Наукові основи та принципи побудови приладової системи вимірювання прискорення мобільного робота
| dc.contributor.advisor | Квасніков, Володимир Павлович | |
| dc.contributor.author | Рудик, Андрій Вікторович | |
| dc.date.accessioned | 2018-06-05T09:03:02Z | |
| dc.date.available | 2018-06-05T09:03:02Z | |
| dc.date.issued | 2018 | |
| dc.description | Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України. | uk |
| dc.description.abstracten | In the dissertation the following new scientific results are received: 1. The method for determining the parameters of mobile robot motion, according to which the total number of coordinates of the object in the interval of time is divided into groups with the same number of coordinates, and the coordinate codes in the groups are averaged, has received further development. Quantitative evaluation of the method's efficiency depending on the number of coordinates used for calculations is obtained. 2. For the first time a mathematical model of the influence of working conditions (environment) on the coefficient of sensitivity of the measuring instrument was proposed. The deviation of the sensitivity coefficient of the measuring instrument from the nominal value, depending on the group of factors and the number of members of the expansion of functions in the Taylor series, is analyzed. 3. For the first time a mathematical model of the dependence of ultrasound velocity in air from a group of climatic factors and wind speed was obtained. It was found out that the change in air temperature, as well as less significant atmospheric pressure and relative humidity, are significantly influenced by the ultrasonic signal. 4. Ddetailed a generalized error equation for accelerometers SINS was obtained and a block diagram of the formation of errors in the output signal of accelerometers was drawn up. The components of the random error of accelerometers are analyzed and the models of formation of components of random error from white noise and white sequence are presented. 5. The method of estimating the errors of the SINS in the short time interval according to the values of instrumental errors of inertial sensors without simulation of the INS algorithm has been further developed. It has been proved that MEMS gyroscopes accumulate significantly higher errors in determining the parameters of motion and orientation over time with accelerometers of the same accuracy class. 6. The method for estimating the minimum value of the variance of the estimation error of a constant component by the method of averaging and determining the optimal averaging time has been further developed, which is important for calibration of inertial sensors, is developed and allows to effectively identify the structure of noise in the channel of the measuring instrument. 7. Ddetailed a model of SINS errors was obtained in determining the speed and coordinates of a mobile robot. It is proved that the accuracy of determination of linear velocities and coordinates is determined by orientation errors, and the magnitude of the errors of the SINS depends on the dynamics of the object movement. 8. It was first proposed to determine the parameters of capacitive MEMS sensors given by equivalent circuitry of resonance circuits, based on the results of measurements of the phase shift between two voltages at the output of the converter and the ratio of amplitudes of these voltages (the circuits of the transducers are protected by the patents of Ukraine №57135 and №57836). 9. The further development of the phase-frequency method of measuring the amplitude of the alternating voltage, which in work is used to measure the ratio of the amplitudes of alternating voltages; the errors of the developed measuring instruments are mainly determined by the accuracy of measuring (or transforming) the time intervals. 10. The method of selecting the sampling rate of signals of sensors and actuators in the control system of mobile robot with the consideration of their structural connections is improved, which allows to find the optimum values of the sampling frequencies of signals and obtain the optimum survey program. 11. For the first time a method has been developed for determining parasitic phase modulation parameters when modulating the amplitude of the input signal of a band filter according to different laws during its disintegration. The practical significance of the results of the dissertation work is that: 1. The budget of errors of determination of pseudorange, pseudo-speed and pseudo-acceleration with the help of GNSS is made and the potential values of their total errors (6.3 m, 0.09 m/s and 0.0238 m/s2 respectively) are calculated. 