Membangunkan penyelesaian data udara, sikap dan sistem rujukan arah (ADAHRS) yang canggih adalah penting untuk memastikan navigasi dan keselamatan yang tepat dalam sistem pesawat berawak dan tanpa pemandu. Untuk mencipta reka bentuk ADAHRS yang teguh dan boleh dipercayai, pembangun memerlukan komponen yang boleh menangani pelbagai cabaran dalam reka bentuk sistem navigasi avionik, termasuk ketepatan sensor, daya tahan alam sekitar dan penyepaduan sistem.
Artikel ini menerangkan cara modul pemerolehan data ketepatan dan unit ukuran inersia (IMU) daripada Peranti Analog menangani cabaran ini dan memudahkan pembangunan penyelesaian ADAHRS yang berkesan.
Keselamatan penerbangan dibina pada sistem berasaskan sensor yang canggih
Ketersediaan maklumat prestasi penerbangan yang tepat adalah penting untuk keselamatan dalam semua segmen penerbangan, daripada sistem udara tanpa pemandu (UAS) kepada jet penumpang berat. Memadankan peningkatan aerodinamik dalam pesawat, keupayaan sistem avionik telah berkembang daripada instrumen penerbangan tradisional "enam pek" juruterbang berdasarkan kompas magnet, giroskop mekanikal, dan instrumen penerbangan dipacu vakum, kepada paparan grafik yang semakin canggih sistem instrumen penerbangan elektronik (EFIS). ) “kokpit kaca.”
Mendasari EFIS, ADAHRS menyepadukan keupayaan komputer data udara dan sistem rujukan sikap dan tajuk (AHRS) yang diperlukan untuk melengkapkan bantuan navigasi sistem satelit navigasi global (GNSS) jarak jauh, seperti sistem kedudukan global (GPS) AS. dan sistem pembesaran kawasan luas berasaskan darat (WAAS) berkaitan GPS. Komputer data udara mengira ketinggian dan kelajuan menegak, udara dan tanah menggunakan ukuran tekanan atmosfera dan suhu udara luar. Untuk menyediakan sikap pesawat (pitch, roll, dan yaw) dan data tajuk yang diperlukan untuk pengiraan mati dalam navigasi inersia, ADAHRS bergantung pada gabungan giroskop untuk perubahan dalam halaju sudut, pecutan pecutan untuk perubahan dalam halaju linear, dan magnetometer untuk tajuk magnet. . Kemajuan dalam sensor teknologi telah mengubah secara mendadak sifat penderia kritikal ini.
Pada masa lalu, giroskop gentian optik atau laser cincin yang kompleks adalah antara beberapa teknologi tersedia yang boleh memberikan ketepatan yang mencukupi untuk penerbangan. Hari ini, ketersediaan sistem mikroelektromekanikal (MEMS) termaju menyediakan pemaju dengan teknologi yang boleh memenuhi keperluan merentasi pelbagai platform penerbangan (Rajah 1).
Bersama-sama dengan giroskop, pecutan dan magnetometer, kefungsian ADAHRS juga bergantung pada aliran data yang boleh dipercayai daripada penderia yang melaporkan suhu dan tekanan udara di luar. Penderia tekanan, daya dan kedudukan lain menyampaikan data tentang kedudukan dan pemuatan permukaan penerbangan, gear pendaratan dan stereng roda hidung. Penderia tambahan menyediakan data penting tentang prestasi enjin dan bahan api yang diperlukan untuk sistem maklumat enjin, serta suhu kabin, tekanan dan paras oksigen.
Gabungan modul pemerolehan data sensor berprestasi tinggi dan IMU MEMS daripada Peranti Analog menyediakan pembangun dengan komponen kritikal yang diperlukan untuk menyampaikan penyelesaian avionik dengan ciri kebolehpercayaan, ketepatan, saiz dan kos yang membenarkan aplikasinya merentas rangkaian penuh sistem penerbangan penerbangan.
Menggunakan modul pemerolehan data sensor dan IMU dalam avionik moden
Untuk memperoleh data daripada rangkaian luas penderia dalam mana-mana platform penerbangan, modul pemerolehan data berprestasi tinggi menawarkan pelbagai keupayaan prestasi untuk setiap modaliti penderia dan keperluan fungsi. Dengan Rantaian Isyarat Ketepatan µModul Penyelesaian, Peranti Analog menyepadukan subsistem pemprosesan isyarat biasa termasuk blok penyaman isyarat dan penukar analog-ke-digital (ADC) dalam peranti sistem-dalam-pakej (SIP) padat untuk menyelesaikan cabaran reka bentuk yang sukar. μModul juga menggabungkan komponen pasif kritikal dengan ciri padanan dan drift unggul yang dibina menggunakan teknologi iPassive® Peranti Analog, yang meminimumkan sumber ralat bergantung kepada suhu dan memudahkan penentukuran sambil mengurangkan cabaran terma. Pengurangan jejak penyelesaian yang ketara membolehkan penambahan lebih banyak saluran/fungsi untuk instrumen penerbangan berskala yang memerlukan ketepatan dan kestabilan mengikut suhu dan masa. µModul memudahkan Rangkaian isyarat Rangkaian Bahan (BOM), mengurangkan sensitiviti prestasi kepada litar luaran, memendekkan kitaran reka bentuk, oleh itu mengurangkan jumlah kos pemilikan.
Direka bentuk untuk memenuhi keperluan pemerolehan data yang mendesak, ADAQ4003 dan ADAQ23878 μModul Peranti Analog menyepadukan penguat pemacu ADC pembezaan sepenuhnya (FDA, Rajah 2) dengan tatasusunan perintang dipadankan ketepatan 0.005%, penimbal rujukan yang stabil dan bit penghampiran kejayaan 18 daftar (SAR) ADC, masing-masing mampu menyampaikan 2 megassampel sesaat (MSPS) dan 15 prestasi MSPS.
Dengan menggabungkan peranti pemerolehan data μModule seperti ADAQ4003 dengan penguat instrumentasi boleh atur cara yang berbeza sepenuhnya (PGIA), seperti LTC6373 Peranti Analog, pembangun boleh melaksanakan penyelesaian mudah kepada banyak keperluan penderiaan kompleks sistem penerbangan.
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, penderia berasaskan MEMS menawarkan penyelesaian yang berkesan untuk menyampaikan data kritikal yang diperlukan untuk fungsi ADAHRS. Dengan menyepadukan giroskop triaksial MEMS dan pecutan triaksial dengan penderia suhu dan blok fungsian lain, IMU dengan enam darjah kebebasan, seperti ADIS16505 miniatur kecil ketepatan MEMS IMU dan penderia inersia gred taktikal ADIS16495 Peranti Analog, menyediakan set lengkap fungsi yang diperlukan untuk memudahkan pembangunan subsistem avionik (Rajah 3).
Digabungkan dalam ADAHRS, sistem ini boleh menyediakan komponen penting sistem navigasi inersia yang mampu memberikan hala tuju yang diperlukan ke destinasi yang diingini walaupun tanpa satelit atau bantuan navigasi berasaskan darat. Seperti mana-mana peranti yang dihasilkan, peranti berasaskan MEMS tertakluk kepada sumber had prestasi yang berbeza yang boleh merendahkan ketepatan navigasi yang dikira. Contohnya, variasi yang tidak dapat dielakkan dalam pembuatan, sumber hingar dalaman dan kesan alam sekitar mengehadkan ketepatan giroskop MEMS.
Pengilang mendokumenkan kesan prestasi variasi ini dalam banyak spesifikasi parameter lembaran data. Antara spesifikasi ini, parameter sensitiviti, ketaklinear dan bias boleh memberi kesan secara langsung kepada ketepatan ADAHRS. Dalam giroskop, kepekaan terhad (resolusi ukuran kadar sudut) boleh mengakibatkan ralat tajuk (Ψ) dan ralat kedudukan (de) semasa pusingan (Rajah 4, kiri); tindak balas tak linear (sisihan daripada tindak balas linear ideal) boleh mengakibatkan ralat yang serupa berikutan beberapa siri gerakan seperti pusingan-S (Rajah 4, tengah); dan pincang giroskop mengakibatkan hanyut dalam tajuk dan kedudukan walaupun semasa pelayaran (penerbangan lurus dan aras tanpa pecutan) (Rajah 4, kanan).
Ralat berat sebelah timbul daripada penjajaran setiap paksi giroskop kepada paksi atau pakej lain, ralat penskalaan dan tindak balas yang salah giroskop terhadap pecutan linear sebagai putaran disebabkan asimetri dalam fabrikasi MEMS. Untuk IMU ADIS16505 dan ADIS16495nya, Peranti Analog menentukan faktor pembetulan pincang khusus untuk setiap peranti dengan mengujinya pada berbilang kadar putaran dan suhu. Faktor pembetulan bias khusus bahagian ini disimpan dalam memori denyar dalaman setiap bahagian dan digunakan semasa pemprosesan isyarat sensor.
Selain faktor bias yang boleh dibetulkan, hingar rawak daripada pelbagai sumber memberi kesan kepada ralat bias dari semasa ke semasa. Walaupun tidak mungkin untuk mengimbangi hingar rawak ini secara langsung, kesannya boleh dikurangkan dengan pensampelan dalam masa penyepaduan yang lebih lama. Tahap masa pensampelan yang lebih lama akan mengurangkan hingar diterangkan dalam plot sisihan Allan (atau varians Allan) lembaran data giroskop, yang memaparkan hingar dalam darjah sejam (°/jam) berbanding tempoh penyepaduan (τ) (Rajah 5).
Minimum plot sisihan Allan mewakili kes terbaik untuk hanyut giroskop dari semasa ke semasa, parameter yang dipanggil kestabilan pincang dalam-jalan (IRBS) biasanya dinyatakan dari segi jumlah min dan satu sisihan piawai dalam spesifikasi lembaran data. Bagi pembangun yang mencipta penyelesaian ADAHRS yang sangat tepat, IRBS IMU menyediakan parameter penting untuk memahami prestasi kes terbaik yang mungkin dengan bahagian itu. Pakar giroskop mengklasifikasikan IMU seperti ADIS16495 Peranti Analog sebagai "gred taktikal" apabila nilai IRBS giroskop mereka adalah antara 0.5° dan 5.0°/jam.
ADIS16495 menampilkan spesifikasi yang ketat merentas berbilang parameter penting untuk memenuhi aplikasi taktikal yang lebih mencabar. Membantu prestasinya yang dipertingkatkan, ADIS16495 menyepadukan sepasang giroskop MEMS dan rantai isyarat pensampelan 4100 hertz (Hz) khusus untuk setiap tiga paksinya (Rajah 6).
Sampel dari setiap rantai isyarat kemudiannya digabungkan menggunakan frekuensi sampel 4250 Hz yang berasingan (fSM) untuk menyediakan ukuran kadar sudut yang mengurangkan kesan hingar. Menggabungkan kaedah pensampelan ini dengan spesifikasi prestasi yang lebih ketat menghasilkan IMU yang mampu memenuhi keperluan avionik yang lebih mencabar.
Pembangunan pesat dan penerokaan reka bentuk berasaskan IMU
Untuk membantu mempercepatkan pembangunan reka bentuk berdasarkan IMUnya, Peranti Analog menyediakan set alat pembangunan yang komprehensif. Direka bentuk untuk menyokong papan penilaian IMU EVAL-ADIS-FX3 (Rajah 7) dan papan pecah yang berkaitan, susunan perisian FX3 Peranti Analog terdiri daripada pakej perisian tegar, antara muka pengaturcaraan aplikasi (API) yang serasi dengan .NET dan antara muka pengguna grafik ( GUI). Pustaka pembalut yang disediakan dengan API membolehkan pembangun bekerja dengan mana-mana persekitaran pembangunan yang menyokong .NET, termasuk persekitaran untuk MATLAB, LabView dan Python. Semasa pembangunan, GUI penilaian FX3 membolehkan pembangun membaca dan menulis daftar dengan mudah, menangkap data dan memplot keputusan dalam masa nyata.
Kesimpulan
Penyelesaian avionik ADAHRS membentuk nadi EFIS yang sedang berkembang. Dengan pembangunan giroskop ketepatan, pecutan dan magnetometer berdasarkan teknologi MEMS, sistem avionik boleh menawarkan prestasi penerbangan dan keupayaan navigasi yang berada di luar jangkauan semua kecuali armada terbesar pesawat komersial. Menggunakan modul pemerolehan data dan IMU yang sangat bersepadu daripada Peranti Analog, pembangun avionik boleh mereka bentuk penyelesaian yang lebih kos efektif dan lebih kecil untuk memenuhi keperluan ketat untuk kefungsian, keselamatan dan kebolehpercayaan dalam sistem penerbangan.