PROBLEMY STABILIZACJI LOKATORA AKUSTYCZNEGO NA BEZZAŁOGOWYM STATKU POWIETRZNYM

Transkrypt

1 Prof. WAT dr hab. inż. Jan PIETRASIEŃSKI Mgr inż. Stanisław GRZYWIŃSKI Dr inż. Dariusz RODZIK Wojskowa Akademia Techniczna PROBLEMY STABILIZACJI LOKATORA AKUSTYCZNEGO NA BEZZAŁOGOWYM STATKU POWIETRZNYM Streszczenie: W referacie zaprezentowano obecne tendencje rozwojowe dla mobilnych systemów akustycznej lokacji. Przedstawiono sposoby rozwiązań sprzętowych stosowanych dla lokatorów akustycznych montowanych na bezzałogowych statkach powietrznych oraz możliwości ich wykorzystania. Scharakteryzowano również problem implementacji systemu stabilizacji lokatora akustycznego. STABILIZATION PROBLEMS OF LOCALIZATION STRUCTURE ON UNMANNED AERIAL VEHICLE Abstract: In this paper was presented current trends in the development of mobile systems of acoustic location. Hardware solutions used in acoustic location systems mounted on Unmanned Aerial Vehicles (UAV) and the possibility of their use ware presented. Also the problem of implementation of stabilization in location systems was described. Słowa kluczowe: lokacja akustyczna, system stabilizacji, BSL Keywords: acoustic location, stabilization system, UAV 1. WPROWADZENIE W ostatniej dekadzie powstało wiele urządzeń przeznaczonych do akustycznej detekcji, klasyfikacji i wyznaczania zarówno współrzędnych stanowisk ogniowych, jak i parametrów związanych z wystrzelonym pociskiem poruszającym się z prędkością naddźwiękową. Szybki rozwój procesorów i czujników pomiarowych oraz stale rosnące możliwości i wymagania sprawiają, że tylko niewielka ich część potrafi sprostać dzisiejszym wymogom. Urządzenia używane do tego celu nazywane są lokatorami akustycznymi (LA). W zależności od rodzaju LA, generowane fale akustyczne można wykorzystać tylko do wykrywania obiektów albo do wykrywania obiektów i pomiaru ich współrzędnych bądź też wykrywania obiektów i pomiaru większej ilości charakteryzujących je parametrów. Obecnie poszukuje się efektywniejszych sprzętowo i algorytmicznie metod detekcji, lokacji, rozpoznawania i klasyfikacji obiektów, które stanowią źródło fal dźwiękowych. Jedną z wielu możliwości sprzętowego rozwiązania akustycznego lokatora (LA) jest jego implementacja na bezzałogowym statku powietrznym (BSL), który wyposażony jest w głowicę obserwacyjno- -śledzącą. Dzięki takiemu podejściu można znacząco poszerzyć możliwości LA i wykorzystać jego zalety w innych obszarach zastosowań. Projekt mobilnego systemu akustycznej lokacji przewiduje jego instalację bezpośrednio w gondoli umieszczonej na BSL lub też w postaci wersji holowanej za BSL (rys. 1). Tego rodzaju system z powodzeniem mógłby pełnić funkcję rozpoznania stanu pola walki (rys. 2). Projektowany LA powinien umożliwić określenie pozycji danego źródła dźwięku względem globalnego układu współrzędnych związanego z obserwatorem na ziemi. Uzyskany w ten sposób namiar mógłby posłużyć jako punkt odniesienia, który byłby poddany obserwacji 553

2 MECHANIK 7/2014 przez system wizyjny samolotu. Innym rozwiązaniem byłoby przekazywane uzyskanych współrzędnych do systemu rejestracji i oceny stanu pola walki. Rys. 1. Miejsca mocowania LA na BSL: a) bezpośrednio na BSL, b) holowanej za BSL Głównym problemem okazuje się brak dowiązania układu odniesienia LA do układu obserwatora znajdującego się na ziemi. W takim przypadku znaczące stają się fluktuacje kątów położenia BSL, przez co niemożliwe okazuje się dokładne wyznaczenie namiaru źródła dźwięku w układzie współrzędnych związanym z obserwatorem na ziemi. Rys. 2. Przykładowy szkic zastosowania LA w wersji mobilnej zainstalowanej na BSL Celem artykułu jest przedstawienie obecnych problemów i kierunków akustycznej lokacji oraz zobrazowanie implementacji systemu, który pozwalałby na przeprowadzenie procesu lokalizacji niezależnie od kątów przechylenia, pochylenia i odchylenia statku powietrznego przy założeniu określonej dokładności wskazania namiaru oraz minimalnej liczby czujników. 2. STOSOWANE ROZWIĄZANIA TECHNICZNE Lokator akustyczny zainstalowany na BSL przeznaczony jest głównie do detekcji i lokalizacji przelatujących obiektów, które stanowią źródło fal dźwiękowych. W ogólnych rozważaniach 554