2. The mathematical models of the MEMS-accelerometer in various forms have been developed and it has been experimentally proved that the use of "individual" sensor models increases the accuracy of the acceleration determination in (1.5÷3.5) times compared with the passport data. 3. New devices of signal processing of capacitive MEMS sensors of mobile robot instrumentation devices on the basis of the generator zero method are developed, in which the resistance to noise is increased, and high sensitivity and partial compensation of temperature changes of the output frequency are provided. 4. The scheme of the analog bandpass filter for effective depression of the noise of 40 dB with filtering up to no more than an octave is improved and the dependence of the coefficient of suppression of the filter jam on the spread of the parameters of all elements of the circuit is analyzed. 5. It is proposed to use median and diagnostic filters based on guaranteed filtration algorithms for preliminary processing of sensor signals of the on-board navigation system of a mobile robot to obtain estimates of navigational parameters, "cleared" from interferences. 6. The conditions for minimizing the random error at the output of the complex inertial orientation system are determined, the variant of numerical implementation of the complementary filter of the IMU is obtained and the optimal low frequency filter with a linear phase-frequency characteristic on the basis of the second-order FIR-filter is synthesized. 7. Two variants of implementation of inertial microsystems of orientation targeting on the basis of the Kalman filter (for the mobile robot control circuit and for the backup system), having high technical characteristics, have been tested and proved to be stable during prolonged operation (5 hours or more). 8. An ultrasonic rangefinder of the technical view of a mobile robot is developed, in which the accuracy of the estimation of the parameters of motion increases due to taking into account the readings of sensors of climatic parameters. 9. The optimal structure of an artificial neural network of the Cascade-forward type with two hidden layers was developed, studied and analyzed to determine the distance of the MR to the obstacle, which best takes into account the complexity of the relationship between the information parameters and on the test sample showed high accuracy (mean-square MSE=1.412 mm and average absolute MAE=1.892 mm errors). 10. A method for determining the correction coefficients for the IMU and the magnetometer, which are determined during calibration and used for integration into the code of the calculator to determine their output signals, is developed. 11. A LNS has been developed, the accuracy of determining the parameters of motion and the angles of orientation of the mobile robot that allows it to be used autonomously to control maneuvers when moving on a safe route for short intervals of time, and in conjunction with other navigation devices (error detection of coordinates about the object in the autonomous mode 1.2 m for 10 s with straight displacement and 2.2 m for 10 s with maneuvering; the error of working out the orientation angles (0.1÷0.3)o for the angles of the roll and pitch and (2÷3)o to the angle of the course). Theoretical and practical achievements of the work were introduced at the enterprises of the state enterprise "Plant 410 CA", "Kiev Automation Plant", firm "Vestra" (Rivne) and in the educational process at the National Aviation University (Kyiv) while teaching the disciplines "Physical bases of modern metrology" and "Metrology and information-measuring technique" and at the National University of Water Management and Natural Resources (Rivne) during the teaching of disciplines "Electronics and microprocessor technology", "Designing of automation devices" and "Metrology, technological measurements and devices", which is confirmed by the relevant acts. The scientific novelty and practical significance of the results of work are confirmed by three patents of Ukraine №57135, №57795 and №57836. The introduction substantiates the relevance of the research problem, shows the connection of the chosen direction with the scientific programs, plans, themes, formulates the purpose and objectives of research, presents the scientific novelty and practical value of the results obtained, determines the personal contribution of the applicant, gives data on testing, publications on the topic of work and the use of research results. In the first section the characteristics of acceleration as