Алешкин Михаил Валерьевич. Совершенствование схем и алгоритмов предварительной обработки информации избыточных блоков инерциальных датчиков

Краткое описание

Алешкин Михаил Валерьевич. Совершенствование схем и алгоритмов предварительной обработки информации избыточных блоков инерциальных датчиков : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.05 / Алешкин Михаил Валерьевич; [Место защиты: ГОУВПО "Саратовский государственный технический университет"].- Саратов, 2010.- 103 с.: ил.

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
04201003073 АЛЕШКИН МИХАИЛ ВАЛЕРЬЕВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМ И АЛГОРИТМОВ
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
ИЗБЫТОЧНЫХ БЛОКОВ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ
Специальность 05. 13. 05 - Элементы и устройства вычислительной техники
и систем управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 2009

Научный руководитель:
доктор технических наук,
профессор Большаков А. А.

2 СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ИЗБЫТОЧНЫМ БЛОКАМ ДАТЧИКОВ И
АЛГОРИТМАМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИХ ИНФОРМАЦИИ.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И
1.1. Определение отказов и идентификация отказавших датчиков в
избыточных блоках 12
1.2. Оптимизация взаимной ориентации осей чувствительности датчиков 16
1.3. Методы детерминированной и стохастической фильтрации и оценивания в задачах обработки информации 23
1.4. Постановка задачи исследования 30
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛИЧЕСТВА И ОРИЕНТАЦИИ
ДАТЧИКОВ В БЛОКЕ НА ПОКАЗАТЕЛИ ТОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ...32
2.1. Сравнительный анализ различных структур блоков одно- и
двухкомпонентных датчиков по надежности 32
Сравнительный анализ по точности. Оптимизация ориентации 36
однокомпонентных датчиков в блоке 36
2.3 Оптимизация ориентации двухкомпонентных датчиков в блоке 52
Выводы 59
3. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ БЛОКОВ
ОДНО-И ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ 61
3.1. Алгоритмы, основанные на методах наименьших квадратов и максимального правдоподобия 61
3.2. Алгоритмы, основанные на применении фильтра Калмана 62
3.3. Нейросетевые алгоритмы оценивания компонентов вектора ускорения 65
3.4. Определение параметров математических моделей блоков акселерометров на основе экспериментальных данных 75
Выводы 82

з
4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ БЛОКА АКСЕЛЕРОМЕТРОВ И СИСТЕМЫ
ОБРАБОТКИ ИЗБЫТОЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ 84
4.1. Программа синтеза и анализа цифрового формирующего фильтра 84
4.2. Программа математического моделирования и обработки экспериментальных данных блока акселерометров и системы обработки избыточной информации 90
4.3. Исследование влияния величин и дисперсии элементов ковариационной матрицы измерительных шумов и шумов динамических процессов на точность оценивания компонентов вектора кажущегося ускорения 95
Выводы 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 115
ПРИЛОЖЕНИЯ 122
Приложение 1. Инструкция пользователя программой 123
Приложение 2. Основные параметры акселерометров КХ67-041 и
ADXL-203 138

Список литературы

Выводы
1. Создано программное обеспечение, позволяющее проводить математи¬ческое моделирование и обработку экспериментальной информации избыточ¬ного блока датчиков произвольной конфигурации с возможностью задания раз¬личной ориентации осей чувствительности датчиков в блоке, детерминирован¬ных или случайных входных сигналов с заданной спектральной характеристи¬кой, моделирования измерительных шумов и шумов динамических процессов с заданными статистическими характеристиками с помощью цифрового форми¬рующего фильтра.
2. Проведены математическое моделирование и экспериментальные ис¬следования работы блоков четырех двухкомпонентных микромеханических акселерометров ADXL-203 и шести однокомпонентных кварцевых акселеро¬метров КХ67-041 с системой обработки избыточной информации, в которой реализованы пять различных алгоритмов оценивания.
3. Проведены исследования влияния величин и дисперсии элементов ко¬вариационной матрицы измерительных шумов, наличия и параметров шумов динамических процессов на точность оценивания компонентов вектора линей¬ного ускорения. Разработаны рекомендации по применению конкретных алго¬ритмов в зависимости от характеристик инерциальных измерителей и требова¬ний по снижению уровня случайных составляющих погрешностей оценивания компонентов вектора ускорения.

113 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 вер¬
шине равным 54,74°, т. к. при II классе ориентации осей чувствительности дат¬
чиков (один из датчиков установлен по оси симметрии, а остальные равномер¬
но по образующим конуса), при отказе центрального датчика точностные ха¬
рактеристики ухудшаются.
При изменении ориентации «конусов» относительно измерительных осей блока погрешности оценивания вектора не зависят, а погрешности оценок ком¬понентов зависят от номеров отказавших датчиков и в этом смысле все ориен¬тации "конуса" в блоке эквивалентны.
2. При построении блока на основе двухкомпонентных датчиков целесооб¬разно использовать блок четырех датчиков, т.к. он обеспечивает аналогичное соотношение вероятности безотказной работы блока к показателю одного дат¬чика, что и у блока шести однокомпонентных датчиков. Первые оси чувстви¬тельности каждого датчика должны быть направлены по нормалям к плоско¬стям граней тетраэдра, а вторые - в плоскости граней под углом я/4 к направ¬лениям 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 0,25d меньше, чем у ортогональной триады.
3. Для каждой конфигурации блоков однокомпонентных и двухкомпонент¬ных датчиков получены соотношения между дисперсией погрешностей одного датчика и блока в целом, позволяющие выбрать конфигурацию, удовлетво-ряющую требованиям по точности и надежности как при всех исправных дат¬чиках, так и при наличии одного или двух отказов.
4. Получены математические модели блоков четырех двухкомпонентных и

114 шести однокомпонентных датчиков, имеющих близкие показатели по надежно¬сти, и алгоритмы первичной обработки информации датчиков и оценивания трех компонентов измеряемого вектора (кажущегося ускорения) на основе ме¬тодов наименьших квадратов, максимального правдоподобия, фильтра Калма-на - Бьюси и модифицированного дискретного фильтра Калмана.
5. Разработан алгоритм оценивания трёх компонентов вектора кажущего¬ся ускорения с помощью многослойной нейронной сети прямого распростране¬ния. Исследовано влияние количества слоев, вида функций активации и допус¬тимой погрешности оценивания на сходимость процесса обучения сети. Луч¬шие результаты получены для трехслойной нейронной сети с логарифмической и двумя линейными функциями активации.
6. Создано программное обеспечение, позволяющее проводить математи¬ческое моделирование и обработку экспериментальной информации избыточ¬ного блока датчиков произвольной конфигурации с возможностью задания раз¬личной ориентации осей чувствительности датчиков в блоке, детерминирован¬ных или случайных входных сигналов с заданной спектральной характеристи¬кой, моделирования измерительных шумов и шумов динамических процессов с заданными статистическими характеристиками с помощью цифрового форми¬рующего фильтра.
7. Проведены математическое моделирование и экспериментальные ис¬следования работы блоков четырех двухкомпонентных микромеханических акселерометров ADXL-203 и шести однокомпонентных кварцевых акселеро¬метров КХ67-041 с системой обработки избыточной информации, в которой реализованы пять различных алгоритмов оценивания.
8. Проведены, исследования влияния величин и дисперсии элементов ко¬вариационной матрицы измерительных шумов, наличия и параметров шумов динамических процессов на точность оценивания компонентов вектора линей¬ного ускорения. Разработаны рекомендации по применению конкретных алго¬ритмов в зависимости от характеристик инерциальных измерителей