priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2024-67-8-678-688pribor-77Research ArticleПРИБОРЫ НАВИГАЦИИNAVIGATION DEVICESПрименение позиционной коррекции с перекрестными связями в бесплатформенной системе ориентацииApplication of Cross-linked Positional Correction in a Strapdown Orientation SystemАлешкинВ. В.AleshkinV. V.

Валерий Викторович Алешкин – докт. техн. наук, доцент; кафедра приборостроения; профессор

Саратов

Valery V. Aleshkin – Dr. Sci., Professor;  Department of Instrument Engineering; Professor

Saratov

aleshkinvv@yandex.ruЗдражевскийР. А.ZdrashevskyR. A.

Роман Анатольевич Здражевский – канд. техн. наук; кафедра приборостроения; доцент

Саратов

Roman A. Zdrazhevsky – PhD, Associate Professor; Department of Instrument Engineering; Associate Professor

Saratov

sweetnuts@inbox.ruЕфремовЮ. М.EfremovYu. M.

Юрий Максимович Ефремов – магистрант; кафедра приборостроения

Саратов

Yurу M. Efremov – Master Student;  Department of Instrument Engineering

Saratov

yuriy.maksimovic@gmail.comСкибинС. А.SkibinS. A.

Сергей Александрович Скибин – аспирант; кафедра приборостроения

Саратов

Sergeу A. Skibin —– Post-Graduate Student; Department of Instrument Engineering

Saratov

serega.skibin@mail.ruСаратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.Yuri Gagarin State Technical University of Saratov202426112024678678688Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/77

Рассматриваются кватернионные уравнения работы автономной бесплатформенной системы ориентации (БИСО), состоящей из инерциального измерительного модуля (ИИМ) и бортового вычислителя. ИИМ содержит трехкомпонентные измеритель угловой скорости, датчик линейных ускорений и магнитометр. Целью работы является построение системы кинематических уравнений с асимптотически устойчивыми решениями, настроенной на период Шулера и фильтр нижних частот с заданной полосой пропускания. Этим достигаются компенсация погрешностей начальной выставки, невозмущаемость линейными ускорениями (баллистические погрешности), снижение уровня шума в оценках параметров ориентации по отношению к сигналам гироскопов, акселерометров и магнитометров и отсутствие накопления ошибок определения ориентации. Алгоритмы работы БИСО строятся на основе уравнений Пуассона в параметрах Родрига–Гамильтона с дополнительно введенными членами перекрестной позиционной коррекции, знаки которых задаются исходя из требования асимптотической устойчивости, а численные значения коэффициентов коррекции обеспечивают остальные свойства алгоритмов. Теоретически обоснован диапазон угловых скоростей объекта, при которых сохраняются свойства алгоритмов. Результаты работы подтверждены математическим моделированием работы ИИМ и БИСО и натурными испытаниями на автомобиле макета БИСО с микромеханическим ИИМ.

The quaternionic equations describing operation of strapdown inertial orientation system (BISO) consisting of an inertial measurement module (IMU) and an on-board computer, are considered. The IMU contains a three-component angular velocity meter, a linear acceleration sensor and a magnetometer. The aim of the work construction of a system of kinematic equations with asymptotically stable solutions configured for the Shuler period and a low-pass filter with a given bandwidth. This ensures compensation for errors in the initial exposure, tolerance to linear accelerations (ballistic errors), reduction of the noise level in the estimates of orientation parameters in relation to the signals of gyroscopes, accelerometers, and magnetometers and the absence of accumulation of orientation determination errors. The BISO algorithms are based on the Poisson equations in the Rodrigue-Hamilton parameters with additionally introduced terms of cross-positional correction, the signs of which are set based on the requirement of asymptotic stability, while the numerical values of the correction coefficients provide the remaining properties of the algorithms. The range of angular velocities of an object at which the properties of the algorithms are preserved is theoretically substantiated. The results of the work are confirmed by mathematical modeling of the work of the IMU and BISO and full-scale tests of a BISO model with a micromechanical IMU on a vehicle.

бесплатформенная система ориентациикватернионные кинематические уравнениякоррекцияустойчивостьпериод Шулерафильтрация шумовматематическое моделированиенатурные испытанияstrapdown orientation systemquaternionic kinematic equationscorrectionstabilitySchuler periodnoise filteringmathematical modelingfield testsReferencesМатвеев В. В., Распопов В. Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / Под ред. В. Я. Распопова. СПб: ЦНИИ „Электроприбор“, 2009. 280 с.Matveev V.V., Raspopov V.Ya. Osnovy postroyeniya besplatformennykh inertsial’nykh navigatsionnykh sistem (Fundamentals of constructing Strapdown Inertial Navigation Systems), St. Petersburg, 2009, 280 р. (in Russ.)Анучин О. Н., Емельянцев Г. И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов / Под ред. В. Г. Пешехонова. СПб: ЦНИИ „Электроприбор“, 2003. 390 с.Anuchin O.N., Emelyantsev G.I. Integrirovannyye sistemy oriyentatsii i navigatsii dlya morskikh podvizhnykh ob”yektov (Integrated Orientation and Navigation Systems for Marine Mobile Objects), St. Petersburg, 2003, 390 р. (in Russ.)Бранец В. Н., Шмыглевский И. П. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем. М.: Наука, 1992. 280 с.Branets V.N., Shmyglevsky I.P. Vvedeniye v teoriyu besplatformennykh inertsial’nykh navigatsionnykh system (Introduction to the Theory of Strapdown Inertial Navigation Systems), Moscow, 1992, 280 р. (in Russ.)Челноков Ю. Н. Кватернионые модели и методы динамики, навигации и управления движением. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. 560 с.Chelnokov Yu.N. Kvaternionyye modeli i metody dinamiki, navigatsii i upravleniya dvizheniyem (Quaternion Models and Methods of Dynamics, Navigation and Motion Control), Moscow, 2011, 560 р. (in Russ.)Плотников П. К., Лючев С. А. Об устойчивости алгоритмов определения углов поворотов объекта по сигналам гироскопической бесплатформенной системы ориентации // Изв. вузов. Приборостроение. 1991. Т. 34, № 10. С. 62–68.Plotnikov P.K., Lyuchev S.A. Journal of Instrument Engineering, 1991, no. 10(34), pp. 62–68. (in Russ.)Плотников П. К. Элементы теории работы одной разновидности бесплатформенных инерциальных систем ориентации // Гироскопия и навигация. 1999. № 3. С. 23–35.Plotnikov P.K.Giroskopiya i Navigatsiya, 1999, no. 3, pp. 23–35. (in Russ.)Плотников П. К. Построение и анализ кватернионных дифференциальных уравнений задачи определения ориентации твердого тела с помощью бесплатформенной инерциальной навигационной системы // Механика твердого тела. 1999. № 2. С. 3–14.Plotnikov P.K. Mechanics of Rigid Bodies, 1999, no. 2, pp. 3–14. (in Russ.)Premerlani W., Bizard Р. Direction Cosine matrix IMU: Theory. 2009 [Электронный ресурс]: <http://http://gentlenav.googlecode.com/files/DCMDraft2.pdf>.Premerlani W., Bizard Р. Direction Cosine matrix IMU: Theory, 2009, http://http://gentlenav.googlecode.com/files/DCMDraft2.pdf.Жидкова Н. В., Волков В. Л. Моделирование бесплатформенной системы ориентации // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1. C. 4–14.Zhidkova N.V., Volkov V.L. Sovremennyye problemy nauki i obrazovaniya, 2015, no. 1, pp. 4–14. (in Russ.)Волков В. Л., Жидкова Н. В. Обработка информации в системе ориентации на основе МЭМС // Тр. Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Микромеханические системы. 2015. № 3. С. 279–286.Volkov V.L., Zhidkova N.V. Trudy Nizhegorodskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. R.E. Alekseyeva. Mikromekhanicheskiye sistemy, 2015, no. 3, pp. 279–286. (in Russ.)Алешкин В. В., Здражевский Р. А., Голованов П. Н., Марусич В. О. Методы и алгоритмы коррекции кинематических уравнений в задаче определения ориентации объекта // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 9. С. 494–504.Aleshkin V.V., Zdrazhevskiy R.A., Golovanov P.N., Marusich V.O. Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravleniye (Mechatronics, Automation, Control), 2021, no. 9(22), pp. 494–504. (in Russ.)Пат. РФ 2738342, МПК G01 M 7/00, G01 M 15/00. Способ автономной ориентации подвижного объекта с помощью инерциального измерительного модуля / В. В. Алешкин, Р. А. Здражевский, П. Н. Голованов, В. О. Марусич. Заяв. № 2019145337 от 30.12.2019.Patent RU 2738342, G01 M 7/00, G01 M 15/00, Sposob avtonomnoy oriyentatsii podvizhnogo ob”yekta s pomoshch’yu inertsial’nogo izmeritel’nogo modulya (Method for Autonomous Orientation of a Moving Object Using an Inertial Measurement Module), V.V. Aleshkin, R.A. Zdrazhevsky, P.N. Golovanov, V.O. Marusich, Patent application no. 2019145337, Priority 30.12.2019. (in Russ.)Алешкин В. В., Голованов П. Н. Модель БСО малоразмерного летательного аппарата на основе микромеханического инерциального измерительного модуля // Проблемы управления, обработки и передачи информации (УОПИ-2018): Сб. тр. VI Междунар. науч. конф. / Под ред. А. А. Львова и М. С. Светлова. Саратов: Лоди, 2019. C. 79–84.Aleshkin V.V., Golovanov P.N. Problemy upravleniya, obrabotki i peredachi informatsii (UOPI-2018) (Problems of Management, Processing and Transmission of Information (UPI-2018)), Proc. of the VI Intern. Sci. Conf., Saratov, 2019, рр. 79–84. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.