a measured value are considered, the analysis of known methods and means of acceleration measurement with the development of appropriate classifications, systematization of the basic technical characteristics of accelerometer sensors (accelerometers) and a qualitative analysis of the influence of destabilizing factors on the process of conducting acceleration measurements by the considered methods are considered. It is proved that the scientific problem solved in the dissertation is relevant for various industries of the Ukrainian economy, including such leading, as instrument making, machine building and transport, oil and gas extraction, agriculture, etc., where in practice the tools for measuring acceleration and other parameters of movement and orientation in space. In the second section the theoretical principles of acceleration measuring methods of MR are developed and ways of improving their accuracy are analyzed. The method of determining the parameters of the MR motion has been further developed, according to which the total number of coordinates of the object in time intervals is divided into groups with the same number of coordinates (two for speed, three for acceleration), and coordinate codes in groups are averaged. The efficiency of the method depending on the number of coordinates used is analyzed. The mathematical model of the influence of working conditions (environment) on the sensitivity coefficient of the measuring instrument is proposed and its deviation from the nominal value depending on the group of factors and the number of members of the expansion of a function in the Taylor series is analyzed. The error determination budget of pseudorange, pseudo-speed and pseudo-acceleration by long-range methods with GNSS is made and the potential values of their total errors are calculated. The mathematical model of the dependence of ultrasound velocity in air from a group of climatic factors and wind speed was first obtained. It was found out that the change in air temperature, as well as less significant atmospheric pressure and relative humidity, are significantly influenced by the ultrasonic signal. It is proposed to use a network-based architecture, in which the signals from the sensor nodes to the control system blocks in the already processed form are sent to reduce the load on the power sources and the mobile robot computing blocks. Also discussed are the use of stealth technologies in mobile robot systems and methods for detecting undetected objects. In the third section, analysis and mathematical modeling of errors of MEMS accelerometers of mobile robot instrumentation systems were carried out. The mathematical models of the MEMS-accelerometer in various forms (mechanical, electrical and circuit engineering) have been developed, an estimation of the parameters of the electric model has been made, its adequacy has been proved, and it has been shown that the use of "individual" MEMS accelerometer models increases the accuracy of the acceleration determination. The generalized equation of SINS accelerometer errors is detailed and a block diagram of errors formation in the output signal of accelerometers is made. The components of the random error of accelerometers are analyzed and the models of formation of components of random error from white noise and white sequence are presented. The technique of estimating the errors of one-channel SINS in a short time interval based on the values of instrumental errors of inertial sensors without the simulation of the inertial system algorithm has been developed and it is proved that MEMS-gyroscopes over time accumulate significantly higher errors in determining the parameters of motion and orientation compared with accelerometers of the same accuracy class. The method of estimating the minimum value of the estimation error variance of a constant component by the method of averaging and determining the averaging optimal time with the help of specialized software for calculating the variation of Alan by the results of the processing of information of inertial sensors during long launches, followed by polynomial approximation, is important in calibrating such sensors and allows efficient identify the structure of the channel noise of the measuring instrument. Detailed a model of SINS errors in determining the speed and coordinates of a mobile robot, on the basis of which a generalized block diagram of the formation of SINS errors was developed in determining the parameters of the motion of an object. It is shown that the accuracy of determination of linear velocities and coordinates is determined by orientation errors, and the magnitude of the errors of the SINS depends on the dynamics of the object movement. In the fourth section, devices for signal processing of MEMS sensors of MR devices and algorithms for their work are developed. Device for processing signals of capacitive MEMS sensors of mobile robot instrument systems on the basis of the generator zero method, which increases the noise immunity and provides high sensitivity and partial compensation of temperature changes of the output frequency. It is proposed to determine the parameters of capacitive MEMS sensors given by equivalent schemes of resonance circuits, based on the results of measurements of the phase shift angle between the two voltages at the converter output and the ratio of amplitudes of these voltages (circuit diagrams of the transducers are protected by the patents of Ukraine №57135 and №57836). The dependence of the measurement errors of the capacitive MEMS sensor on the parameters of the measuring transducer has been analyzed. Received a further development of the phase-frequency measuring method the amplitude of the alternating voltage, which is used in the measure the ratio of amplitudes of alternating voltages. The errors of the developed measuring instruments are mainly determined by the accuracy of measuring (or transforming) the time intervals. The method of selecting the frequency of sampling signals of sensors and actuators in the mobile robot control system, taking into account their structural links, is developed, which allows to find the optimum values of sampling frequencies and obtain the optimal survey program. In the fifth section, filter circuits and algorithms for filtering signals in instrumentation systems for measuring the acceleration of MR are developed. The scheme of the analog bandpass filter is developed to noise suppress by 40 dB in the low frequency range differs from the useful signal frequency by no more than an octave. The dependence of the coefficient of suppression of filter interference on the distribution of parameters of all elements of the scheme is analyzed. Experimentally, the value of the compression-jamming coefficient is obtained -(39÷40) dB at the steepness of the falling area of the amplitude-frequency characteristic of 40 dB/oct. The method of determination of parameters of parasitic phase modulation at modulation of the amplitude of the input signal of a band filter according to various laws at its disintegration is developed. It is suggested to use median and diagnostic filters based on algorithms of guaranteed filtration when processing data from the navigation system MR to obtain estimates of navigational parameters, "cleared" from interference. The conditions of random error minimization at the output of a complex inertial orientation system are determined. The variant of numerical implementation of the complementary IMU filter is obtained. An optimal low pass filter with a linear phase characteristic of the order R opt = 31 based on the 2nd type FIR-filter was synthesized. Two variants of realization of inertial microsystems of orientation based on the Kalman filter (for the control circuit of MR and for the backup system) with high technical characteristics and stable functioning during prolonged operation (5 hours and more) are developed. The method of estimating the state of the system in the "painted" noise is practically without increasing the computational time. In the sixth section, experimental research was carried out on the developed elements of instrumentation systems for measuring acceleration of MR, which confirmed the convergence of theoretical and experimental results. Practical interest is the definition of optimal combinations of different sensors types (location, inertial, optical). According to the results of the analysis of accuracy in computer simulation, an optimal structure of the artificial neural network of the Cascade-forward type with two hidden layers was found to determine the distance to the obstacle, which best takes into account the nature and complexity of the relationship between the information parameters. A Simulink model of this ANN was developed, and the test quotient obtained a MSE = 1.412 mm and an average absolute MAE = 1.892 mm errors. The method of determining the correction coefficients for the IMU and the magnetometer, which are determined during the calibration, is developed and used for integration into the software code of the calculator to determine their output signals. The LNS is developed, the accuracy of determining the parameters of motion and orientation angles of the MR is ensured, which allows it to be used autonomously to control maneuvers when moving along a safe route for short intervals of time, and in combination with other navigation devices (the error of determining the coordinates of an object in offline mode 1.2 m for 10 s for rectilinear displacement and 2.2 m for 10 s for maneuvering; the error of working out the orientation angles (0.1÷0.3)o for the angles of the roll and pitch and (2÷3)o for the angle of the course). The general conclusions summarize the main results of the research conducted in the dissertation, both theoretical and experimental, obtained in laboratory conditions. | uk |
