Jak nákladově efektivně implementovat spolehlivé navigační systémy pro letadla s přesnými součástkami

Vývoj sofistikovaných řešení aerometrického, výškového a kurzového referenčního systému (ADAHRS) má zásadní význam pro zajištění přesné navigace a bezpečnosti v systémech pilotovaných i bezpilotních letadel. K vytvoření robustních a spolehlivých návrhů systému ADAHRS potřebují konstruktéři součásti schopné řešit různé problémy návrhu leteckých navigačních systémů, včetně přesnosti senzorů, odolnosti vůči vlivům prostředí a systémové integrace.

Tento článek popisuje, jak přesné moduly získávání dat a inerciální měřicí jednotky (IMU) od společnosti Analog Devices řeší tuto problematiku a zjednodušují vývoj efektivních řešení systémů ADAHRS.

Bezpečnost letectví je založena na sofistikovaných senzorových systémech

Dostupnost přesných informací o letovém výkonu má zásadní význam pro bezpečnost ve všech segmentech letectví od bezpilotních leteckých systémů (UAS) až po těžká dopravní letadla. S aerodynamickým zdokonalováním letadel se vyvíjely i schopnosti leteckých systémů: od tradiční „šestice“ pilotních leteckých přístrojů založených na magnetických kompasech, mechanických gyroskopech a přístrojích s vakuovým pohonem, až po stále sofistikovanější „skleněné kokpity“ s elektronickým letovým přístrojovým systémem (EFIS) s grafickým zobrazením.

Systém ADAHRS, který je základem přístrojového systému EFIS, integruje funkce aerometrického, výškového a kurzového referenčního systému (AHRS), které jsou nezbytné pro doplnění navigačních prostředků globálního družicového navigačního systému (GNSS) dlouhého dosahu, jako je americký globální polohový systém (GPS) a související pozemní systém WAAS (Wide Area Augmentation System). Na základě měření atmosférického tlaku a teploty venkovního vzduchu vypočítává počítač aerometrických dat nadmořskou výšku a vertikální, vzdušnou a pozemní rychlost. K poskytování údajů o poloze a kurzu letadla (klopení, klonění a zatáčení) potřebných pro přibližné stanovení polohy v inerciální navigaci se systém ADAHRS spoléhá na kombinaci gyroskopů pro změny úhlové rychlosti, akcelerometrů pro změny lineární rychlosti a magnetometrů pro magnetický kurz. Charakter těchto kritických senzorů dramaticky změnily pokroky v technologii senzorů.

V minulosti byly složité optické nebo prstencové laserové gyroskopy jednou z mála dostupných technologií, které dokázaly zajistit dostatečnou přesnost pro letectví. Dostupnost pokročilých mikroelektromechanických obvodů (MEMS) dnes poskytuje vývojářům technologii schopnou uspokojit požadavky na různých leteckých platformách (obrázek 1).

Obrázek 1: gyroskopy MEMS třídy high-end nabízejí jedinečné vlastnosti, díky kterým se stávají upřednostňovanými technologiemi pro letecké elektronické systémy. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Společně s gyroskopy, akcelerometry a magnetometry závisí funkčnost systému ADAHRS také na spolehlivých datových tocích ze senzorů hlásících teplotu a tlak venkovního vzduchu. Další snímače tlaku, síly a polohy poskytují údaje o poloze a zatížení letových ploch, podvozku a řízení příďových kol. Další senzory poskytují základní údaje o výkonu motoru a palivu potřebném pro informační systémy motoru, jakož i o teplotě, tlaku a hladinách kyslíku v kabině.

Kombinace vysoce výkonných modulů získávání dat ze senzorů a inerciálních měřicích jednotek (IMU) s obvody MEMS od společnosti Analog Devices poskytuje vývojářům kriticky důležité součásti potřebné k poskytování avionických řešení se spolehlivostí, přesností, velikostí a nákladovými charakteristikami, které umožňují jejich aplikaci v široké škále leteckých systémů.

Aplikace modulů získáváni dat ze senzorů a inerciálních měřicích jednotek (IMU) v moderním letectví

Pro získávání dat ze široké škály senzorů na jakékoli letové platformě nabízejí vysoce výkonné moduly pro získávání dat řadu výkonnostních schopností pro každý způsob senzoru a funkční požadavek. Pomocí řešení přesného signálového řetězce s modulem µModule společnost Analog Devices integruje běžné subsystémy na zpracování signálu, včetně bloků na úpravu signálu a analogově-digitálních převodníků (ADC) do kompaktního systému v jednom pouzdře (SiP), který řeší náročné konstrukční výzvy. Moduly μModules také obsahují kriticky důležité pasivní součásti vytvořené pomocí technologie Analog Devices iPassive® s vynikajícími charakteristikami přizpůsobení a driftu, které minimalizují teplotně závislé zdroje chyb, zjednodušují kalibraci a zároveň zmírňují problémy s teplem. Významné snížení půdorysu řešení umožňuje škálovatelné letecké přístroje, které vyžadují přesnost a stabilitu v závislosti na teplotě a čase, rozšířit o další kanály/funkce. Moduly µModules zjednodušují rozpis materiálu signálového řetězce, snižují citlivost výkonu na externí obvody, zkracují cykly návrhu, čímž snižují celkové náklady na vlastnictví.

Moduly μModules ADAQ4003, resp. ADAQ23878 od společnosti Analog Devices navržené tak, aby splňovaly náročné požadavky na získávání dat, integrují plně diferenciální budicí zesilovač A/D převodníku (FDA, obrázek 2) s přizpůsobeným odporovým polem s přesností 0,005 %, stabilní referenční vyrovnávací paměť a 18bitový A/D převodník s postupným aproximačním registrem (SAR), schopný dodávat výkon 2, resp. 14 megavzorků za sekundu (MSPS).

Kombinací modulu μModule na získávání dat, například modelu ADAQ4003, s plně diferenciálním přístrojovým zesilovačem s programovatelným ziskem (PGIA), například modelem LTC6373 od společnosti Analog Devices, mohou vývojáři implementovat jednoduché řešení mnoha požadavků na složité snímání v leteckých systémech.

Obrázek 2: kombinací plně diferenciálního přístrojového zesilovače s programovatelným ziskem (PGIA) LTC6373 se systémem získávání dat ADAQ4003 μModule mohou vývojáři efektivně vyhovět mnoha požadavkům na snímání v letectví. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Jak již bylo zmíněno dříve, senzory založené na obvodech MEMS nabízejí efektivní řešení pro poskytování kritických dat požadovaných pro funkčnost systémů ADAHRS. Díky integraci triaxiálních gyroskopů a triaxiálních akcelerometrů MEMS s teplotními senzory a dalšími funkčními bloky poskytují inerciální měřicí jednotky (IMU) se šesti stupni volnosti, jako je přesná miniaturní jednotka IMU s obvodem MEMS ADIS16505 a taktický inerciální senzor ADIS16495 od společnosti Analog Devices, kompletní sadu funkcí požadovaných pro zjednodušení vývoje subsystémů letectví (obrázek 3).

Obrázek 3: jednotky ADIS16505 IMU a ADIS16495 IMU (znázorněné zde) integrují senzory s řadičem, kalibrací, zpracováním signálu a samotestovacími bloky, čímž poskytují kompletní řešení pro letecké systémy typu ADAHRS tvořící základ elektronických měřicích systémů. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

V kombinaci se systémem ADAHRS mohou tyto systémy poskytnout základní součásti inerciálních navigačních systémů schopných definovat potřebný kurz k požadovanému cíli i bez satelitních nebo pozemních navigačních pomůcek. Stejně jako u jiných vyrobených zařízení podléhají zařízení založená na obvodech MEMS různým zdrojům výkonových omezení, která mohou snížit přesnost výpočetní navigace. Přesnost gyroskopů MEMS omezují například nevyhnutelné výrobní odchylky, vnitřní zdroje rušení a vlivy prostředí.

Výrobci uvádějí výkonnostní účinky těchto variací v četných parametrových specifikacích v katalogových listech. Mezi těmito specifikacemi mohou citlivost, nelinearita a parametry zkreslení přímo ovlivnit přesnost systému ADAHRS. U gyroskopů může omezená citlivost (rozlišení měření úhlové rychlosti) vést k chybě kurzu (Ψ) a k chybě polohy (d_e) během zatáček (obrázek 4, vlevo); nelineární odezva (odchylka od ideální lineární odezvy) může vést k podobným chybám po sérii manévrů, jako jsou S-zatáčky (obrázek 4, uprostřed); a vychýlení gyroskopu má za následek drift kurzu a polohy i během cestovního letu (přímý a vodorovný let bez zrychlení) (obrázek 4, vpravo).

Obrázek 4: Omezení citlivosti, nelinearita a vychýlení gyroskopu mohou mít za následek akumulaci chyby kurzu (Ψ) a chyby polohy (d_e) během zatáček (vlevo), S-zatáček (uprostřed) a cestovního letu (vpravo). (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Chyby vychýlení vznikají vlivem nesprávného vyrovnání jednotlivých os gyroskopu vzhledem k jiným osám nebo pouzdru, chyb měřítka a nesprávné odezvy gyroskopu na lineární zrychlení rotace v důsledku asymetrií ve výrobě obvodů MEMS. Společnost Analog Devices pro své jednotky IMU ADIS16505 a ADIS16495 stanovila korekční faktory vychýlení specifické pro jednotlivé součásti jejich testováním při různých otáčkách a teplotách. Tyto korekční faktory vychýlení specifické pro danou součást jsou uloženy v interní paměti flash jednotlivých součástí a aplikovány během zpracování signálu snímače.

Kromě korekčních faktorů je chyba vychýlení v průběhu času ovlivňována také náhodným šumem z různých zdrojů. Ačkoli není možné tento náhodný šum přímo kompenzovat, jeho účinky lze snížit vzorkováním po delší integrační časy. Míra, do jaké delší vzorkovací časy snižují šum, je uvedena v katalogovém listu gyroskopu v grafu Allanových odchylek (nebo Allanových variací), který znázorňuje šum ve stupních za hodinu (°/h) v závislosti na periodě integrace (τ) (obrázek 5).

Obrázek 5: - grafy Allanových odchylek pro gyroskopy MEMS v jednotkách ADIS16495 IMU (vlevo) a ADIS16505 IMU (vpravo) popisují schopnost prodloužené doby vzorkování kompenzovat náhodný drift. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Minimum v grafu Allanových odchylek představuje nejlepší případ driftu gyroskopu v průběhu času - jedná se o parametr nazývaný stabilita permanentní odchylky (IRBS), který se ve specifikacích katalogového listu obvykle uvádí jako součet střední a jedné standardní odchylky. Pro vývojáře vytvářejí vysoce přesná řešení systémů ADAHRS poskytuje stabilita permanentní odchylky (IRBS) jednotky IMU základní parametr pro pochopení případu nejlepšího možného výkonu této součásti. Odborníci na gyroskopy udělují jednotkám IMU, jako je model ADIS16495 od společnosti Analog Devices, klasifikaci „taktické třídy“, pokud hodnoty stability permanentní odchylky (IRBS) jejich gyroskopu leží v rozsahu 0,5 ° až 5,0 °/h.

Jednotka ADIS16495 vykazuje přísné hodnoty mnoha kriticky důležitých parametrů, čímž vyhovuje náročnějším taktickým aplikacím. Pro zvýšení výkonu jednotka ADIS16495 integruje dvojici gyroskopů MEMS a vyhrazený vzorkovací signálový řetězec 4100 Hz pro každou ze tří os (obrázek 6).

Obrázek 6: jednotka ADIS16495 IMU taktické třídy zlepšuje přesnost gyroskopu a výkon driftu zprůměrováním výstupu z dvojice gyroskopů MEMS s vyhrazenými signálními řetězci. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Vzorky z jednotlivých signálových řetězců jsou následně zkombinovány pomocí samostatné vzorkovací frekvence 4250 Hz (f_SM) poskytující měření úhlové rychlosti, které snižuje účinek šumu. Kombinací této metody vzorkování s přísnějšími výkonovými specifikacemi je jednotka IMU schopná vyhovět náročnějších leteckým požadavkům.

Rychlý vývoj a průzkum návrhů založených na jednotkách IMU

S cílem pomoci urychlit vývoj návrhů založených na jednotkách IMU poskytuje společnost Analog Devices komplexní sadu vývojových nástrojů. Softwarová sada FX3 od společnosti Analog Devices navržená tak, aby podporovala vyhodnocovací desku EVAL-ADIS-FX3 jednotky IMU (obrázek 7) a související rozvětvovací desky obsahuje balíček firmwaru, rozhraní pro programování aplikací (API) kompatibilní s prostředím .NET a grafické uživatelské rozhraní (GUI). Knihovna wrapper dodávaná s rozhraním API umožňuje vývojářům pracovat s jakýmkoli vývojovým prostředím podporujícím platformu .NET, včetně prostředí jazyků MATLAB, LabView a Python. Vyhodnocovací rozhraní GUI softwarové sady FX3 umožňuje vývojářům snadno číst a zapisovat registry, zachytávat data a znázorňovat grafické výsledky v reálném čase.

Obrázek 7: vyhodnocovací deska EVAL-ADIS-FX3 je součástí kompletního balíku hardwarové a softwarové podpory, který pomáhá při spouštění jednotek IMU od společnosti Analog Devices. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Závěr

Řešení leteckých systémů ADAHRS tvoří srdce vyvíjejících se elektronických letových přístrojových systémů (EFIS). Díky vývoji přesných gyroskopů, akcelerometrů a magnetometrů založených na technologiích MEMS jsou letecké systémy schopné nabídnout letové výkony a navigační schopnosti, které měly dosud k dispozici jen ty největších flotily komerčních letadel. Pomocí modulů na získávání dat a vysoce integrovaných jednotek IMU od společnosti Analog Devices mohou vývojáři leteckých přístrojů navrhovat cenově efektivnější a menší řešení splňující přísné požadavky na funkčnost, bezpečnost a spolehlivost v leteckých systémech.