Совершенствование схем и алгоритмов предварительной обработки информации избыточных блоков инерциальных датчиков

гут быть использованы алгоритмы детерминированной и стохастической фильтрации, имеющие разную структуру, сложность, предполагающие разный объем предварительной калибровки (испытаний) датчиков и разную конфигурацию измерительного блока. При этом отсутствуют четкие критерии целесообразности использования каждого из алгоритмов для конкретного класса инерциальных датчиков. Вместе с тем, структура избыточного блока датчиков с системой обработки информации, имеющая, например, шесть входов (сигналы акселерометров или гироскопов) и три выхода (проекции вектора кажущегося ускорения или абсолютной угловой скорости на оси объектовой системы координат) указывает на возможность применения нейросетевых алгоритмов, теория которых бурно развивается в. последнее время. При этом задача идентификации отказов может трактоваться как задача распознавания образов. Изложенное определило актуальность и цель настоящей работы.

Целью диссертационной работы является повышение точности определения трех компонентов векторов кажущегося ускорения и абсолютной угловой скорости объекта по информации блоков однои двухкомпонентных инерциальных датчиков с помощью обоснованного выбора конфигурации, алгоритмов и программ первичной обработки информации избыточного блока датчиков для выполнения заданных требований по точности и надежности. Для достижения этой цели требуется решить следующие задачи:

1. Проанализировать различные конфигурации блоков однокомпонент-ных и двухкомпонентных инерциальных датчиков и выработать рекомендации по их количеству и ориентации осей в блоке при заданных требованиях к надежности и точности оценивания компонент измеряемого вектора;

2. Построить математические модели блоков однои двухкомпонентных датчиков и алгоритмы первичной обработки, основанные на методах стохастического оценивания и фильтрации;

3. Разработать нейросетевой алгоритм оценивания, исследовать влияние структуры нейронной сети, допустимой погрешности оценивания, вида функций активации на сходимость процесса обучения нейронной сети;

4. Провести сравнительный анализ алгоритмов обработки избыточной информации блоков инерциальных датчиков для формирования критериев по применению конкретных алгоритмов;

5. Создать программный комплекс и экспериментальную установку для численного и полунатурного моделирования работы избыточных измерительных блоков однокомпонентных и двухкомпонентных датчиков с компьютерной обработкой информации и провести исследования для выработки рекомендаций по применению алгоритмов для обработки информации конкретных блоков датчиков.

Для решения поставленных задач использовались методы стохастического оценивания и фильтрации, дискретной математики и математического моделирования, теория вероятностей и статистической обработка экспериментальных данных.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложена конфигурация блока четырех двухкомпонентных датчиков, обеспечивающая минимум ошибки определения измеряемого вектора как при всех исправных датчиках, так и при наличии отказов, и выполнение заданных требований по надежности измерительного блока;

2. Разработан нейросетевой. алгоритм оценивания трех компонент измеряемого вектора, определена структура нейронной сети, вид функции активации и условия обучаемости при заданных требованиях к точности оценивания;

3. Построен модифицированный алгоритм оценивания на основе фильтра Калмана, отличающийся пониженным порядком разностных уравнений фильтра;

4. Исследовано влияние спектра измерительных шумов и шумов динамического процесса датчиков, дисперсии элементов и нормы ковариационной матрицы ошибок датчиков на смещения и дисперсии ошибок оценивания компонентов вектора кажущегося ускорения, что позволило сформулировать рекомендации по алгоритмам обработки информации двухкомпонентных акселерометров типа АБХЬ-203 и однокомпонентных кварцевых акселерометров КХ67−041.

Практическая значимость результатов состоит в рекомендациях конфигураций избыточных блоков однои двухкомпонентных инерциальных датчиков, численных значений углов ориентации осей чувствительности, алгоритмов первичной обработки их информации, обеспечивающих выполнение заданных требований по надежности избыточного блока и точности оценивания трех компонентов измеряемых векторов кажущего ускорения и абсолютной угловой скорости. Работа выполнялась в рамках основного научного направления вуза 03 В. Полученные результаты использованы в НИР «Разработка теоретических основ, математических моделей и алгоритмов управления многозвенными манипуляторами космических систем по информации микромеханических датчиков», входящей в аналитическую ведомственную целевую программу «Развитие научного потенциала высшей школы на 2008;2009 годы».

Создан комплекс программ для моделирования работы и обработки экспериментальных данных избыточных измерительных блоков датчиков и алгоритмов обработки их информации с учетом погрешностей датчиков, шумов измерителей и наводок в виде детерминированных и случайных процессов с заданной спектральной характеристикой. Программный комплекс используется в учебном процессе кафедрой «Приборостроение» СГТУ при проведении практических занятий, дипломного проектирования и выполнении квалификационных работ по направлению 551 500. Материалы работы, относящиеся к схемам построения блоков однокомпонентных датчиков, использованы в работе филиала ФГУП «НПЦАП"-ПО КОРПУС» г. Саратов. Имеются соответствующие акты об использовании результатов исследования.

Основные положения и результаты работы докладывались на II Международной научной конференции «Аналитическая теория автоматического управления и её- приложения» (СГТУ, Саратов, 2005), VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (ТРГУ, Таганрог, 2006), Международной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (ИПТМУ РАН, Саратов, 2006), XIX, XX и XXI Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, Ярославль, Саратов, 2006;2008), Международной научно-практической конференции «Интернет и инновации» (Саратов, 2008), а также на научно-технических семинарах кафедр «Техническая кибернетика и информатика» и «Системы искусственного интеллекта» Саратовского государственного технического университета в 2005;2009 гг.

В первом разделе рассмотрены известные результаты по схемам построения избыточных блоков инерциальных датчиков, оптимизации взаимной ориентации их осей чувствительности, алгоритмам обработки избыточной информации. Проведенный анализ позволил сформулировать задачи исследования по выбору конфигурации блоков однои двухкомпонентных инерциальных датчиков, построению соответствующих математических моделей, обоснованию выбора алгоритмов оценивания компонентов измеряемого вектора.

Во втором разделе определяются матрицы направляющих косинусов углов ориентации осей чувствительности однокомпонентных и двухкомпонентных датчиков в блоках при условии выполнения заданных требований по надежности и точности оценивания трех компонентов векторов кажущегося ускорения и абсолютной угловой скорости.

В третьем разделе изучаются точностные характеристики различных алгоритмов оценивания компонентов вектора кажущегося ускорения по информации блоков четырех двухкомпонентных и шести однокомпонентных акселерометров. В качестве двухкомпонентных использовались микромеханические акселерометры (ММА) АГ) ХЬ-203, в качестве однокомпонентных — прецизионные кварцевые акселерометры КХ67−041.

В четвертом разделе для выработки критериев выбора алгоритмов предварительной обработки для конкретных блоков датчиков и исследования зависимостей погрешностей оценивания от уровня взаимной корреляции шумов и различных движений основания разработана программа моделирования работы избыточного измерительного блока и системы обработки информации. Разработанное программное обеспечение позволило провести математическое моделирование и экспериментальные исследования работы блоков четырех двухкомпо-нентных и шести однокомпонентных акселерометров с системой обработки избыточной информации. Исследовано влияние величины и дисперсии элементов ковариационной матрицы измерительных шумов, наличия и параметров шумов динамических процессов. Разработаны рекомендации по применению конкретных алгоритмов в зависимости от характеристик инерциальных измерителей.

Выводы.

1. Создано программное обеспечение, позволяющее проводить математическое моделирование и обработку экспериментальной информации избыточного блока датчиков произвольной конфигурации с возможностью задания различной ориентации осей чувствительности датчиков в блоке, детерминированных или случайных входных сигналов с заданной спектральной характеристикой, моделирования измерительных шумов и шумов динамических процессов с заданными статистическими характеристиками с помощью цифрового формирующего фильтра.

2. Проведены математическое моделирование и экспериментальные исследования работы блоков четырех двухкомпонентных микромеханических акселерометров АЛ) ХЬ-203 и шести однокомпонентных кварцевых акселерометров КХ67−041 с системой обработки избыточной информации, в которой реализованы пять различных алгоритмов оценивания.

3. Проведены исследования влияния величин и дисперсии элементов ковариационной матрицы измерительных шумов, наличия и параметров шумов динамических процессов на точность оценивания компонентов вектора линейного ускорения. Разработаны рекомендации по применению конкретных алгоритмов в зависимости от характеристик инерциальных измерителей и требований по снижению уровня случайных составляющих погрешностей оценивания компонентов вектора ускорения. I.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. При выборе оптимальной ориентации осей чувствительности датчиков относительно измерительных осей блока из 4, 5 или 6 датчиков, предпочтение отдается ориентации осей чувствительности по I классу, т. е. расположение осей чувствительности равномерно по образующим конуса с полууглом, а при вершине равным 54,74°, т. к. при II классе ориентации осей чувствительности датчиков (один из датчиков установлен по оси симметрии, а остальные равномерно по образующим конуса), при отказе центрального датчика точностные характеристики ухудшаются.

При изменении ориентации «конусов» относительно измерительных осей блока погрешности оценивания вектора не зависят, а погрешности оценок компонентов зависят от номеров отказавших датчиков и в этом смысле все ориентации «конуса» в блоке эквивалентны.

2. При построении блока на основе двухкомпонентных датчиков целесообразно использовать блок четырех датчиков, т.к. он обеспечивает аналогичное соотношение вероятности безотказной работы блока к показателю одного датчика, что и у блока шести однокомпонентных датчиков. Первые оси чувствительности каждого датчика должны быть направлены по нормалям к плоскостям граней тетраэдра, а вторые — в плоскости граней под углом я/4 к направлениям на вершину. При этом дисперсии компонент вектора ошибки при двух идентифицированных отказах не хуже дисперсии ошибки одного датчика, а дисперсия модуля вектора составляет 2,75 от дисперсии одного датчика, что на 0,25<1 меньше, чем у ортогональной триады.

3. Для каждой конфигурации блоков однокомпонентных и двухкомпонентных датчиков получены соотношения между дисперсией погрешностей одного датчика и блока в целом, позволяющие выбрать конфигурацию, удовлетворяющую требованиям по точности и надежности как при всех исправных датчиках, так и при наличии одного или двух отказов.

4. Получены математические модели блоков четырех двухкомпонентных и шести однокомпонентных датчиков, имеющих близкие показатели по надежности, и алгоритмы первичной обработки информации датчиков и оценивания трех компонентов измеряемого вектора (кажущегося ускорения) на основе методов наименьших квадратов, максимального правдоподобия, фильтра Калмана — Бьюси и модифицированного дискретного фильтра Калмана.

5. Разработан алгоритм оценивания трёх компонентов вектора кажущегося ускорения с помощью многослойной нейронной сети прямого распространения. Исследовано влияние количества слоев, вида функций активации и допустимой погрешности оценивания на сходимость процесса обучения сети. Лучшие результаты получены для трехслойной нейронной сети с логарифмической и двумя линейными функциями активации.

6. Создано программное обеспечение, позволяющее проводить математическое моделирование и обработку экспериментальной информации избыточного блока датчиков произвольной конфигурации с возможностью задания различной ориентации осей чувствительности датчиков в блоке, детерминированных или случайных входных сигналов с заданной спектральной характеристикой, моделирования измерительных шумов и шумов динамических процессов с заданными статистическими характеристиками с помощью цифрового формирующего фильтра.

7. Проведены математическое моделирование и экспериментальные исследования работы блоков четырех двухкомпонентных микромеханических акселерометров А1) ХЬ-203 и шести однокомпонентных кварцевых акселерометров КХ67−041 с системой обработки избыточной информации, в которой реализованы пять различных алгоритмов оценивания.

8. Проведены, исследования влияния величин и дисперсии элементов ковариационной матрицы измерительных шумов, наличия и параметров шумов динамических процессов на точность оценивания компонентов вектора линейного ускорения. Разработаны рекомендации по применению конкретных алгоритмов в зависимости от характеристик инерциальных измерителей.