научная статья по теме ПЕРВЫЙ ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ МАГНИТНЫЙ ТРЕКЕР ДЛЯ ЦЕЛЕУКАЗАНИЯ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПЕРВЫЙ ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ МАГНИТНЫЙ ТРЕКЕР ДЛЯ ЦЕЛЕУКАЗАНИЯ»

ния угловых параметров железнодорожного пути // CHIP NEWS. — 2003. — № 6 (79). — С. 49—53.

4. Сапожников Е. А., Глазков М. А. Принципы построения аппаратного комплекса для динамических измерений локальных неоднороднос-тей рабочей поверхности рельсов и методы их реализации. Научная сессия МИФИ-2009. Сборник научных трудов. В 6 томах. Том II. Ядерная физика и энергетика. — М.: НИЯУ МИФИ, 2009. — 236с.

5. TORNADO-E2/6xxx 2nd Generation Stand-alone DSP Controllers with Ultra-High Performance TI TMS320C6xxx DSP User's Guide, MicroLAB Systems, Ltd. http://www. mlabsys. com/

6. Глазков М. А., Кулешов П. Н. Комплекс контрольно-вычислительной аппаратуры скоростного вагона-пу-теизмерителя // CHIP NEWS. — 2006. — №2 (105). — С. 49—53.

7. Сапожников Е. А., Глазков М. А., Волченков Ю. В. Повышение точности и скоростных характеристик измерения угловых перемещений с использованием фазовых методов. Научная сессия МИФИ-2008. Сборник научных трудов. — М.: Электронные измерительные системы. — 2008. — Т. 13. — С. 131.

Работа выполнена на кафедре "Электронные измерительные системы" Научно-исследовательского ядерного университета (МИФИ).

Егор Александрович Сапожников — аспирант;

® 8-903-613-69-76 E-mail: egor_sapozhnikov@mail.ru Михаил Анатольевич Глазков — ст. преподаватель, нач. отдела ЗАО "ПИК ПРОГРЕСС"; ® 8-916-675-37-13 E-mail: mail-mag@mail.ru Валерий Викторович Масленников — д-р техн. наук, профессор; ® 8-905-587-22-13 E-mail: vmaslennikov@mail.ru Дмитрий Алексеевич Сысоев — студент. ® 8-916-837-93-38

E-mail: sysoevd@gmail.com □

УДК 621.3.083.7:621.317.412

ПЕРВЫЙ ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ МАГНИТНЫЙ ТРЕКЕР ДЛЯ ЦЕЛЕУКАЗАНИЯ1

М. В. Желамский

Представлены результаты разработки отечественной технологии активного магнитного позиционирования подвижных объектов. Приведен состав и описана работа научного макета магнитного трекера, реализующего новый способ магнитного позиционирования. Показаны результаты физического запуска макетного образца. Сформулирован прогресс, достигнутый в области нашлемного применения магнитного трекера. Представлена текущая спецификация параметров, достигнутых на макетном образце.

Ключевые слова: магнитный трекер, позиционирование, шлем, координаты, генератор поля, подвижный приемник, направление взгляда, калибровка.

ВВЕДЕНИЕ

Активное магнитное позиционирование решает задачу определения линейного положения и ориентации подвижного объекта в реальном времени. Технология включает генерирование магнитного поля с известным пространственным распределением в зоне перемещения подвижного объекта, измерение компонент генерируемого поля подвижным приемником, жестко связанным с подвижным объектом, вычисление координат подвижного объекта путем сравнения измеренных значений компонент поля с вычисленными для предполагаемых координат с уточнением последних итерационной процедурой.

Трекер (от английского tracker) устройство позиционирования, представляющее собой прецизионную измерительно-вычислительную систему ре-

1 Работа выполнена в рамках инициативного проекта "МАИ-ТЕХ" (Магнитные Инструментальные Технологии).

ального времени, служащую для нахождения шести координат подвижного объекта — трех линейных и трех углов Эйлера. Сложная и наукоемкая технология магнитного позиционирования возникла в США [1—4] во второй половине прошлого века. В России магнитные трекеры не производятся.

Основы зарубежного подхода и ход реализации отечественного проекта по созданию технологии магнитного позиционирования описаны в работах [5—16]. Оригинальный метод работы над проектом предложен в статье [17]. Первый результат по активному магнитному позиционированию в отечественной практике был представлен в работе [13], где рассмотрена базовая конфигурация магнитного трекера, используемая в дальнейшем.

В настоящей работе описаны результаты физического запуска первого отечественного магнитного трекера для задачи целеуказания, который реализует новый способ магнитного позиционирования, предложенный автором.

ИЗВЕСТНЫЕ МЕТОДЫ МАГНИТНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

До настоящего времени были известны два способа магнитного позиционирования: AC-пози-ционирование (alternating current) [1, 2], и DC-по-зиционирование (direct current) [3, 4], отличающиеся характером генерируемого магнитного поля. AC-метод построен на одновременном и непрерывном генерировании трех синусоидальных полей на разных частотах, DC-метод предполагает генерирование последовательности импульсных полей разной ориентации. Последний метод свободен от действия вихревых токов в окружающем интерьере, которые наводятся синусоидальным полем и ограничивают точность позиционирования.

На рис. 1 показано изменение токов, возбуждающих три ортогональные обмотки генератора импульсного магнитного поля. Видна пауза, когда все обмотки обесточены. Пауза необходима для измерения проекций магнитного поля Земли на подвижный приемник, которое векторно складывается с генерируемым рабочим полем, и последующей компенсации его влияния. Подвижный приемник содержит, как правило, три ортогональных измерителя индукции магнитного поля, которые выполняют измерения на вершине каждого импульса и во время паузы токов. Таким образом, за период работы системы набирается 12 измерений, которые поступают в вычислитель для определения координат подвижного приемника за специально предусмотренное время. Система работает в дискретно-периодическом режиме с фиксированной частотой замены выходных данных.

На рис. 2 приведена общая для всех методов схема магнитного трекера. Активная система магнитного позиционирования включает фиксированный генератор магнитного поля 1 (ГМП) и подвижный приемник 2 (УИП) закрепленный на

Рис. 1. Токи, действующие в обмотках генератора поля DC-метода

Рис. 2. Состав современного магнитного трекера

подвижном объекте. ГМП служит для генерирования магнитного поля с известным пространственным распределением в зоне перемещения подвижного объекта. УИП минимального веса и объема устанавливается на подвижном объекте. Контроллер 3 управляет формой, амплитудой и частотой следования импульсов тока через обмотки ГМП. Интерфейс 4 предназначен для ввода аналоговой информации в вычислитель и выдачи цифровых управляющих сигналов. Вычислитель 5 решает три математические задачи позиционирования — измерение, управление, вычисление координат.

Нахождение координат подвижного объекта производится путем решения в реальном времени следующего итерационного уравнения: xk =

= xk - 1 + step-grad(F), где xk — текущий вектор

k_i

координат; xk 1 — вектор координат, действовавший на предыдущем шаге (начальное приближение); step — шаг итерационного процесса, определяющий скорость схождения оптимизационного процесса; grad(F) — градиент целевой функции

n

F, подлежащей минимизации, F = ^ (Bmi- — Bci)2;

i = 1

Bci — независимые измерения генерируемого магнитного поля; Bmi — расчетные значения магнитных полей, соответствующие сделанным независимым измерениям; n — число независимых измерений, используемых в системе позиционирования.

НОВЫЙ МЕТОД МАГНИТНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

В настоящем проекте реализован новый, третий в мире метод, реализующий отечественную концепцию активного магнитного позиционирования подвижных объектов [14].

10 - Sensors & Systems • № 1.2011

Ток 4 + 1 п 4 + 2 п

yjly + 1 п и i Ix - 2 II + 2

и I -1 гл h + 2 1

^ 1 Время

Iz - 1

ГМП, показанный слева, имеет кабель для подключения к контроллеру длиной не менее 6 м, УИП (на рис. 3 справа) подключается к стационарной части системы при помощи специального кабеля длиной более 10 м. УИП имеет крепежные отверстия, пластиковый корпус. Диаметр сигнального кабеля 4 мм. Вычислитель и контроллер не показаны.

ГМП создает вокруг себя импульсное магнитное поле. Рабочей зоной перемещения подвижного объекта является сфера радиусом 1 м с центром на ГМП. УИП крепится на подвижный объект и свободно перемещается в пределах рабочей зоны. В качестве вычислителя в макете применен стандартный персональный компьютер с тактовой частотой 1 ГГц. Интерфейс — модифицированная плата ввода/вывода РС1-1716 от "АёуаМесИ".

Рис. 3. Токи, действующие в обмотках генератора поля по методу ЛОС-позиционирования

В новом способе магнитного позиционирования обмотки генератора магнитного поля возбуждаются знакопеременными импульсами тока с плоскими вершинами, как показано на рис. 2. По аналогии с описанными выше зарубежными аналогами новый способ можно назвать "ADC-по-зиционирование" от английского "alternating — direct current".

Из графиков токов, приведенных на рис. 3, видно, что пауза токов исключена, а компенсация магнитного поля Земли возможна после каждого переключения ориентации генерируемого магнитного поля, что в сравнении с зарубежными аналогами создает следующие технические преимущества:

— более высокую помехозащищенность магнитных измерений к внешним полям вследствие лучшей компенсации влияния мешающих воздействий;

—меньшую величину динамической погрешности позиционирования за счет более точных разностных магнитных измерений;

— более высокую частоту смены выходной информации благодаря тому, что математическая задача решается после каждого переключения ориентации генерируемого магнитного поля;

— более высокую точность позиционирования в дальней зоне по причине удвоения разностной амплитуды измеряемого поля.

РЕЗУЛЬТАТЫ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА ADC-ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Метод ADC-позиционирования реализован в виде образца, результаты физического запуска которого описаны ниже. На рис. 4 показан внешний вид и габариты основных компонентов системы позиционирования, осуществляющих генерирование и измерение рабочего магнитного поля.

Рис. 4. Электрофизические компоненты магнитного трекера нашлемного применения

L, мм 200

150

100

50

-50

-100

-150

-200

*** i Д АЛДд

Ад V2 ♦

A А Д * А А А **

оооо°°° J 6 оОоооо Д эосооооо; ¡goooOocx ООО"0000 Loo**000 л

♦ 1 3 д л д А А

д л * А А

♦ 1 \ Д Д длл

дЛдд

-150 -100 -50

50 100 150

Азимут, град.

Рис. 5. Экспериментальная зависимость линейных координат УИП, вычисляемых трекером в ходе поворота на заданные азимуты н

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком