Испытания бесплатформенных инерциальных навигационных систем

Материал опубликован в журнале СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА № 1/2023

В статье рассмотрены испытания серийного изделия комплекса управления с бесплатформенной инерциальной навигационной системой в виде гироинерциального блока. Приведены четыре результата испытаний на классический удар и широкополосную случайную вибрацию с последующим анализом.

Одной из важнейших задач в области беспилотных летательных аппаратов является получение информации о состоянии технологического оборудования и аппаратов, в частности, при помощи гироинерциальных блоков (ГИБ) или гироблоков – устройств, способных реагировать на изменение углов ориентации и ускорений тела, на котором они установлены. Высокоточные системы ориентации в пространстве – как пилотируемых, так и беспилотных летательных аппаратов, – получают всё большее распространение в изделиях различного назначения, в том числе в квадрокоптерах и других малых летательных аппаратах. Основу данных систем составляют гироскопы, которые входят в состав гироинерциальных блоков, вибрационные воздействия на которые во время полёта существенно снижают точность выходных данных. Ускорения и вибрации вызывают изменение внутренних механических напряжений конструкции лазерного гироскопа, что приводит к изменениям оптических характеристик и сбоям в электронных блоках. Это, в свою очередь, ведёт к ошибкам в навигации летальных аппаратов и может сделать невозможным выполнение полётного задания. Поэтому очень важно оценить качество гироблоков ещё на стадии производства в условиях создания искусственных вибраций, приближённых к реальным условиям работы. Однако зачастую испытания проводятся в условиях, которые существенно превосходят реальные и соответствуют запасу прочности, заложенному в конструкции системы. Такие испытания проводятся, например, на этапах квалификационных и предварительных испытаний или на более ранних этапах разработки. Требования механической прочности изделия должны соответствовать его классу и проводиться по соответствующим стандартам. Такие требования, в свою очередь, часто являются одной из основ технических заданий на разработку гироинерциальных блоков. Рассмотрим структуру стенда проведения вибрационных испытаний объекта исследования (ОИ) (рис. 1). Рис. 1. Структура испытательного стенда В общем случае задача обеспечения механических испытаний решается следующим образом. Необходимый вид воздействия, его характеристики и время воздействия задаются в программном обеспечении вычислительной машины, в частном случае – персональном компьютере. Эти данные передаются в контроллер, который непосредственно управляет процессом испытания. Контроллер следит за тем, чтобы сигнал, получаемый с опорного датчика, соответствовал сигналу, запрограммированному на испытание. Это система с обратной связью, которая, в зависимости от отклонения от заданных значений, вносит необходимую коррекцию. От контроллера заданные параметры в виде тока и напряжения поступают на усилитель, задача которого обеспечить необходимой мощностью подвижные системы вибростенда, которые преобразуют электрическую энергию в механическое воздействие. Объект исследования жёстко крепят к плите вибростенда. На объект исследования устанавливают измерительные преобразователи (датчики), показания которых через контроллер передаются в вычислительную систему для проведения дальнейшего анализа результатов. Рассмотрим структурную схему испытаний объекта методом широкополосной случайной вибрации (ШСВ) (рис. 2). Рис. 2. Структурная схема испытаний методом широкополосной случайной вибрации, где 1 – задающий генератор шума, 2 – блок фильтров частотного диапазона, 3 – усилитель мощности, 4 – вибровозбудитель, 5 – объект исследования, 6 – вибродатчик, 7 – виброизмерительная система, 8 – анализирующее устройство, 9 – регистрирующее устройство При использовании метода ШСВ задаётся постоянная плотность энергии каждой гармонической составляющей колебательного процесса. В качестве задающего устройства используется сигнал белого шума или широкополосный случайный сигнал, подаваемый на регулируемые полосовые частотные фильтры, перекрывающие спектры частот сигнала возбуждения. После уравнивания плотностей энергии в каждом диапазоне частот сигнал усиливается и преобразуется в вибрацию. Полученные выходные характеристики снимаются вибродатчиками, анализируются и используются для регистрации данных, а информацию опорных датчиков используют для отслеживания заданных параметров испытания. Основой проведения механических испытаний, как и всех других, является «Программа – методика испытаний», которая устанавливает жёсткие требования на перечень и характеристики испытаний. Первыми выступают требования к методу крепления изделия на столе вибростенда, а также месту крепления датчиков и их количеству. На рис. 3 представлена схема для испытаний по оси Y изделия. Количество и расположение датчиков может меняться в зависимости от условий проведения испытаний. Рис. 3. Схема установки изделия на вибростенде при испытании на механические воздействия по оси Y: 1 – вибростенд, 2 – плита переходная, 3 – приспособление, 4 – изделие, 5 – вибродатчик контрольный (№ 1, 2, 3, 4), 6 – вибродатчик контрольный (№ 5, 6, 7), 7 – кубик Контрольные датчики № 1, 2, 3, 4 устанавливаются на приспособление по оси проведения испытания. Контрольные датчики № 5, 6, 7 устанавливаются на кубик на ГИБ изделия по осям Y, X, Z соответственно. Изделие устанавливается в приспособление или оправу, крепится к ней болтами. Приспособление через переходную плиту устанавливается на вибростенд в соответствии с необходимой пространственной ориентацией. Исследуемая система представляет собой комплекс, основу которого составляет гироблок с тремя акселерометрами и тремя лазерными гироскопами, по одному на каждой оси. Общий список испытаний представлен в следующем виде:

  1. синусоидальная вибрация одной частоты,
  2. синусоидальная вибрация,
  3. широкополосная случайная вибрация,
  4. классический удар,
  5. испытания при транспортировании и др.

Разработанная система управления обеспечивает проведение испытаний в различных вариациях, то есть в ходе испытания могут проверяться стойкость, устойчивость или прочность изделия, меняться оси воздействия, а также характеристики вибрационных испытаний. В качестве примера приведены результаты широкополосных вибрационных испытаний изделия по оси Y с ускорением 14g (рис. 4). Рис. 4. Результаты широкополосных вибрационных испытаний Целью данных испытаний являлось одновременное возбуждение всех резонансов конструкции, что позволяет выявить их взаимное влияние. Испытания проводились при ускорении 14g с профилем испытания 0,1 на полосе частот 20…2000 Гц. Было замечено, что на узкой полосе частот 140…150 Гц появляется пик, который может соответствовать резонансной частоте. Пики наблюдаются не только по оси воздействия. В той же полосе 140…150 Гц пик по оси Z. Несколько пиков наблюдаются в полосе частот 1…2 кГц по оси X. Причины появления этих пиков ещё предстоит уточнить при детальном анализе совместно с другими испытаниями. Заключение В ходе проведённых механических испытаний были выявлены слабые места конструкции изделия, которые в процессе эксплуатации могут оказать значительное влияние на работу наиболее уязвимого элемента подобных комплексов управления – гироинерциального блока. Снижение эффекта резонанса конструкции изделия в целом на работу ГИБ является одним из наиболее значимых направлений развития виброподвесов и алгоритмов подавления для повышения отказоустойчивости как для военных, так и для гражданских систем. В свою очередь, обоснование и направление доработок непрерывно связано с модернизацией методов, алгоритмов и средств воспроизведения вибрации с целью повышения эффективности проведения испытаний в условиях, близких к условиям реальной эксплуатации.

Литература

  1. Албагачиев А.Ю., Кушнир А.П. Прогнозирование результатов измерения инерционных параметров на основе математического моделирования // Приборы. 2012. № 9 (147). С. 24–28.
  2. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем. М.: Наука, 1992. 280 с.
  3. Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии / под ред. Б.С. Алешина, К.К. Веремеенко, А.И. Черноморского. М.: Физматлит, 2006. 424 с.
  4. Матвеев В.В. Инерциальные навигационные системы: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 199 с.
  5. Матвеев В.В, Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем: учеб. пособие. СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 280 с.
  6. Groves P.D. Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems /Artech Hous. 2008. 505 p.