| dc.description.abstractuk | У дисертаційній роботі отримано такі нові наукові результати. 1. Отримав подальший розвиток метод визначення параметрів руху МР, згідно з яким загальна кількість координат об’єкта на інтервалі часу ділиться на групи з однаковою кількістю координат, а коди координат в групах усереднюються; одержана кількісна оцінка ефективності методу залежно від кількості використовуваних для обчислень координат. 2. Вперше запропоновано математичну модель впливу робочих умов (середовища) на коефіцієнт чутливості ЗВ; проаналізовано відхилення коефіцієнта чутливості ЗВ від номінального значення залежно від групи факторів та кількості членів розкладу функції в ряд Тейлора. 3. Вперше отримано математичну модель залежності швидкості ультразвуку в повітрі від групи кліматичних факторів та швидкості вітру; з’ясовано, що на ультразвуковий сигнал суттєво впливає зміна температури повітря, а також менш значуще атмосферний тиск і відносна вологість. 4. Деталізовано узагальнене рівняння похибок акселерометрів БІНС і складено блок-схему формування похибок у вихідному сигналі акселерометрів; проаналізовано складові випадкової похибки акселерометрів та наведено моделі формування складових випадкової похибки з білого шуму та білої послідовності. 5. Отримала подальший розвиток методика оцінки похибок БІНС на короткому часовому інтервалі за значеннями інструментальних похибок інерціальних сенсорів без моделювання алгоритму ІНС; доведено, що МЕМС-гіроскопи з часом накопичують значно більші похибки визначення параметрів руху і орієнтації порівняно з акселерометрами такого самого класу точності. 6. Отримала подальший розвиток методика оцінки мінімального значення дисперсії похибки оцінювання постійної складової методом усереднення і визначення оптимального часу усереднення, що важливо при калібруванні інерціальних сенсорів і дозволяє ефективно ідентифікувати структуру шумів в каналі ЗВ. 7. Деталізовано модель похибок БІНС при визначенні швидкості і координат МР; доведено, що точність визначення лінійних швидкостей і координат визначається похибками орієнтації, а величина похибок БІНС залежить від динаміки руху об’єкта. 8. Вперше запропоновано визначати параметри ємнісних МЕМС сенсорів, заданих еквівалентними схемами резонансних контурів, за результатами вимірювань кута фазового зсуву між двома напругами на виході перетворювача та відношення амплітуд цих напруг (схеми перетворювачів захищені патентами України на винахід №57135 і №57836). 9. Отримав подальший розвиток фазочастотний метод вимірювання амплітуди змінної напруги, який в роботі використовується для вимірювання відношення амплітуд змінних напруг; похибки розроблених ЗВ в основному визначаються точністю вимірювання (або перетворення) часових інтервалів. 10. Удосконалено методику вибору частоти дискретизації сигналів сенсорів і виконавчих пристроїв в системі керування МР з врахуванням їх структурних зв’язків, що дозволяє знаходити оптимальні значення частот дискретизації сигналів та отримати оптимальну програму опитування. 11. Вперше розроблено методику визначення параметрів паразитної фазової модуляції при модуляції амплітуди вхідного сигналу смугового фільтра за різними законами при його розстроюванні. Практичне значення результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що: 1. Складено бюджет похибок визначення псевдодальності, псевдошвидкості і псевдоприскорення за допомогою СРНС і з’ясовано потенційні значення їх сумарних похибок (відповідно 6.3 м, 0.09 м/с та 0.0238 м/с2). 2. Розроблено математичні моделі MEMС акселерометра в різних формах і експериментально доведено, що використання “індивідуальних” моделей сенсора підвищує точність визначення прискорення у (1.5÷3.5) рази порівняно з паспортними даними. 3. Розроблено нові пристрої обробки сигналів ємнісних МЕМС сенсорів приладових систем МР на основі генераторного нульового методу, в яких підвищується стійкість до впливу шумів і забезпечується висока чутливість та часткова компенсація температурних змін вихідної частоти. 4. Вдосконалено схему аналогового СФ для ефективного придавлення завади на 40 дБ при розстроюванні фільтра не більше ніж на октаву та проаналізовано залежність коефіцієнта придавлення завади фільтра від розкиду параметрів всіх елементів схеми. 5. Запропоновано використовувати медіанний та діагностичний фільтри на основі алгоритмів гарантованої фільтрації при попередній обробці сигналів сенсорів бортової навігаційної системи МР для отримання оцінок навігаційних параметрів, “очищених” від завад. 6. Визначено умови мінімізації випадкової похибки на виході комплексованої інерціальної системи орієнтації, отримано варіант чисельної реалізації комплементарного фільтра ІВМ та синтезовано оптимальний ФНЧ з лінійною ФЧХ на базі КІХ-фільтра другого типу. 7. Розроблено два варіанти реалізації інерціальних мікросистем орієнтації на основі фільтра Калмана (для контуру керування МР і для резервної системи), що мають високі технічні характеристики і показали стійке функціонування при тривалій експлуатації (5 год. і більше). 8. Розроблено ультразвуковий далекомір системи технічного зору МР, в якому точність оцінки параметрів руху підвищується за рахунок врахування показань сенсорів кліматичних параметрів. 9. Розроблено, навчено і проаналізовано оптимальну структуру ШНМ типу Cascade-forward з двома прихованими шарами для визначення відстані МР до перешкоди, яка найкраще враховує характер і складність взаємозв’язку між інформаційними параметрами і на тестувальній вибірці показала високу точність (похибки середньоквадратична MSE=1.412 мм і середня абсолютна MAE=1.892 мм). 10. Розроблено методику визначення корегувальних коефіцієнтів для ІВМ та магнітометра, що визначаються при калібруванні і використовуються при інтеграції до програмного коду обчислювача для визначення їх вихідних сигналів. 11. Розроблено ЛНС, забезпечувана точність визначення параметрів руху і кутів орієнтації МР якої дозволяє використовувати її як автономно для контролю маневрів при переміщенні за безпечним маршрутом протягом коротких інтервалів часу, так і в комплексі з іншими навігаційними пристроями (похибка визначення координат об’єкту в автономному режимі 1.2 м за 10 с при прямолінійному переміщенні та 2.2 м за 10 с при маневруванні; похибка відпрацювання кутів орієнтації (0.1÷0.3)о для кутів крену і тангажу та (2÷3)о для кута курсу). Теоретичні і практичні здобутки роботи впроваджено на підприємствах ДП “Завод 410 цивільної авіації”, ПАТ НВО “Київський завод автоматики”, ТзОВ фірма “Вестра” (м. Рівне) та у навчальний процес в Національному авіаційному університеті (м. Київ) при викладанні дисциплін “Фізичні основи сучасної метрології” і “Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка” та в Національному університеті водного господарства та природокористування (м. Рівне) при викладанні дисциплін “Електроніка та мікропроцесорна техніка”, “Проектування пристроїв автоматизації” і “Метрологія, технологічні вимірювання та прилади”, що підтверджено відповідними актами. Наукову новизну та практичне значення результатів роботи підтверджено трьома патентами України на винахід №57135, №57795 та №57836. У вступі обґрунтовано актуальність проблеми досліджень, показано зв'язок обраного напрямку з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету та задачі досліджень, подано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, наведено дані про апробацію, публікації за темою роботи та використання результатів досліджень. В першому розділі розглянуто характеристики прискорення як вимірюваної величини, проведений аналіз відомих методів та засобів вимірювання прискорення з розробкою відповідних класифікацій, систематизація основних технічних характеристик сенсорів прискорення (акселерометрів), а також якісний аналіз впливу дестабілізуючих факторів на процес проведення вимірювань прискорення розглянутими методами. Доведено, що наукова проблема, яка розв’язується в дисертації, є актуальною для різних галузей промисловості та господарства України, включаючи такі провідні, як приладобудування, машинобудування і транспорт, нафтогазовидобування, сільське господарство та ін., де на практиці використовуються засоби для вимірювання прискорення та інших параметрів переміщення і орієнтації у просторі. В другому розділі розвинуто теоретичні засади методів вимірювання прискорення мобільних роботів та проаналізовано способи підвищення їх точності. Отримав подальший розвиток метод визначення параметрів руху МР, згідно з яким загальна кількість координат об’єкта на інтервалі часу ділиться на групи з однаковою кількістю координат (дві для швидкості, три для прискорення і чотири для різкості), а коди координат в групах