Разработка простого прототипа двухосевой системы стабилизации
|
Реферат 1
1. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ 7
1.1 Формальная постановка задачи 7
1.2. Построение математической модели 11
1.2.1 Введение 11
1.2.2 Ортогональная система стабилизации с инерциальной обратной связью 14
1.2.3 Многовходовая система стабилизации с сервоприводом: 16
1.3. Фильтрация навигационных данных 19
1.3.1 Введение 19
1.3.2 Фильтр Калмана 23
1.3.3 Комплементарный фильтр "алфа-бета" 30
1.3.4 Фильтр "скользящая средняя" 33
1.3.5: Выводы 34
2. Практическая часть 35
2.1. Введение 35
2.2 Сервоприводы системы стабилизации: 35
2.3 Управляющий контроллер 36
2.3.1 Модуль RCC 37
2.3.2 Модуль NVIC 39
2.3.3 Модуль UART 39
2.3.4. Контроллер прямого доступа к памяти: DMA 41
3. Заключение 44
4. Список источников информации
1. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ 7
1.1 Формальная постановка задачи 7
1.2. Построение математической модели 11
1.2.1 Введение 11
1.2.2 Ортогональная система стабилизации с инерциальной обратной связью 14
1.2.3 Многовходовая система стабилизации с сервоприводом: 16
1.3. Фильтрация навигационных данных 19
1.3.1 Введение 19
1.3.2 Фильтр Калмана 23
1.3.3 Комплементарный фильтр "алфа-бета" 30
1.3.4 Фильтр "скользящая средняя" 33
1.3.5: Выводы 34
2. Практическая часть 35
2.1. Введение 35
2.2 Сервоприводы системы стабилизации: 35
2.3 Управляющий контроллер 36
2.3.1 Модуль RCC 37
2.3.2 Модуль NVIC 39
2.3.3 Модуль UART 39
2.3.4. Контроллер прямого доступа к памяти: DMA 41
3. Заключение 44
4. Список источников информации
Работа содержит теоретические и практические сведения, необходимые для создания двухосевой системы автоматической стабилизации положения исполнительных устройств мобильных платформ (далее "система стабилизации"). Актуальность работы связана в первую очередь с широким кругом приложений, в которых данная система стабилизации может быть использована: от стабилизации положения видеокамер, авторегистраторов и других устройств гражданской сферы, до высокотехнологичных военных приложений, таких как стабилизация положения артиллерийских орудий, пулемётов, башен и стволов танков и пр. [1,2]
В настоящее время всё большую популярность набирают гражданские приложения систем автоматической стабилизации, такие, например, как системы видеонаблюдения и видеорегистрации. [3] В связи с этим можно сделать вывод, что актуальность работы в гражданских приложениях в будущем будет расти.
Актуальность работы в военных приложениях связана с возможностью автоматизации процесса наведения орудий на цель и тем самым минимизации ошибки оператора.
Стоит также отметить, что в работе использованы передовые и современные технологии, такие например как контроллеры с "ARM"-ядром, популярность и темпы роста продаж которых также увеличиваются [4]. Поэтому работа также актуальна как руководство по работе с данной технологией.
Объект и предмет исследования.
Объектом исследования дипломной работы является устройство двухосевой системы стабилизации . Предметами исследования являются исполнительные устройства и управляющие ими сигналы, управляющие контроллеры, их особенности и программирование, датчики инерциальной навигации и их особенности, влияние места их установки в устройстве на математическую модель системы стабилизации и их программирование, протоколы обмена информацией в промышленной электронике, составление и изучение математической модели дискретной системы стабилизации.
Цель и задачи дипломной работы
Целью дипломной работы является создание простого в обращении, недорогого прототипа двухосевой системы стабилизации.
В рамках дипломной работы рассматривается и решается следующий круг прикладных и теоретических задач:
1. Формальная постановка задачи. Определение компоновки системы стабилизации.
2. Анализ рынка управляющих контроллеров, выбор управляющего контроллера.
3. Анализ рынка приводов и двигателей, выбор двигателя, отвечающего требованиям прототипа.
4. Анализ рынка датчиков инерциальной навигации, их особенностей, выбор датчика.
5. Создание математической модели системы стабилизации, её анализ. Анализ влияния места установки датчиков инерциальной навигации на математическую модель системы стабилизации и сложность управляющей программы.
6. Анализ архитектуры управляющего контроллера, тестирование его периферийных модулей, написание процедур отладки. Разработка общей структуры управляющей программы. Создание периферийно-ориентированных управляющих процедур и прикладных протоколов обмена информации, написание и отладка программы.
Методы, используемые при написании дипломной работы.
При написании дипломной работы были прослушаны и изучены курсы "основы линейных непрерывных и дискретных систем автоматического управления" (преподаватель Котов Е.А.), "основы организации Э.В.М. и систем" (преподаватель Жук Д.М.), что позволило заложить качественную теоретическую основу для разрабатываемого устройства. Также был произведён анализ рынков соответствующих компонентов и материалов, благодаря чему был создан недорогой и простой прототип устройства. Была также изучена техническая документация на управляющий контроллер, системы-преобразователи протоколов передачи информации, датчики инерциальной навигации. Прочтены и изучены статьи отечественных и зарубежных авторов по соответствующей тематике, обобщён их опыт. Произведено интервьюирование отечественных и зарубежных специалистов в вопросах управляющих контроллеров с "ARM"-ядром. Прослушаны семинары производителей контроллеров (компания “ST-Microelectronics”, Москва 2014-й год).
Работа периферийных модулей отлаживалась сначала на простых задачах передачи данных , проводились опыты , выявлялись ошибки в работе модулей и несоответствия или неопределённости в технической документации ; и только отлаженные и проверенные периферийные модули включались в работу над проектом. Так, например, была выполнена настройка модулей: RCC(модуль перезагрузки и контроля частоты отдельных трактов системы), GPIO (модуль портов ввода-вывода общего назначения), UART4, UART5 (модули универсального асинхронного приёмопередатчика), DMA1 (модуль прямого доступа к памяти), TIM5 (модуль одного из таймеров общего назначения и каналы захвата-сравнения- ШИМ), Подмодуль синхронной шины передачи данных с поддержкой адресации и управлением передачей), FLASH (модуль работы со встроенной FLASH-памятью).
Научная новизна и практическая значимость выполненной работы.
В работе детально изучены теоретические и практические аспекты построения систем автоматической стабилизации, вопросы размещения элементов обратной связи и датчиков инерциальной навигации, а также влияние типа исполнительного устройства и места размещения датчиков инерциальной навигации и элементов обратной связи на математическую модель системы. Таким образом можно сделать вывод, что применение результатов работы в аналогичных разработках в будущем позволит улучшить качество аналогичных систем, уменьшить число ошибок при проектировании, сделать подобные системы качественнее, надёжнее.
Алгоритмы работы и процедуры управления и настройки периферийных модулей управляющего контроллера, созданные при работе над проектом могут быть применены в будущем в аналогичных разработках, а также в разработках никак не связанных с системами автоматической стабилизации, поскольку популярность и рынок контроллеров с "ARM"-ядром стремительно растёт, как уже указывалось выше. Применение энергоэффективных, недорогих, развивающихся и хорошо поддерживаемых контроллеров позволит долгое время удерживать темпы производства и спрос на устройство, в случае его коммерческого успеха, сделает систему более доступной широкому кругу потребителей.
Краткое описание структуры дипломной работы
Работа состоит из четырёх частей:
-Введение.
-Научно-исследовательская часть.
-Проектно-конструкторская часть.
-Заключение.
-Библиографический список.
-Приложения.
Во введении описывается круг рассматриваемых вопросов , оценивается актуальность и важность проделанной работы , её практическая значимость; описывается круг задач , которые необходимо решить для достижения цели работы (см. пункт "Цель и задачи дипломной работы"), коротко описываются методы и средства применяемые при решении поставленного круга задач.
В научно-исследовательской части производится формальная постановка задачи, строятся математические модели системы автоматической стабилизации для разных вариантов компоновки прототипа и оценивается их сложность. На основе простейшей математической модели вырабатывается список предварительных требований к прототипу. Производится описание проблем датчиков инерциальной навигации , анализируются и обобщаются пути их решения на основе анализа статей по соответствующей тематике: анализ фильтра Калмана, фильтра "альфа-бета" и фильтра "скользящее среднее". Описывается "ПИД"-управление в дискретных системах автоматической стабилизации , производится предварительная оценка сложности "ПИД"-алгоритма в рамках выполняемой работы. Производится описание устройства управляющего контроллера а также различных его периферийных модулей.
В проектно-конструкторской части производится описание процесса конфигурации каждого отдельного модуля используемого в дипломной работе. Также раскрывается устройство используемого в работе датчика инерциальной навигации, управляющих приводов, вспомогательных контроллеров-преобразователей и их программирование. Производится описание программной архитектуры системы в целом. Описываются материалы и методы, использованные при изготовлении прототипа.
В заключении производится оценка качества изготовленного прототипа , выдвигается набор рекомендаций по усовершенствованию , дальнейшей разработке и внедрению проекта.
Библиографический список представляет собой список статей, технических документов, экономических обзоров и прочих источников информации , задействованных при работе над проектом.
Приложение включает тексты программ и графические листы проекта.
В настоящее время всё большую популярность набирают гражданские приложения систем автоматической стабилизации, такие, например, как системы видеонаблюдения и видеорегистрации. [3] В связи с этим можно сделать вывод, что актуальность работы в гражданских приложениях в будущем будет расти.
Актуальность работы в военных приложениях связана с возможностью автоматизации процесса наведения орудий на цель и тем самым минимизации ошибки оператора.
Стоит также отметить, что в работе использованы передовые и современные технологии, такие например как контроллеры с "ARM"-ядром, популярность и темпы роста продаж которых также увеличиваются [4]. Поэтому работа также актуальна как руководство по работе с данной технологией.
Объект и предмет исследования.
Объектом исследования дипломной работы является устройство двухосевой системы стабилизации . Предметами исследования являются исполнительные устройства и управляющие ими сигналы, управляющие контроллеры, их особенности и программирование, датчики инерциальной навигации и их особенности, влияние места их установки в устройстве на математическую модель системы стабилизации и их программирование, протоколы обмена информацией в промышленной электронике, составление и изучение математической модели дискретной системы стабилизации.
Цель и задачи дипломной работы
Целью дипломной работы является создание простого в обращении, недорогого прототипа двухосевой системы стабилизации.
В рамках дипломной работы рассматривается и решается следующий круг прикладных и теоретических задач:
1. Формальная постановка задачи. Определение компоновки системы стабилизации.
2. Анализ рынка управляющих контроллеров, выбор управляющего контроллера.
3. Анализ рынка приводов и двигателей, выбор двигателя, отвечающего требованиям прототипа.
4. Анализ рынка датчиков инерциальной навигации, их особенностей, выбор датчика.
5. Создание математической модели системы стабилизации, её анализ. Анализ влияния места установки датчиков инерциальной навигации на математическую модель системы стабилизации и сложность управляющей программы.
6. Анализ архитектуры управляющего контроллера, тестирование его периферийных модулей, написание процедур отладки. Разработка общей структуры управляющей программы. Создание периферийно-ориентированных управляющих процедур и прикладных протоколов обмена информации, написание и отладка программы.
Методы, используемые при написании дипломной работы.
При написании дипломной работы были прослушаны и изучены курсы "основы линейных непрерывных и дискретных систем автоматического управления" (преподаватель Котов Е.А.), "основы организации Э.В.М. и систем" (преподаватель Жук Д.М.), что позволило заложить качественную теоретическую основу для разрабатываемого устройства. Также был произведён анализ рынков соответствующих компонентов и материалов, благодаря чему был создан недорогой и простой прототип устройства. Была также изучена техническая документация на управляющий контроллер, системы-преобразователи протоколов передачи информации, датчики инерциальной навигации. Прочтены и изучены статьи отечественных и зарубежных авторов по соответствующей тематике, обобщён их опыт. Произведено интервьюирование отечественных и зарубежных специалистов в вопросах управляющих контроллеров с "ARM"-ядром. Прослушаны семинары производителей контроллеров (компания “ST-Microelectronics”, Москва 2014-й год).
Работа периферийных модулей отлаживалась сначала на простых задачах передачи данных , проводились опыты , выявлялись ошибки в работе модулей и несоответствия или неопределённости в технической документации ; и только отлаженные и проверенные периферийные модули включались в работу над проектом. Так, например, была выполнена настройка модулей: RCC(модуль перезагрузки и контроля частоты отдельных трактов системы), GPIO (модуль портов ввода-вывода общего назначения), UART4, UART5 (модули универсального асинхронного приёмопередатчика), DMA1 (модуль прямого доступа к памяти), TIM5 (модуль одного из таймеров общего назначения и каналы захвата-сравнения- ШИМ), Подмодуль синхронной шины передачи данных с поддержкой адресации и управлением передачей), FLASH (модуль работы со встроенной FLASH-памятью).
Научная новизна и практическая значимость выполненной работы.
В работе детально изучены теоретические и практические аспекты построения систем автоматической стабилизации, вопросы размещения элементов обратной связи и датчиков инерциальной навигации, а также влияние типа исполнительного устройства и места размещения датчиков инерциальной навигации и элементов обратной связи на математическую модель системы. Таким образом можно сделать вывод, что применение результатов работы в аналогичных разработках в будущем позволит улучшить качество аналогичных систем, уменьшить число ошибок при проектировании, сделать подобные системы качественнее, надёжнее.
Алгоритмы работы и процедуры управления и настройки периферийных модулей управляющего контроллера, созданные при работе над проектом могут быть применены в будущем в аналогичных разработках, а также в разработках никак не связанных с системами автоматической стабилизации, поскольку популярность и рынок контроллеров с "ARM"-ядром стремительно растёт, как уже указывалось выше. Применение энергоэффективных, недорогих, развивающихся и хорошо поддерживаемых контроллеров позволит долгое время удерживать темпы производства и спрос на устройство, в случае его коммерческого успеха, сделает систему более доступной широкому кругу потребителей.
Краткое описание структуры дипломной работы
Работа состоит из четырёх частей:
-Введение.
-Научно-исследовательская часть.
-Проектно-конструкторская часть.
-Заключение.
-Библиографический список.
-Приложения.
Во введении описывается круг рассматриваемых вопросов , оценивается актуальность и важность проделанной работы , её практическая значимость; описывается круг задач , которые необходимо решить для достижения цели работы (см. пункт "Цель и задачи дипломной работы"), коротко описываются методы и средства применяемые при решении поставленного круга задач.
В научно-исследовательской части производится формальная постановка задачи, строятся математические модели системы автоматической стабилизации для разных вариантов компоновки прототипа и оценивается их сложность. На основе простейшей математической модели вырабатывается список предварительных требований к прототипу. Производится описание проблем датчиков инерциальной навигации , анализируются и обобщаются пути их решения на основе анализа статей по соответствующей тематике: анализ фильтра Калмана, фильтра "альфа-бета" и фильтра "скользящее среднее". Описывается "ПИД"-управление в дискретных системах автоматической стабилизации , производится предварительная оценка сложности "ПИД"-алгоритма в рамках выполняемой работы. Производится описание устройства управляющего контроллера а также различных его периферийных модулей.
В проектно-конструкторской части производится описание процесса конфигурации каждого отдельного модуля используемого в дипломной работе. Также раскрывается устройство используемого в работе датчика инерциальной навигации, управляющих приводов, вспомогательных контроллеров-преобразователей и их программирование. Производится описание программной архитектуры системы в целом. Описываются материалы и методы, использованные при изготовлении прототипа.
В заключении производится оценка качества изготовленного прототипа , выдвигается набор рекомендаций по усовершенствованию , дальнейшей разработке и внедрению проекта.
Библиографический список представляет собой список статей, технических документов, экономических обзоров и прочих источников информации , задействованных при работе над проектом.
Приложение включает тексты программ и графические листы проекта.
Результатом работы над дипломным проектом явился полнофункциональный прототип системы, демонстрирующий удовлетворительную работоспособность в широком спектре частот внешних воздействий. Была разработана математическая модель системы, позволяющая оценивать качество системы стабилизации и сложность управляющей программы. Также была проведена работа по сравнению качества и сложности различных линейных фильтров. Были реализованы программы управления периферийными устройствами контроллера, а также процедуры фильтрации входных данных от датчиков инерциальной навигации.