АВТОНОМНАЯ ПЕРСОНАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННО- ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НАЗЕМНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ С КОРРЕКЦИЕЙ УГЛОВ НАКЛОНА ПО ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ АВТОНОМНЫХ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НАЗЕМНОГО
ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ 13
1.1 Анализ требований и особенностей построения автономных
персональных информационно-измерительных систем наземного
позиционирования 13
1.2 Классификация методов повышения точности автономных
персональных информационно-измерительных систем наземного
позиционирования 15
1.3 Методы компенсации систематических погрешностей датчиков
первичной информации 16
1.4 Методы компенсации случайных погрешностей датчиков первичной
информации 17
1.5 Методы комплексирования 18
1.6 Методы повышения точности алгоритма счисления пути 24
1.7 Сравнительная характеристика методов повышения точности
автономных персональных информационно-измерительных систем 28
ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ...32
Глава 2. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВ НАКЛОНА БЛОКА ДАТЧИКОВ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ПЛОСКОСТИ ГОРИЗОНТА БЕЗ НАКОПЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ
ИЗМЕРЕНИЯ 34
2.1 Постановка задачи 34
2.2 Обзор датчиков расстояния (дальномеров) 35
2.3 Построение схемы дополнительной системы угловой ориентации с
дальномерами 37
2.4 Построение математической модели расстояния до опорной
горизонтальной поверхности 41
2.5 Построение алгоритма определения опорных углов наклона блока
датчиков первичной информации относительно опорной горизонтальной поверхности для произвольного числа дальномеров 44
2.6 Получение аналитических выражений опорных углов наклона блока
датчиков первичной информации с использованием показаний трех и четырех дальномеров 49
2.7 Построение математической модели расстояния до опорной поверхности,
плоскость которой имеет уклон по отношению к плоскости горизонта 56
2.8 Построение алгоритма определения углов уклона опорной поверхности
относительно плоскости горизонта 60
2.9 Построение алгоритма определения углов наклона блока датчиков
первичной информации относительно плоскости горизонта 64
ВЫВОДЫ 68
Глава 3. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВ НАКЛОНА БЛОКА ДАТЧИКОВ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 70
3.1 Постановка задачи 70
3.2 Получение аналитической зависимости расстояния, измеряемого
дальномерами, от погрешностей его установки на блоке датчиков первичной информации 72
3.3 Получение уравнений чувствительности погрешностей определения
опорных углов наклона к погрешностям установки дальномеров на блоке датчиков первичной информации 75
3.4 Проведение факторного эксперимента в пространстве конструктивных параметров установки дальномеров на блоке датчиков первичной информации. 83
3.5 Разработка рекомендаций по дальнейшей алгоритмической компенсации
возможных инструментальных погрешностей системы 91
ВЫВОДЫ 99
Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РАБОТЫ АВТОНОМНОЙ ПЕРСОНАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НАЗЕМНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ 100
4.1 Постановка задачи 100
4.2 Разработка схемы комплексной системы угловой ориентации 100
4.3 Разработка алгоритма обнуления выходов интеграторов 103
4.4 Разработка алгоритма коррекции путевой скорости подвижного объекта
на приоритетных направлениях 105
ВЫВОДЫ 110
Глава 5. ОЦЕНКА РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ
ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ НА ИМИТАЦИОННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 111
5.1 Постановка задачи 111
5.2 Построение модели движения наземного подвижного объекта с блоком
датчиков первичной информации 111
5.3 Построение модели персональной информационно-измерительной
системы 132
5.4 Представление результатов оценки точности определения координат
местоположения подвижного объекта с помощью автономной персональной информационно-измерительной системы 137
ВЫВОДЫ 143
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 145
Приложения 153
Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ АВТОНОМНЫХ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НАЗЕМНОГО
ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ 13
1.1 Анализ требований и особенностей построения автономных
персональных информационно-измерительных систем наземного
позиционирования 13
1.2 Классификация методов повышения точности автономных
персональных информационно-измерительных систем наземного
позиционирования 15
1.3 Методы компенсации систематических погрешностей датчиков
первичной информации 16
1.4 Методы компенсации случайных погрешностей датчиков первичной
информации 17
1.5 Методы комплексирования 18
1.6 Методы повышения точности алгоритма счисления пути 24
1.7 Сравнительная характеристика методов повышения точности
автономных персональных информационно-измерительных систем 28
ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ...32
Глава 2. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВ НАКЛОНА БЛОКА ДАТЧИКОВ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ПЛОСКОСТИ ГОРИЗОНТА БЕЗ НАКОПЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ
ИЗМЕРЕНИЯ 34
2.1 Постановка задачи 34
2.2 Обзор датчиков расстояния (дальномеров) 35
2.3 Построение схемы дополнительной системы угловой ориентации с
дальномерами 37
2.4 Построение математической модели расстояния до опорной
горизонтальной поверхности 41
2.5 Построение алгоритма определения опорных углов наклона блока
датчиков первичной информации относительно опорной горизонтальной поверхности для произвольного числа дальномеров 44
2.6 Получение аналитических выражений опорных углов наклона блока
датчиков первичной информации с использованием показаний трех и четырех дальномеров 49
2.7 Построение математической модели расстояния до опорной поверхности,
плоскость которой имеет уклон по отношению к плоскости горизонта 56
2.8 Построение алгоритма определения углов уклона опорной поверхности
относительно плоскости горизонта 60
2.9 Построение алгоритма определения углов наклона блока датчиков
первичной информации относительно плоскости горизонта 64
ВЫВОДЫ 68
Глава 3. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВ НАКЛОНА БЛОКА ДАТЧИКОВ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 70
3.1 Постановка задачи 70
3.2 Получение аналитической зависимости расстояния, измеряемого
дальномерами, от погрешностей его установки на блоке датчиков первичной информации 72
3.3 Получение уравнений чувствительности погрешностей определения
опорных углов наклона к погрешностям установки дальномеров на блоке датчиков первичной информации 75
3.4 Проведение факторного эксперимента в пространстве конструктивных параметров установки дальномеров на блоке датчиков первичной информации. 83
3.5 Разработка рекомендаций по дальнейшей алгоритмической компенсации
возможных инструментальных погрешностей системы 91
ВЫВОДЫ 99
Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РАБОТЫ АВТОНОМНОЙ ПЕРСОНАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НАЗЕМНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ 100
4.1 Постановка задачи 100
4.2 Разработка схемы комплексной системы угловой ориентации 100
4.3 Разработка алгоритма обнуления выходов интеграторов 103
4.4 Разработка алгоритма коррекции путевой скорости подвижного объекта
на приоритетных направлениях 105
ВЫВОДЫ 110
Глава 5. ОЦЕНКА РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ
ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ НА ИМИТАЦИОННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 111
5.1 Постановка задачи 111
5.2 Построение модели движения наземного подвижного объекта с блоком
датчиков первичной информации 111
5.3 Построение модели персональной информационно-измерительной
системы 132
5.4 Представление результатов оценки точности определения координат
местоположения подвижного объекта с помощью автономной персональной информационно-измерительной системы 137
ВЫВОДЫ 143
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 145
Приложения 153
Актуальность темы исследования. В связи с ростом потребностей в обеспечении высокой точности определения местоположения наземных подвижных объектов широкое распространение получают комплексные информационно-измерительные системы (ИИС), построенные на базе бесплатформенных инерциальных систем и спутниковой радионавигации. Особое место среди таких систем занимают пешеходные навигационные системы, применяемые для наземного позиционирования подвижного объекта (человека, служебной собаки или робота) при выполнении спасательных или других оперативных работ в зданиях с разветвленной коридорной сетью.
Для решения данных задач возникает потребность в автономной персональной ИИС, которая обеспечивала бы требуемую точность определения местоположения в условиях наличия прерываний в сигналах спутниковой навигации, их неудовлетворительного качества или полного отсутствия. Возможность построения автономной персональной ИИС зависит от габаритов, энергопотребления и стоимости инерциальных датчиков первичной информации (ДПИ) - акселерометров и датчиков угловых скоростей. Требованиям минимальных габаритов, энергопотребления и стоимости удовлетворяют чаще всего современные микроэлектромеханические (МЭМС) датчики. Однако, этим датчикам свойственны такие погрешности, как шум и значительный дрейф нуля, которые, не будучи скомпенсированными, приводят к росту погрешностей определения ориентации и местоположения. Несмотря на появление на рынке дешевых инерциальных датчиков, точность решения навигационной задачи остается низкой, особенно при длительном применении (порядка десятков минут).
Задача повышения точности автономных персональных ИИС определения местоположения наземных подвижных объектов (ПО), ориентированных на применение МЭМС-датчиков, остается на современном этапе их развития весьма актуальной.
Степень разработанности темы. Задача разработки автономных персональных ИИС решается на основе классических методов проектирования БИНС, широко представленных в работах отечественных и зарубежных авторов (А.Ю. Ишлинский, Д.С. Пельпор, Ю.Н. Осокин, Е.Р. Рахтиенко, П.В. Бромберг, В.Я. Распопов, В.В. Матвеев, Шаймарданов И.Х., Дзуев А.А., W. Li, E. Foxlin и др.).
Решением задач в области инерциальной навигации занимаются ведущие предприятия Российской Федерации, такие как АО «Инерциальные технологии «Технокомплекса» (г. Раменское), ОАО «АНН! «ТЕМП-АВИА» (г. Арзамас), ФГУП «Научно-производственное объединение автоматики им. академика Н.А. Семихатова» (г. Екатеринбург), ОАО «Радиоавионика» (г. Санкт-1етербург), «Концерн «Центральный научно-исследовательский институт «Электроприбор» (г. Санкт-Петербург) и другие, а также ряд зарубежных фирм, прежде всего Honeywell (США) и Inertial Elements (Индия).
Подходы, возможные для применения при построении пешеходных навигационных систем, изложены в работах как отечественных научных школ: ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Сибирский федеральный университет (г. Красноярск), Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (Москва), Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского, так и зарубежных: Научный исламский университет Малайзии, г. Бандар Бару Нилаи (Малайзия), Геопространственный институт Университета Ноттингема (Великобритания), 26-й институт Китайской
корпорации электронных технологий (Китай), Юго-восточный университет (Китай), Технический университет Тампере (Финляндия).
Несмотря на значительные достижения в области разработки, проектирования и исследования автономных персональных ИИС, такие системы, как правило, нуждаются в коррекции определения позиционных координат с помощью использования более точных ДПИ, а также с помощью внешних и внутренних источников коррекции. Основным из внешних источников коррекции является ГНСС, применение которой внутри зданий или в условиях плотной городской застройки невозможно в связи с искажением и периодическим отсутствием сигналов спутниковых радионавигационных систем. Поэтому при использовании инерциальной ИИС в этих условиях необходим дополнительный источник коррекции без накопления погрешностей с течением времени, входящий в состав самой ИИС.
Объектом исследования является автономная персональная ИИС определения местоположения наземного ПО в некотором пространстве, недоступном для применения средств спутниковой навигационной системы.
Предмет исследования - способы, модели и алгоритмы компенсации накапливающейся со временем погрешности в определении угловой ориентации блока ДПИ, а также в определении местоположения наземного ПО с помощью малогабаритных автономных персональных ИИС.
Целью работы является повышение точности определения местоположения наземного ПО с помощью автономной персональной ИИС за счет компенсации накапливающейся со временем погрешности в определении угловой ориентации блока ДПИ, закрепленного на ПО.
Научная задача исследования заключается в научно-обоснованной технической разработке автономной персональной ИИС наземного позиционирования с коррекцией углов наклона по опорной поверхности.
Решение поставленной задачи научного исследования проводится по следующим основным направлениям:
- аналитический обзор состояния методов повышения точности автономных персональных ИИС наземного позиционирования;
- разработка способа определения углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта без накопления погрешности измерения;
- оценка погрешностей определения углов наклона блока ДПИ относительно опорной поверхности;
- разработка методов повышения точности работы автономной персональной ИИС наземного позиционирования;
- оценка разработанных методов повышения точности определения местоположения на имитационной математической модели ИИС.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач применялись основные положения теоретической механики, теории погрешностей технических измерений, методы статистической обработки и оптимальной фильтрации экспериментальных данных, методы проективной геометрии, методы анализа и синтеза измерительных каналов, методы экспериментального исследования и оценки эффективности ИИС, методы математического моделирования. Полученные результаты базируются на применении основных положений общей теории БИНС и теории построения комплексных навигационных систем.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1) Разработан новый способ и алгоритм определения углов наклона блока ДПИ относительно как опорной плоскости, так и плоскости горизонта, новизна которых заключается в компенсации накапливающейся с течением времени погрешности в определении этих углов посредством установки на блоке ДПИ нескольких дальномерных датчиков. Научная новизна подтверждена патентом РФ №2646941.
2) Разработано новое устройство определения углов наклона блока ДПИ относительно как опорной плоскости, так и плоскости горизонта, новизна которого заключается в компенсации накапливающейся с течением времени погрешности в определении угловой ориентации блока ДПИ за счет применения схемы комплексирования инерциальной и дальномерной систем угловой ориентации (СУО). Научная новизна подтверждена патентом РФ №2649026.
3) Разработана имитационная математическая модель автономной персональной ИИС, позволяющая:
- исследовать работу системы в процессе моделирования движения блока ДПИ с заданными изменениями его линейных и угловых координат во времени;
- оценить точность определения местоположения ПО при подаче на вход модели ИИС информации, полученной с реальных датчиков в ходе выполнения натурного эксперимента.
Практическая ценность работы:
1) Разработан способ, который позволяет определять углы наклона блока ДПИ на основе информации, полученной посредством лучевого сканирования опорной поверхности, что обеспечивает возможность обнуления накапливающихся погрешностей измерений углов крена и тангажа блока ДПИ.
2) Получены формулы определения углов наклона блока ДПИ, позволяющие выполнить калибровку дальномерной СУО в лабораторных условиях методами математического планирования эксперимента с применением соответствующего контрольно-измерительного оборудования и алгоритмически скомпенсировать возможные инструментальные погрешности системы.
3) Построена имитационная математическая модель автономной персональной ИИС, позволяющая решать задачи, связанные с проектированием ИИС.
Положения, выносимые на защиту:
1) Научно-обоснованная техническая разработка автономной персональной ИИС наземного позиционирования с коррекцией углов наклона по опорной поверхности за счет улучшения ее технических характеристик и расширения эксплуатационных возможностей (п. 1 паспорта специальности 05.11.16).
2) Новый способ и алгоритм определения углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта (п. 6 паспорта специальности 05.11.16).
3) Новое устройство определения углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта с применением комплексирования инерциальной и дальномерной СУО, позволяющее повысить точность инерциальной ИИС (п. 6 паспорта специальности 05.11.16).
4) Имитационная математическая модель автономной персональной ИИС, которая позволяет задавать программу движения ПО и блока ДПИ, формировать текущие значения угловых и линейных параметров движения объекта, производить оценку точности работы ИИС при различных режимах (п. 5 паспорта специальности 05.11.16).
Степень достоверности результатов определяется:
- применением адекватных математических моделей и использованием современных методов анализа информационно-измерительных систем;
- использованием для построения алгоритмов данных об изменении кинематических параметров движения ПО, полученных экспериментально;
- результатами оценки эффективности применения разработанной системы современными методами математического моделирования;
- опытом реализации и внедрения полученных научно-технических результатов.
Реализация и внедрение результатов работы. Полученные научно-технические результаты внедрены и использованы в ООО Специальное Конструкторское Бюро «Новые Технологии» (г. Казань) в виде способа и устройства определения углов наклона блока инерциальных измерителей комплексной системы угловой ориентации относительно плоскости горизонта. Имитационная математическая модель навигационной системы прошла испытания и подтвердила свою работоспособность. Результаты внедрения подтверждены соответствующим актом.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (г. Казань, 2015, 2017 гг.), на Внутривузовской молодежной научной конференции «Иностранный язык как средство профессиональной коммуникации» (г. Казань, 2016 г.), на международной молодёжной научной конференции «Гагаринские чтения-2017» (г. Москва, 2017 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них две статьи в журналах, включенных в актуальный Перечень ВАК по специальности 05.11.16, два патента РФ на изобретение, три публикации в сборниках трудов и тезисов докладов на международных конференциях.
Личный вклад автора заключается в научно-техническом обосновании разработки автономной персональной ИИС наземного позиционирования с коррекцией углов наклона по опорной поверхности; в разработке новых способа и алгоритма определения углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта; в разработке нового устройства определения углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта с применением комплексирования инерциальной и дальномерной систем угловой ориентации; в разработке математической модели движения автономной персональной ИИС, в апробации, опубликовании и внедрении результатов исследования. Все теоретические и экспериментальные результаты получены автором лично, либо при его определяющем участии. Публикации, отражающие основные результаты диссертации, написаны автором лично. Патенты разработаны совместно с научным руководителем.
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы (в приборостроении)» по пунктам:
1) «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных .. систем, .. повышение эффективности существующих систем» (разработаны принципы построения автономной персональной ИИС наземного позиционирования с коррекцией углов наклона по опорной поверхности) - п.1 паспорта специальности 05.11.16.
2) «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых .. образцов информационно-измерительных .. систем, улучшение их технических, эксплуатационных ... характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений» (разработаны новые способ и алгоритм определения углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта) - п.6 паспорта специальности 05.11.16.
3) «Методы анализа технического состояния, диагностики и идентификации информационно-измерительных ... систем» (разработана имитационная математическая модель для оценки точности работы ИИС) - п.5 паспорта специальности 05.11.16.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 74 наименования, и пяти приложений. Работа без приложений изложена на 152 страницах, включая 42 рисунка и 9 таблиц.
Для решения данных задач возникает потребность в автономной персональной ИИС, которая обеспечивала бы требуемую точность определения местоположения в условиях наличия прерываний в сигналах спутниковой навигации, их неудовлетворительного качества или полного отсутствия. Возможность построения автономной персональной ИИС зависит от габаритов, энергопотребления и стоимости инерциальных датчиков первичной информации (ДПИ) - акселерометров и датчиков угловых скоростей. Требованиям минимальных габаритов, энергопотребления и стоимости удовлетворяют чаще всего современные микроэлектромеханические (МЭМС) датчики. Однако, этим датчикам свойственны такие погрешности, как шум и значительный дрейф нуля, которые, не будучи скомпенсированными, приводят к росту погрешностей определения ориентации и местоположения. Несмотря на появление на рынке дешевых инерциальных датчиков, точность решения навигационной задачи остается низкой, особенно при длительном применении (порядка десятков минут).
Задача повышения точности автономных персональных ИИС определения местоположения наземных подвижных объектов (ПО), ориентированных на применение МЭМС-датчиков, остается на современном этапе их развития весьма актуальной.
Степень разработанности темы. Задача разработки автономных персональных ИИС решается на основе классических методов проектирования БИНС, широко представленных в работах отечественных и зарубежных авторов (А.Ю. Ишлинский, Д.С. Пельпор, Ю.Н. Осокин, Е.Р. Рахтиенко, П.В. Бромберг, В.Я. Распопов, В.В. Матвеев, Шаймарданов И.Х., Дзуев А.А., W. Li, E. Foxlin и др.).
Решением задач в области инерциальной навигации занимаются ведущие предприятия Российской Федерации, такие как АО «Инерциальные технологии «Технокомплекса» (г. Раменское), ОАО «АНН! «ТЕМП-АВИА» (г. Арзамас), ФГУП «Научно-производственное объединение автоматики им. академика Н.А. Семихатова» (г. Екатеринбург), ОАО «Радиоавионика» (г. Санкт-1етербург), «Концерн «Центральный научно-исследовательский институт «Электроприбор» (г. Санкт-Петербург) и другие, а также ряд зарубежных фирм, прежде всего Honeywell (США) и Inertial Elements (Индия).