усереднюються. Проаналізовано ефективність методу залежно від кількості використовуваних координат. Запропоновано математичну модель впливу робочих умов (середовища) на коефіцієнт чутливості засобу вимірювання і проаналізовано його відхилення від номінального значення залежно від групи факторів та кількості членів розкладу функції в ряд Тейлора. Складено бюджет похибок визначення псевдодальності, псевдошвидкості і псевдоприскорення дальномірними методами за допомогою СРНС і з’ясовано потенційні значення їх сумарних похибок. Вперше отримано математичну модель залежності швидкості ультразвуку в повітрі від групи кліматичних факторів та швидкості вітру. З’ясовано, що на ультразвуковий сигнал суттєво впливає зміна температури повітря, а також менш значуще атмосферний тиск і відносна вологість. Запропоновано використовувати мережеву архітектуру, в якій для зменшення навантаження на джерела живлення і обчислювальні блоки МР сигнали надходять від сенсорних вузлів до блоків системи керування у вже обробленому вигляді. Також розглянуто питання використання стелс-технологій в МРТК і методи виявлення малопомітних об’єктів. В третьому розділі проведено аналіз та математичне моделювання похибок МЕМС акселерометрів приладових систем МР. Розроблені математичні моделі MEMС акселерометра в різних формах (механічна, електрична і схемотехнічна), проведена оцінка параметрів електричної моделі, доведена її адекватність та показано, що використання “індивідуальних” моделей МЕМС-акселерометра підвищує точність визначення прискорення. Деталізовано узагальнене рівняння похибок акселерометрів БІНС і складена блок-схема формування похибок у вихідному сигналі акселерометрів. Проаналізовано складові випадкової похибки акселерометрів та наведено моделі формування складових випадкової похибки з білого шуму та білої послідовності. Розроблено методику оцінки похибок одноканальної БІНС на короткому часовому інтервалі за значеннями інструментальних похибок інерціальних сенсорів без моделювання алгоритму інерціальної системи і доведено, що МЕМС-гіроскопи з часом накопичують значно більші похибки визначення параметрів руху і орієнтації порівняно з акселерометрами такого самого класу точності. Розроблено методику оцінки мінімального значення дисперсії похибки оцінювання постійної складової методом усереднення і визначення оптимального часу усереднення за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення для обчислення варіації Алана за результатами обробки інформації інерціальних сенсорів при тривалих запусках з подальшою поліноміальною апроксимацією, що є важливим при калібруванні таких сенсорів і дозволяє ефективно ідентифікувати структуру шумів в каналі засобу вимірювання. Деталізовано модель похибок БІНС при визначенні швидкості і координат МР, на основі якої розроблено узагальнену блок-схему формування похибок БІНС при визначенні параметрів руху об’єкта. Показано, що точність визначення лінійних швидкостей і координат визначається похибками орієнтації, а величина похибок БІНС залежить від динаміки руху об’єкта. В четвертому розділі розроблено пристрої обробки сигналів МЕМС сенсорів приладових систем МР та алгоритми їх роботи. Розроблено пристрої обробки сигналів ємнісних МЕМС сенсорів приладових систем МР на основі генераторного нульового методу, в яких підвищується стійкість до впливу шумів і забезпечується висока чутливість та часткова компенсація температурних змін вихідної частоти. Запропоновано визначати параметри ємнісних МЕМС сенсорів, заданих еквівалентними схемами резонансних контурів, за результатами вимірювань кута фазового зсуву між двома напругами на виході перетворювача та відношення амплітуд цих напруг (схеми перетворювачів захищені патентами України на винахід №57135 і №57836). Проаналізовано залежність похибок вимірювання параметрів ємнісного МЕМС сенсора від параметрів вимірювального перетворювача. Набув подальшого розвитку фазочастотний метод вимірювання амплітуди змінної напруги, який в роботі використовується для вимірювання відношення амплітуд змінних напруг. Похибки розроблених засобів вимірювання в основному визначаються точністю вимірювання (або перетворення) часових інтервалів. Удосконалено методику вибору частоти дискретизації сигналів сенсорів і виконавчих пристроїв в системі керування МР з врахуванням їх структурних зв’язків, що дозволяє знаходити оптимальні значення частот дискретизації сигналів та отримати оптимальну програму опитування. В п’ятому розділі розроблено схеми фільтрів та алгоритми фільтрації сигналів в приладових системах вимірювання прискорення МР. Розроблено схему аналогового смугового фільтра для ефективного придавлення завади на 40 дБ, частота якої в діапазоні НЧ відрізняється від частоти корисного сигналу не більше ніж на октаву. Проаналізовано залежність коефіцієнта придавлення завади фільтра від розкиду параметрів всіх елементів схеми. Експериментально отримано значення коефіцієнта придавлення завади –(39÷40) дБ при крутизні спадаючої ділянки АЧХ 40 дБ/окт. Розроблено методику визначення параметрів паразитної фазової модуляції при модуляції амплітуди вхідного сигналу смугового фільтра за різними законами при його розстроюванні. Запропоновано використовувати медіанний і діагностичний фільтри на основі алгоритмів гарантованої фільтрації при обробці даних з навігаційної системи МР для отримання оцінок навігаційних параметрів, “очищених” від завад. Визначено умови мінімізації випадкової похибки на виході комплексованої інерціальної системи орієнтації. Отримано варіант чисельної реалізації комплементарного фільтра ІВМ. Синтезовано оптимальний ФНЧ з лінійною ФЧХ порядку Ropt = 31 на базі КІХ-фільтра 2-го типу. Розроблено два варіанти реалізації інерціальних мікросистем орієнтації на основі фільтра Калмана (для контуру керування МР і для резервної системи) з високими технічними характеристиками та стійким функціонуванням при тривалій експлуатації (5 год. і більше). Запропоновано метод оцінки параметрів стану системи в “офарбованих” шумах практично без збільшення часу обчислень. В шостому розділі проведено експериментальні дослідження розроблених елементів приладових систем вимірювання прискорення МР, що підтвердило добру збіжність теоретичних та експериментальних результатів. Практичний інтерес має визначення оптимальних комбінацій різних типів сенсорів (локаційних, інерціальних, оптичних та ін.). За результатами аналізу точності при комп’ютерному моделюванні знайдено оптимальну структуру ШНМ типу Cascade-forward з двома прихованими шарами для визначення відстані до перешкоди, яка найкраще враховує характер і складність взаємозв’язку між інформаційними параметрами. Розроблено Simulink-модель даної ШНМ, а на тестувальній вибірці отримано середньоквадратичну MSE=1.412 мм та середню абсолютну MAE=1.892 мм похибки. Розроблено методику визначення корегувальних коефіцієнтів для ІВМ та магнітометра, що визначаються під час калібрування і використовуються при інтеграції до програмного коду обчислювача для визначення їх вихідних сигналів. Розроблено ЛНС, забезпечувана точність визначення параметрів руху і кутів орієнтації МР якої дозволяє використовувати її як автономно для контролю маневрів при переміщенні за безпечним маршрутом протягом коротких інтервалів часу, так і в комплексі з іншими навігаційними пристроями (похибка визначення координат об’єкту в автономному режимі 1.2 м за 10 с при прямолінійному переміщенні та 2.2 м за 10 с при маневруванні; похибка відпрацювання кутів орієнтації (0.1÷0.3)о для кутів крену і тангажу та (2÷3)о для кута курсу). В загальних висновках підсумовано основні результати досліджень, проведених у дисертаційній роботі, як теоретичних, так і експериментальних, отриманих в лабораторних умовах. | uk |
| dc.format.page | 460 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Рудик А. В. Наукові основи та принципи побудови приладової системи вимірювання прискорення мобільного робота : дис. ... д-ра техн. наук : 05.11.01 – Прилади та методи вимірювання механічних величин / Рудик Андрій Вікторович. – Київ, 2018. – 460 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/23234 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | прискорення | uk |
| dc.subject | приладова система | uk |
| dc.subject | мобільний робот | uk |
| dc.subject | акселерометр | uk |
| dc.subject | інерціальний сенсор | uk |
| dc.subject | безплатформна інерціальна навігаційна система | uk |
| dc.subject | оцінка параметрів руху | uk |
| dc.subject | варіація Алана | uk |
| dc.subject | фільтрація сигналів | uk |
| dc.subject | калібрування | uk |
| dc.subject | acceleration | uk |
| dc.subject | device system | uk |
| dc.subject | mobile robot | uk |
| dc.subject | accelerometer | uk |
| dc.subject | inertial sensor | uk |
| dc.subject | strapdown inertial navigation system | uk |
| dc.subject | estimation of parameters of motion | uk |
| dc.subject | variation of Alan | uk |
| dc.subject | signal filtering | uk |
| dc.subject | calibration | uk |
| dc.subject.udc | 621.865.8/(043.3)+681.2:531.7](043.3) | uk |
| dc.title | Наукові основи та принципи побудови приладової системи вимірювання прискорення мобільного робота | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Rudyk_diss.pdf
- Розмір:
- 24.25 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 7.74 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: