизмерениях. М.: Советское радио. - 1971 - 393 с.

24. Березин И. С, Жидков Н. П. Методы вычислений, т. 2. М.-1965 г.

25. Ланцош К. Практические методы прикладного анализа. Пер. с англ. Под ред. А. М. Лопшица. М.:- Наука, - 1961.

26. Азаров А.И., Булатов В.И., и др. Тригонометрия. Тождества, уравнения, неравенства. Системы. Минск. : Полымя, - 1999 - 493 с.

27. Вержбицкий В.М. Численные методы. Математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Высшая школа, 2001,-382 с.

28. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964 г. - 577 с.

29. ЗГХеннекен П. Л., Тортра А. Теория вероятностей и некоторые ее