Определение положения лифта
и параметров движения методами инерциальной навигации
Система инерциального слежения за перемещением лифтовой кабины — аппаратно программный комплекс, в основу работы которого положены классические, ньютоновские, законы механики. Инерциальная навигация — метод определения координат и параметров движения различных объектов и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел и являющийся автономным, т. е. не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов. В инерциальных навигационных системах исходной (главной) системой отсчёта, по отношению к которой производятся инерциальные измерения, служит инерциальная система, т. е. относительно неподвижная система. Посредством инерциальных навигационных систем определяют координаты, скорость, ускорение и др. основные параметры движения объекта.
Преимущества методов инерциальной навигации по отношению к остальным методам навигации состоят в автономности, помехозащищенности и возможности полной автоматизации всех процессов навигации. Эти качества определили инерциальные навигационные системы как наиболее перспективные навигационные системы.
Принцип действия инерциальной навигационной системы состоит в определении параметров движения лифтовой кабины. Движение лифта можно охарактеризовать такими изменяемыми параметрами как: ускорение, скорость и относительно перемещение. Уравнение движения лифтовой кабины в инерциальной системе координат, являющееся основным уравнением инерциального метода определения параметров движения; в общем случае имеет вид:
где ω — ускорение, измеряемое акселерометром; rm — радиус-вектор точки М (центра тяжести воспринимающего элемента) в инерциальной системе координат; F — сила притяжения единицы массы воспринимающего элемента в точке М (ускорение тяготения).
Сущность метода идентификации движения заключается в измерении ускорения движения лифтовой кабины. Ускорение можно измерить специализированным датчиком — акселерометром, далее, измеренный аналоговый сигнал необходимо оцифровать с помощью анализатора спектра, в основе которого лежат методы аналого-цифрового преобразования, и уже в цифровом виде передать на вычислитель (например, персональный компьютер) для последующей обработки. Постобработка полученного сигнала ускорения заключается в применении математического аппарата, а именно, подсчитав интеграл исходного сигнала ускорения мы получим скорость движения лифта, а проинтегрировав исходный сигнал дважды мы получим относительное перемещение лифта, то есть ее координату.
Поток информации с нижнего уровня датчиков до верхнего уровня оператора
Практическая реализация методов ИН связана со значительными трудностями, например, для интегрирования основного уравнения используются гироскопические, электромеханические и др. интеграторы, наша система использует довольно простую в использовании структуру обработки сигнала датчик-АЦП-компьютер вызываемыми необходимостью обеспечить высокую точность и надёжность работы всех устройств при заданных весах и габаритах. Преодоление этих трудностей становится возможным благодаря созданию специализированного аппаратно программного комплекса — инерциальной навигационной системы/
Инерциальные навигационные системы различают по ряду признаков:
- по ориентации направлений осей чувствительности инерциальных измерителей:
- с произвольной ориентацией;
- с ориентацией по звёздам;
- с ориентацией по осям, жестко связанным с объектом;
- с неизменной ориентацией относительно небесного тела, например Земли;
- с горизонтальной ориентацией и др.;
- по способу построения вертикали места:
- с аналитической, или расчётной, вертикалью;
- c инерциальным построителем вертикали;
- по наличию стабилизированной платформы:
- со стабилизированной гироскопической или астроплатформой;
- бесплатформенные и др.
Классические инерциальные навигационные системы весьма сложны и дорогостоящи. Срок службы их меньше, чем у обычных гироскопических приборов. Для правильного функционирования инерциальной навигационной системы перед стартом объекта требуется ввести начальные данные по координатам пункта старта и скорости, произвести ориентирование инерциальных измерителей. Простота, надежность и достоверность измерений с применением предлагаемого метода инерционной навигации определяется несколькими причинами:
- простота системы и надежность системы, за счет малого количества входящих в нее звеньев;
- модульный принцип построения системы;
- возможность полной автоматизации измерения и управления;
- метрологическое обеспечение измерительной части, т.е. аппаратные и программные средства внесены в государственный реестр РФ и являются средствами измерения;
Для создания простейшей инерциальной навигационной системы достаточно иметь персональный компьютер (ноутбук), анализатор спектра или модуль АЦП-ЦАП и акселерометр.
Акселерометр — прибор, измеряющий постоянную составляющую ускорения движения лифтовой кабины. Современные акселерометры позволяют измерять ускорение сразу в трех плоскостях. Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения, так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения. Последнее свойство используется для создания инклинометров. Акселерометры входят в состав инерциальных навигационных систем, где полученные с их помощью измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя. В настоящей системе предлагается использовать акселерометр ВС201 является ёмкостным акселерометром и может использоваться как датчик линейных ускорений и датчик положений, поскольку измеряет не только переменную, но и постоянную составляющую сигнала ускорения. При установке акселерометра ВС201 на наклонную поверхность можно измерить центробежное ускорение.
Акселерометр ВС201 хорошо подходит для создания инерциальных навигационных систем. В сочетании с модулем АЦП-ЦАП ZET220, подключаемым к персональному компьютеру (ноутбуку), датчик ВС201 составляет достаточно компактную и многофункциональную систему.
С точки зрения эксплуатации такой системы рисунок 1 можно представить в ином виде, а именно, в ключе «измерение и моментально отображение результата»:
Упрощенная функциональная схема АПК
Акселерометр ВС201 надежно закрепляется в вертикальном положении в кабине лифта и подключается к модулю АЦП-ЦАП ZET220, который подсоединен к персональному компьютеру (ноутбуку). Обработка результатов эксперимента осуществляется при помощи готового решения, созданного в SCADA-системе ZETView — программа «Инерциальная навигационная система» (описание алгоритма). Использование SCADA позволяет пользователю редактировать как логику автоматизации процесса измерения и управления, так и внешний вид оператора для адаптации под себя, если это необходимо.
Результаты измерения параметров движения лифта
Ниже приведены два рисунка, на которых представлены результаты работы программы — измерения при движении лифта вверх (рисунок слева) и вниз (рисунок справа).
При проведении серии экспериментов, заключающихся в измерении скорости и перемещения лифта при движении на различные расстояния вниз и вверх, была рассчитана погрешность метода, которая составляет 0.5% при наличии собственных шумов у измерительного датчика, равных 0.0002g. В частности при поездке на 21 этаж одного здания получены значения, представленные на рисунках 7 и 8. Так же, безусловным преимуществом системы является графическая визуализация всего процесса. На графиках отчетливо виден момент начала разгона и момент остановки, что дает возможность детально проанализировать переходные процессы, возникающие при старте и остановке.
Статья опубликована в журнале «Лифт» № 8 (75) 2010
Авторы статьи: Антонов А.Ю., Красовский А.А.
В статье была использована следующая литература:
«Принципы инерциальной навигации», пер. с англ., под ред. В. А. Боднера;
«Инерциальный метод измерения параметров движения летательных аппаратов» Помыкаев И. И.