МОДЕЛИРОВАНИЕ, КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ
MODELING, DESIGN AND PRODUCTION OF SENSORS, INSTRUMENTS AND SYSTEMS
Представляет Тульский редакционный совет
Tula Editorial Board presents
Матвеев В. В., Погорелов М. Г., Хомячкова А. Н.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ОРИЕНТАЦИИ ПО ВЕКТОРНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ … 3
DOI: 10.24412/1992-7185-2025-1-3-12
Аннотация: Рассмотрены способы решений задачи ориентации неподвижного и подвижного объектов методом TRIAD на основе измерений гироскопических, акселерометрических и магнитометрических датчиков. Показано, что задача начального ориентирования инерциальных навигационных систем может быть решена на основе измерения двух векторов любой из пар триад датчиков: магнитометров-акселерометров, гироскопов-акселерометров, магнитометров-гироскопов. Приведен псевдокод наиболее часто используемого на практике способа начальной выставки методом TRIAD на основе измерений гироскопов и акселерометров. Показано, что данный способ не требует информации о широте местоположения объекта. Приведен также новый алгоритм решения задачи ориентации на базе двух кинематических уравнений относительно двух ортогональных векторов. Показано, что предлагаемый алгоритм не уступает по точности широко используемым алгоритмам в таких кинематических параметрах, как кватернионы и компоненты вектора Эйлера. Дано описание нового способа реализации метода TRIAD на основе комплексирования трех векторов, измеряемых гироскопическими, акселерометрическими и магнитометрическими датчиками.
Ключевые слова: гироскоп, акселерометр, магнитометр, метод TRIAD, новый алгоритм ориентации.
Matveev V. V., Pogorelov M. G., Khomyachkova A. N.
SOLVING ORIENTATION PROBLEMS BY VECTOR MEASUREMENTS
Abstract: The article considers methods for solving the problem of orientation of stationary and moving objects using the TRIAD method based on measurements of gyroscopic, accelerometric and magnetometric sensors. It is shown that the problem of initial orientation of inertial navigation systems can be solved based on measurements of two vectors of any of the pairs of sensor triads: magnetometers-accelerometers, gyroscopes-accelerometers, magnetometers-gyroscopes. The pseudocode of the most frequently used in practice method of initial alignment using the TRIAD method based on measurements of gyroscopes and accelerometers is given. It is shown that this method does not require information on the latitude of the object's location. A new algorithm for solving the orientation problem based on two kinematic equations with respect to two orthogonal vectors is presented. It is shown that the proposed algorithm is not inferior in accuracy to widely used algorithms in such kinematic parameters as quaternions and Euler vector components. A description is given of a new method for implementing the TRIAD method based on the integration of three vectors measured by gyroscopic, accelerometric and magnetometric sensors.
Keywords: gyroscope, accelerometer, magnetometer, TRIAD method, new orientation algorithm.
Матвеев В. В., Погорелов М. Г., Соколов М. В., Телухин С. В.
РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ВОЛНОВОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА И СПОСОБА УЛУЧШЕНИЯ ЕГО ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК … 13
DOI: 10.24412/1992-7185-2025-1-13-22
Аннотация: Рассмотрены существующие имитационные модели волнового твердотельного гироскопа с низкодобротным объемным металлическим резонатором, проведен их анализ, выявлены преимущества и недостатки. Разработана имитационная модель, отличающаяся учетом собственных колебаний резонатора. Проведено сравнение существующих моделей с предлагаемой. Описан способ улучшения динамических характеристик волнового твердотельного гироскопа благодаря введению контура управления по амплитуде первичных колебаний.
Ключевые слова: волновой твердотельный гироскоп, улучшение характеристик, металлический резонатор, имитационная модель, контур управления амплитудой.
Matveev V. V., Pogorelov M. G., Sokolov M. V., Telukhin S. V.
DEVELOPMENT OF SIMULATION MODEL OF WAVE SOLID-STATE GYROSCOPE AND WAYS TO IMPROVE ITS CHARACTERISTICS
Abstract: The existing simulation models of a wave solid-state gyroscope with a low-frequency bulk metal resonator are considered, analyzed, and their advantages and disadvantages are revealed. The simulation model is developed, which is characterized by taking into account the natural vibrations of the resonator. The comparison of existing models with the proposed one is carried out. A method of improving the dynamic characteristics of the wave solid-state gyroscope by introducing a control loop on the amplitude of the primary oscillations is described.
Keywords: wave solid-state gyroscope, performance improvement, metal resonator, simulation model, amplitude control loop.
Погорелов М. Г., Матвеев В. В., Каликанов А. В., Стрельцов Д. С.
СРАВНЕНИЕ АЛГОРИТМОВ ОРИЕНТАЦИИ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ЭЛЕКТРОННОГО КОМПАСА ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА … 23
DOI: 10.24412/1992-7185-2025-1-23-31
Аннотация: Рассмотрен способ построения электронного компаса, основанный на основе модифицированного метода TRIAD, реализующего метод векторного согласования и фильтре Винера, при котором для вычисления углов курса не требуется предварительного вычисления углов тангажа и крена. Приведена численная реализация предложенного способа и его сравнение с системой, построенной на базе фильтра Маджвика в условиях моделируемой траектории движения объекта.
Ключевые слова: электронный компас, фильтр Винера, фильтр Маджвика, метод TRIAD.
Pogorelov M. G., Matveev V. V., Kalikanov A. V., Streltsov D. S.
COMPARISON OF ORIENTATION ALGORITHMS IN THE CONSTRUCTION OF AN ELECTRONIC COMPASS OF A MOVING OBJECT
Abstract: The paper proposes a method for constructing an electronic compass based on the modified TRIAD method, which implements the vector matching method and the Wiener filter, in which the calculation of course angles does not require preliminary calculation of pitch and roll angles. The numerical implementation of the proposed method and its comparison with the system based on the Madgwick filter under the conditions of the simulated trajectory of the object are presented.
Keywords: electronic compass, Wiener filter, Madgwick filter, TRIAD method.
Погорелов М. Г., Матвеев В. В., Каликанов А. В.
СПОСОБ КАЛИБРОВКИ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОННОГО КОМПАСА ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА … 32
DOI: 10.24412/1992-7185-2025-1-32-39
Аннотация: Проведен анализ существующих способов калибровки магнитометрических датчиков в составе электронного компаса подвижного объекта. Для случая проведения 2D-калибровки исследовано влияние погрешности вертикального датчика на результирующую точность вычисления угла курса. Получены аналитические зависимости, применимые на этапе проектирования, для оценки максимально формируемой погрешности угла курса в зависимости от принятой погрешности магнитометрического датчика и условий применения: текущих значений углов курса, тангажа, параметров магнитного поля Земли в точке местности, а также неточности их задания. Разработан оригинальный способ проведения предстартовой калибровки магнитометрических датчиков в составе электронного компаса для подвижных объектов, не имеющих в силу массогабаритных параметров объекта возможности проведения 3D-калибровки, при котором проводится оценка погрешности вертикального магнитометрического датчика с ее последующей алгоритмической компенсацией. Приведены результаты моделирования и натурного эксперимента на макетном образце электронного компаса, подтверждающие работоспособность предложенного способа и демонстрирующие итоговое повышение точности курсоуказания.
Ключевые слова: электронный компас, магнитометрический датчик, калибровка.
Pogorelov M. G., Matveev V. V., Kalikanov A. V.
METHOD OF CALIBRATION OF A MAGNETOMETRIC SENSOR AS PART OF AN ELECTRONIC COMPASS OF A MOBILE OBJECT
Abstract: An analysis of existing methods for calibrating magnetometric sensors as part of an electronic compass of a moving object is carried out. For the case of 2D calibration, the effect of the vertical sensor error on the resulting accuracy of calculating the heading angle is studied. Analytical dependencies are obtained, applicable at the design stage, for estimating the maximum formed error of the heading angle depending on the accepted error of the magnetometric sensor and the conditions of use - current values of the heading angles, pitch, parameters of the Earth's magnetic field at a point in the terrain, as well as the inaccuracy of their assignment. An original method for pre-launch calibration of magnetometric sensors as part of an electronic compass for moving objects that do not have the ability to perform 3D calibration due to the mass and size parameters of the object, which estimates the error of the vertical magnetometric sensor with its subsequent algorithmic compensation. The results of modeling and a full-scale experiment on a mock-up sample of an electronic compass are presented, confirming the operability of the proposed method and demonstrating the resulting increase in the accuracy of heading indication.
Keywords: electronic compass, magnetometric sensor, calibration.
Матвеев В. В., Погорелов М. Г.
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ОДНООСНОГО ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА … 40
DOI: 10.24412/1992-7185-2025-1-40-46
Аннотация: Приведено современное состояние разработок по изолированным от крена системам ориентации. Показано, что введение одноосного гиростабилизатора позволяет уменьшить погрешности системы ориентации, вызванные нестабильностью масштабного коэффициента гироскопа крена. Даны аналитические зависимости для оценки угловой скорости платформы для двух вариантов управления: по угловой скорости и углу и угловой скорости. В первом случае платформа увлекается моментами сил сухого и вязкого трения, а также противо-ЭДС двигателя. Показано, что для второго варианта построения гиростабилизатора угловая скорость платформы определяется исключительно смещением нулевого сигнала гироскопа крена. Установлено, что для подобных систем полное устранение вращения платформы не является обязательным требованием.
Ключевые слова: электронный компас, магнитометрический датчик, калибровка.
Matveev V. V., Pogorelov M. G.
INCREASING THE ACCURACY OF THE ORIENTATION SYSTEM BY USING A SINGLE-AXIS GYROSTABILIZER
Abstract: The current state of developments in roll-isolated orientation systems is presented. It is shown that the introduction of a single-axis gyrostabilizer allows reducing the orientation system errors caused by the instability of the roll gyro scale factor. Analytical dependencies are given for estimating the platform angular velocity for two control options: by angular velocity and angle and angular velocity. In the first case, the platform is carried away by the moments of dry and viscous friction forces, as well as the engine back-EMF. It is shown that for the second option of constructing a gyrostabilizer, the angular velocity of the platform is determined exclusively by the offset of the zero signal of the roll gyro. It is established that for such systems, complete elimination of platform rotation is not a mandatory requirement.
Keywords: attitude control system, single-axis gyrostabilizer, roll gyro.
***
Бестугин А. Р., Дворников С. В., Дворников С. С., Киршина И. А., Ненашев В. А.
ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА КАНАЛОВ ДЛЯ РАНГОВЫХ ОБНАРУЖИТЕЛЕЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ … 47
DOI: 10.24412/1992-7185-2025-1-47-53
Аннотация: Представлены результаты исследования, обеспечивающие уверенную работу РЭО в условиях непреднамеренных помех импульсного характера. Поскольку мешающие помехи носят импульсный характер, в рассматриваемой ситуации целесообразен выбор ранговых обнаружителей. Проведенные исследования показали, что в условиях воздействия импульсных помех непреднамеренного характера обоснованным решением является использование 6-ти канальных обнаружителей. Такое решение при одинарном потоке деструктивного воздействия с вероятностью появления помехи в канале р = 0,05 позволит свести вероятность ложного обнаружения до уровня α = 5×10-2. При этом классические обнаружители, базирующиеся на накопление энергии реализаций, в таких условиях оказываются практически неработоспособными. Расчет характеристик для ранговых обнаружителей известен, что позволяет полученные результаты использовать в практических приложениях.
Ключевые слова: радиоэлектронное оборудование, ранговые обнаружители, импульсные помехи.
Bestugin A. R., Dvornikov S. V., Dvornikov S. S., Kirshina I. A., Nenashev V. A.
JUSTIFICATION OF THE NECESSARY NUMBER OF CHANNELS FOR RANKING DETECTORS UNDER THE INFLUENCE OF IMPULSE INTERFERENCE
Abstract: The results of the study are presented, providing confident operation of REE in the conditions of unintentional interference of impulsive nature. Since the interfering interference is impulsive in nature, in this situation is appropriate to choose rank detectors. The conducted studies have shown that under the influence of pulse interference of unintentional nature a reasonable solution is the use of 6-channel detectors. Such a solution for a single stream of destructive impact with the probability of interference in the channel p = 0. 05 will reduce the probability of false detection to the level of α = 5×10-2. It should be understood that under such conditions, classical detectors based on the accumulation of energy of realizations are practically inoperable. At the same time, the calculation of characteristics for rank detectors is known, which allows the obtained results to be used in practical applications.
Keywords: radio-electronic equipment, rank detectors, impulse interference.
Антонец И. В., Нигматуллина Л. А.
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИНФОРМАЦИИ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЙ В СИСТЕМЕ ВОЗДУШНЫХ СИГНАЛОВ … 54
DOI: 10.24412/1992-7185-2025-1-54-61
Аннотация: Рассмотрены вторичные преобразователи датчиков давлений в системе воздушных сигналов, работа которых основана на оптических принципах преобразования данных. Выбран вариант формирования информационного светового пятна на линейке фотоэлектронных приемников (ЛФП). По результатам эксперимента было установлено расстояние между светодиодом и шторкой с прорезью для получения сигнала заданной формы на выходе линейки при неизменном интервале между ЛФП и светодиодом. Произведен выбор источника оптического излучения. Разработан экспериментальный стенд для определения координаты выходного сигнала при использовании ЛФП. С целью проверки статистической надежности результатов измерений была проведена оценка их соответствия нормальному закону распределения с использованием критерия χ2 К. Пирсона. Проведена сравнительная оценка метрологических характеристик предлагаемого датчика давлений с прототипом, у которого первичный преобразователь давления представлен одной упругой мембраной.
Ключевые слова: линейка фотоэлектронных приемников, оптический метод преобразования, датчик статического и полного давлений, система воздушных сигналов, светодиод, упругий чувствительный элемент.
Antonets I. V., Nigmatullina L. A.
DEVELOPMENT AND RESEARCH OF A SECONDARY INFORMATION CONVERTER FOR A PRESSURE SENSOR IN AN AIR SIGNAL SYSTEM
Abstract: The article considers secondary converters of pressure sensors used in the air signal system, the operation of which is based on optical principles of data conversion. The option of forming an information light spot on the line of photoelectric receivers (LFP) was selected. Based on the experiment results, the distance between the LED and the shutter with a slit was determined to obtain a signal of a given shape at the line output with a constant distance between the LFP and the LED. The source of optical radiation was selected. An experimental setup was developed to determine the coordinate of the output signal when using the LFP. In order to check the statistical reliability of the measurement results, their compliance with the normal distribution law was assessed using K. Pearson's χ2 criterion. A comparative assessment of the metrological characteristics of the proposed pressure sensor with a prototype, in which the primary pressure transducer is represented by a single elastic membrane, was carried out.
Keywords: photoelectric receiver array, optical conversion method, static and total pressure sensor, air signal system, LED, elastic sensing element.
Фролов С. В., Коробов А. А., Савинова К. С., Потлов А. Ю.
НЕЙРОСЕТЕВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ И ОСВЕЩЕННОСТЬЮ В НЕОНАТАЛЬНОМ ИНКУБАТОРЕ … 62
DOI: 10.24412/1992-7185-2025-1-62-68
Аннотация: Рассмотрена нейросетевая система управления неонатальным инкубатором, обеспечивающая поддержание заданного микроклимата (температуры воздушной среды или кожи ребенка, влажности, концентрации кислорода, освещения). Для поиска оптимальных настроечных параметров системы управления применяется модель динамики тепло-и массообмена в неонатальном инкубаторе. Найденный оптимальный вектор структуры и параметров нейронной сети использован для предварительной настройки системы, состоящей из модернизированного инкубатора для новорожденных Amelie фирмы ARDO и управляющего микрокомпьютера “Raspberry Pi 4 Model B”. Дана схема экспериментальной установки, реализующая систему и включающую элементы управления и датчики, которые совместимы с микрокомпьютером “Raspberry Pi 4 Model B”. Управляющая программа представлена на языке Python.
Ключевые слова: нейросетевое управление, градиентный метод, неонатальный инкубатор, тепло- и массообмен, микроклимат, микрокомпьютер.
Frolov S. V., Korobov A. A., Savinova K. S., Poltov A. Yu.
NEURAL NETWORK BASED SYSTEM FOR CONTROL OF MICROCLIMATE AND LIGHTING IN A NEONATAL INCUBATOR
Abstract: A neural network based control system for a neonatal incubator was proposed to ensure the maintenance of a given microclimate, in particular, air (or the baby's skin) temperature, humidity, oxygen concentration and lighting. The model of heat and mass transfer dynamics in a neonatal incubator was used to find the optimal tuning parameters of the control system. The preliminary setup of the system was carried out on the basis of the found optimal vector of the structure and parameters of the neural network. The system included a modernized neonatal incubator “Amelie” from “ARDO” and a control microcomputer “Pi 4 Model B” from “Raspberry”. The experimental setup diagram was given. The diagram represents the hardware implementation of the system, including controls and sensors, which are compatible with the “Pi 4 Model B” microcomputer from “Raspberry”. The control program was developed in Python.
Keywords: neural network based control, gradient method, neonatal incubator, heat and mass transfer, microclimate, microcomputer.
***
ШКАБАРДНЯ М. С. (18.07.1930–28.01.2025) … 69
SHKABARDNYA M. S. (18.07.1930–28.01.2025)