Подходы, возможные для применения при построении пешеходных навигационных систем, изложены в работах как отечественных научных школ: ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Сибирский федеральный университет (г. Красноярск), Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (Москва), Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского, так и зарубежных: Научный исламский университет Малайзии, г. Бандар Бару Нилаи (Малайзия), Геопространственный институт Университета Ноттингема (Великобритания), 26-й институт Китайской
корпорации электронных технологий (Китай), Юго-восточный университет (Китай), Технический университет Тампере (Финляндия).
Несмотря на значительные достижения в области разработки, проектирования и исследования автономных персональных ИИС, такие системы, как правило, нуждаются в коррекции определения позиционных координат с помощью использования более точных ДПИ, а также с помощью внешних и внутренних источников коррекции. Основным из внешних источников коррекции является ГНСС, применение которой внутри зданий или в условиях плотной городской застройки невозможно в связи с искажением и периодическим отсутствием сигналов спутниковых радионавигационных систем. Поэтому при использовании инерциальной ИИС в этих условиях необходим дополнительный источник коррекции без накопления погрешностей с течением времени, входящий в состав самой ИИС.
Объектом исследования является автономная персональная ИИС определения местоположения наземного ПО в некотором пространстве, недоступном для применения средств спутниковой навигационной системы.
Предмет исследования - способы, модели и алгоритмы компенсации накапливающейся со временем погрешности в определении угловой ориентации блока ДПИ, а также в определении местоположения наземного ПО с помощью малогабаритных автономных персональных ИИС.
Целью работы является повышение точности определения местоположения наземного ПО с помощью автономной персональной ИИС за счет компенсации накапливающейся со временем погрешности в определении угловой ориентации блока ДПИ, закрепленного на ПО.
Научная задача исследования заключается в научно-обоснованной технической разработке автономной персональной ИИС наземного позиционирования с коррекцией углов наклона по опорной поверхности.
Решение поставленной задачи научного исследования проводится по следующим основным направлениям:
- аналитический обзор состояния методов повышения точности автономных персональных ИИС наземного позиционирования;
- разработка способа определения углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта без накопления погрешности измерения;
- оценка погрешностей определения углов наклона блока ДПИ относительно опорной поверхности;
- разработка методов повышения точности работы автономной персональной ИИС наземного позиционирования;
- оценка разработанных методов повышения точности определения местоположения на имитационной математической модели ИИС.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач применялись основные положения теоретической механики, теории погрешностей технических измерений, методы статистической обработки и оптимальной фильтрации экспериментальных данных, методы проективной геометрии, методы анализа и синтеза измерительных каналов, методы экспериментального исследования и оценки эффективности ИИС, методы математического моделирования. Полученные результаты базируются на применении основных положений общей теории БИНС и теории построения комплексных навигационных систем.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1) Разработан новый способ и алгоритм определения углов наклона блока ДПИ относительно как опорной плоскости, так и плоскости горизонта, новизна которых заключается в компенсации накапливающейся с течением времени погрешности в определении этих углов посредством установки на блоке ДПИ нескольких дальномерных датчиков. Научная новизна подтверждена патентом РФ №2646941.
2) Разработано новое устройство определения углов наклона блока ДПИ относительно как опорной плоскости, так и плоскости горизонта, новизна которого заключается в компенсации накапливающейся с течением времени погрешности в определении угловой ориентации блока ДПИ за счет применения схемы комплексирования инерциальной и дальномерной систем угловой ориентации (СУО). Научная новизна подтверждена патентом РФ №2649026.
3) Разработана имитационная математическая модель автономной персональной ИИС, позволяющая:
- исследовать работу системы в процессе моделирования движения блока ДПИ с заданными изменениями его линейных и угловых координат во времени;
- оценить точность определения местоположения ПО при подаче на вход модели ИИС информации, полученной с реальных датчиков в ходе выполнения натурного эксперимента.
Практическая ценность работы:
1) Разработан способ, который позволяет определять углы наклона блока ДПИ на основе информации, полученной посредством лучевого сканирования опорной поверхности, что обеспечивает возможность обнуления накапливающихся погрешностей измерений углов крена и тангажа блока ДПИ.
2) Получены формулы определения углов наклона блока ДПИ, позволяющие выполнить калибровку дальномерной СУО в лабораторных условиях методами математического планирования эксперимента с применением соответствующего контрольно-измерительного оборудования и алгоритмически скомпенсировать возможные инструментальные погрешности системы.
3) Построена имитационная математическая модель автономной персональной ИИС, позволяющая решать задачи, связанные с проектированием ИИС.
Положения, выносимые на защиту:
1) Научно-обоснованная техническая разработка автономной персональной ИИС наземного позиционирования с коррекцией углов наклона по опорной поверхности за счет улучшения ее технических характеристик и расширения эксплуатационных возможностей (п. 1 паспорта специальности 05.11.16).
2) Новый способ и алгоритм определения углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта (п. 6 паспорта специальности 05.11.16).
3) Новое устройство определения углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта с применением комплексирования инерциальной и дальномерной СУО, позволяющее повысить точность инерциальной ИИС (п. 6 паспорта специальности 05.11.16).
4) Имитационная математическая модель автономной персональной ИИС, которая позволяет задавать программу движения ПО и блока ДПИ, формировать текущие значения угловых и линейных параметров движения объекта, производить оценку точности работы ИИС при различных режимах (п. 5 паспорта специальности 05.11.16).
Степень достоверности результатов определяется:
- применением адекватных математических моделей и использованием современных методов анализа информационно-измерительных систем;
- использованием для построения алгоритмов данных об изменении кинематических параметров движения ПО, полученных экспериментально;
- результатами оценки эффективности применения разработанной системы современными методами математического моделирования;
- опытом реализации и внедрения полученных научно-технических результатов.
Реализация и внедрение результатов работы. Полученные научно-технические результаты внедрены и использованы в ООО Специальное Конструкторское Бюро «Новые Технологии» (г. Казань) в виде способа и устройства определения углов наклона блока инерциальных измерителей комплексной системы угловой ориентации относительно плоскости горизонта. Имитационная математическая модель навигационной системы прошла испытания и подтвердила свою работоспособность. Результаты внедрения подтверждены соответствующим актом.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (г. Казань, 2015, 2017 гг.), на Внутривузовской молодежной научной конференции «Иностранный язык как средство профессиональной коммуникации» (г. Казань, 2016 г.), на международной молодёжной научной конференции «Гагаринские чтения-2017» (г. Москва, 2017 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них две статьи в журналах, включенных в актуальный Перечень ВАК по специальности 05.11.16, два патента РФ на изобретение, три публикации в сборниках трудов и тезисов докладов на международных конференциях.
Личный вклад автора заключается в научно-техническом обосновании разработки автономной персональной ИИС наземного позиционирования с коррекцией углов наклона по опорной поверхности; в разработке новых способа и алгоритма определения углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта; в разработке нового устройства определения углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта с применением комплексирования инерциальной и дальномерной систем угловой ориентации; в разработке математической модели движения автономной персональной ИИС, в апробации, опубликовании и внедрении результатов исследования. Все теоретические и экспериментальные результаты получены автором лично, либо при его определяющем участии. Публикации, отражающие основные результаты диссертации, написаны автором лично. Патенты разработаны совместно с научным руководителем.
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы (в приборостроении)» по пунктам:
1) «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных .. систем, .. повышение эффективности существующих систем» (разработаны принципы построения автономной персональной ИИС наземного позиционирования с коррекцией углов наклона по опорной поверхности) - п.1 паспорта специальности 05.11.16.
2) «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых .. образцов информационно-измерительных .. систем, улучшение их технических, эксплуатационных ... характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений» (разработаны новые способ и алгоритм определения углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта) - п.6 паспорта специальности 05.11.16.
3) «Методы анализа технического состояния, диагностики и идентификации информационно-измерительных ... систем» (разработана имитационная математическая модель для оценки точности работы ИИС) - п.5 паспорта специальности 05.11.16.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 74 наименования, и пяти приложений. Работа без приложений изложена на 152 страницах, включая 42 рисунка и 9 таблиц.
1. Выполнена научно-обоснованная техническая разработка автономной персональной ИИС наземного позиционирования, в которой обеспечено улучшение технических характеристик системы посредством существенного уменьшения погрешности определения местоположения за счет введения дополнительной СУО, использующей неинерциальный принцип измерения, а также расширение эксплуатационных возможностей системы за счет ее универсальности, полной автономности и помехозащищенности.
2. Разработан новый способ и алгоритм определения углов наклона блока ДПИ без накопления погрешности с течением времени относительно как опорной плоскости, так и плоскости горизонта, что позволяет расширить эксплуатационные возможности инерциальной ИИС, увеличив временной диапазон ее использования.
3. Разработано новое устройство определения углов наклона блока ДПИ относительно как опорной плоскости, так и плоскости горизонта с применением комплексирования инерциальной и дальномерной СУО, позволяющее на порядок уменьшить погрешность вычисления углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта.
4. Разработана имитационная математическая модель персональной ИИС, позволяющая задавать программу движения ПО, формировать текущие значения угловых и линейных параметров движения объекта, формировать интервальные оценки точности работы ИИС при различных режимах.
5. Результаты диссертационной работы внедрены в ООО СКБ «Новые Технологии» (г. Казань) в виде способа и устройства определения углов наклона блока инерциальных измерителей комплексной системы угловой ориентации относительно плоскости горизонта. Результаты внедрения подтверждены соответствующим актом (приложение Д). Имитационная математическая модель навигационной системы прошла испытания и подтвердила свою работоспособность. Новизна и полезность технических решений подтверждены двумя патентами РФ на изобретение.
2. Разработан новый способ и алгоритм определения углов наклона блока ДПИ без накопления погрешности с течением времени относительно как опорной плоскости, так и плоскости горизонта, что позволяет расширить эксплуатационные возможности инерциальной ИИС, увеличив временной диапазон ее использования.
3. Разработано новое устройство определения углов наклона блока ДПИ относительно как опорной плоскости, так и плоскости горизонта с применением комплексирования инерциальной и дальномерной СУО, позволяющее на порядок уменьшить погрешность вычисления углов наклона блока ДПИ относительно плоскости горизонта.
4. Разработана имитационная математическая модель персональной ИИС, позволяющая задавать программу движения ПО, формировать текущие значения угловых и линейных параметров движения объекта, формировать интервальные оценки точности работы ИИС при различных режимах.
5. Результаты диссертационной работы внедрены в ООО СКБ «Новые Технологии» (г. Казань) в виде способа и устройства определения углов наклона блока инерциальных измерителей комплексной системы угловой ориентации относительно плоскости горизонта. Результаты внедрения подтверждены соответствующим актом (приложение Д). Имитационная математическая модель навигационной системы прошла испытания и подтвердила свою работоспособность. Новизна и полезность технических решений подтверждены двумя патентами РФ на изобретение.
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
Каталог работ (152639)
- Бакалаврская работа (38877)
- Диссертация (978)
- Магистерская диссертация (22513)
- Дипломные работы, ВКР (62314)
- Главы к дипломным работам (2139)
- Курсовые работы (10703)
- Контрольные работы (6269)
- Отчеты по практике (1357)
- Рефераты (1488)
- Задачи, тесты, ПТК (631)
- Ответы на вопросы (155)
- Статьи, Эссе, Сочинения (942)
- Бизнес-планы (51)
- Презентации (106)
- РГР (84)
- Авторефераты (РГБ) (1692)
- Диссертации (РГБ) (1882)
- Прочее (458)
Новости
06.01.2018
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь в выполнении учебных и научных работ на заказ ОФОРМИТЬ ЗАКАЗ
дальше»» Все новости
Статьи
- Где лучше заказывать диссертации и дипломные?
- Выполнение научных статей
- Подготовка диссертаций
- Подводные камни при написании магистерской работы
- Помощь в выполнении дипломных работ
»» Все статьи
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