3 XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputeroweg go Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji LA zbudowany jest z trzech podstawowych elementów: akustycznej głowicy lokacyjnej, modułu u procesora wraz z układem nadawczym i anteny (rys. 3a-b). a) b) c) d) Rys. 3. Elementy składowe LA: a) głowica lokacyjna [1]; b) nadajnik [1]; c) komplet elementów składowych LA [2]; d) elementy LA z nadajnikiem i procesorem pokładowymp m [2] Akustyczna głowica LA z czujników ciśnienia wraz z układami dopasowania pełni funkcję układu pomiarowego. Jednostka procesora wraz z modułem nadawczym odpowiedzialna jest za obróbkę sygnału, wyznaczanie współrzędnych źródła dźwięku i pełni funkcję przekaźnika danych pomiarowych (rys. 3c-d)przedstawionego LA polega na detekcji fali akustycznej, generowanej przez przelatujący w pobliżu obiekt.. Wartość uchybu odległości o względem układu Istota działania pomiarowego LA determinuje amplituda sygnału, zaś położenie kątowe (tj. namiar) wyznaczane jest na podstawie informacji o kolejności oddziaływania czołaa fali akustycznej na poszczególne sensory układuu pomiarowego. Zarówno odległość, jak i położenie kątowe wykrytego obiektu mierzone są w czasie rzeczywistym. Dane pomiarowe lub obliczone parametry zaburzenia przekazywane są poprzez specjalizowany układ nadawczy do stacji naziemnej, gdzie ulegają dalszej obróbce i analizie. Przeznaczenie, kształt i konfiguracja a bezzałogowych statków latających wymuszają ostateczny skład i rozmieszczenie elementów LA. Czujniki głowicy g lokacyjnej mogą być umieszczone np. na skrzydle (rys. 4a-b), w części przedniej (dziobowej) (rys. 4c-d) albo środkowej kadłubaa (rys. 4e) lub LA możee być holowany za BSLL (rys. 4f). 555

4 XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputeroweg go Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji a) b) c) d) e) f) Rys. 4. Sposoby umieszczenia lokatora akustycznego na BSL: a-b) na skrzydle [1], c) głowica akustyczna [3], d) część dziobowaa z głowicą akustyczną i układem procesora [3], e) w części środkowej kadłuba [2], f) LA przystosowany do holowania [2] 3. PROBLEM STABILIZACJI LA W przypadku LA umieszczonego w powietrzu na platformie BSL lub w wersji holowanej za nim, znaczeniaa nabiera orientacja przestrzenna układu pomiarowegp go. Aby poprawnie wyznaczać namiar na obiekt w układzie współrzędnych nie związanym z układem lokalnym BSL, niezbędna jest informacja o chwilowym położeniu czujników, które zarejestrowały zaburzenie. Zarówno w przypadku niewielkich ruchów układu pomiaroweg go, jak i dla a różnych rozwiązań konstrukcyjnych apertury pomiarowej LA, określenie namiaru, tzn. kierunku rozchodzenia się dźwięku, może być obarczone błędami związanymi z orientacją układuu pomiarowego LA na BSL względem globalnegoo układu współrzędnych (rys. 5). Możliwość ustalenia kątów orientacji przestrzennej przemieszczającego się obiektu jest jednym z podstawowych wymogów, jakie stawia się systemomm nawigacji. W przypadku LA możliwość ta jest niewątpliwą zaletą. W wielu rozwiązaniach technicznych problem orientowania można sprowadzić do orientacji jednej z głównych osi, np. w zagadnieniach orientacji morskiej w płaszczyźnie horyzontu względem kierunku północy, czyli do określenia kursu. W rozważanym przypadku ze względu na przestrzenną aperturę pomiarową LA niezbędne jest rozpatrywanie zagadnienia w trzech osiach swobody. 556

5 Rys. 5. Szkic błędów określania namiaru względem globalnego układu współrzędnych Dzięki zaawansowanemu połączeniu danych z czujników położenia, a w szczególności przyspieszeń (rys. 6), możliwe jest bardzo precyzyjne określenie orientacji i kierunku ruchu w trójwymiarowej przestrzeni. Przestawiony na rys. 6a układ został wykorzystany jako czujnik do pomiaru przyspieszeń, pola magnetycznego, prędkości kątowej oraz wysokości. Moduł jest połączeniem 3-osiowego akcelerometru, magnetometru, żyroskopu i barometru. Połączenie danych z różnych czujników jest nieodzowne dla platformy procesora pokładowego LA z funkcją wirtualnego (sztucznego) horyzontu, którego wersję sprzętową przedstawiono na rys. 6b. Rys. 6. Zastosowane układy elektroniczne LA: a) moduł AltIMU-10 wyposażony w czujniki pomiarowe, b) zaprojektowana platforma procesora pokładowego Do określania bieżącego przechylenia, pochylenia i odchylenia czujników pomiarowych można użyć różnych czujników. Do podstawowych należą akcelerometry, żyroskopy oraz inklinometry. Akcelerometry są używane w pomiarach statycznego przyspieszenia grawitacyjnego pozwalającego wyznaczyć kąt odchylenia obiektu od pionu, jak również w pomiarach przyspieszenia dynamicznego na skutek ruchu, uderzenia, wstrząsów lub wibracji. Istnieją różne rodzaje czujników tego typu. Jednym z popularniejszych rozwiązań w urządzeniach elektroniki użytkowej są przetworniki pojemnościowe. Głównym elementem czujnika jest tzw. masa bezwładna zamocowana na sprężystych belkach, która stanowi elektrodę w układzie kondensatora pomiarowego. W wyniku przemieszczenia masy zmienia się pojemność i tym samym napięcie wyjściowe, które jest dalej przetwarzane np. przez 557

6 MECHANIK 7/2014 przetwornik A/C i procesor. Tak zbudowane akcelerometry mogą mierzyć przyspieszenie w trzech kierunkach wzdłuż osi x, y i z, w zakresie od ±1 g do kilku g. Ich zaletą jest m.in. niski pobór prądu, rzędu od kilkudziesięciu (w trybie czuwania) do kilkuset μa. Dzięki temu akcelerometr często pozostaje w stanie aktywnym, podczas gdy całe urządzenie znajduje się np. w trybie stand-by. Wprawdzie akcelerometry można efektywnie i bez problemów wykorzystać w pomiarach przemieszczeń w prostych aplikacjach, jednak w bardziej skomplikowanych urządzeniach uwzględnić należy kilka ich istotnych ograniczeń. Jednym z problemów jest np. uzyskanie precyzyjnej informacji o orientacji urządzenia w poziomie i w pionie, niezbędnej w przedstawionym problemie. Przy wykorzystaniu akcelerometru jako czujnika odchylenia od pionu, konieczne jest wyizolowanie sygnału będącego skutkiem wyłącznie wpływu grawitacji, który posłuży jako odniesienie. Jest to możliwe przy założeniu, że sygnał odpowiadający przyspieszeniu dynamicznemu nie jest jednostajny. Co więcej, w przypadku znacznego udziału ruchów prostego przemieszczenia, informacja o kącie nachylenia będzie niedokładna. By pokonać opisywane ograniczenia, najczęściej dane z akcelerometrów przetwarza się w połączeniu z informacją z innych czujników, np. z żyroskopu lub inklinometru. Sygnał pobierany z żyroskopu daje informację o bieżącej prędkości kątowej. Czujniki tego typu można podzielić na dwie grupy: kierunkowe oraz żyroskopy prędkościowe, przy czym w technologii MEMS (ang. Micro Electro-Mechanical Systems) częściej wykonuje się sensory drugiego typu. Przy wykorzystaniu żyroskopów możliwe jest wyznaczenie wartości kąta obrotu. Bezzałogowe statki powietrzne w zależności od typu mogą wykonywać manewry oraz być poddawane oscylacjom szybkim i fugoidalnym rzędu kilkudziesięciu stopni na sekundę. Dlatego w układach stabilizacji zainstalowano czujniki przemieszczenia i prędkości kątowej, które mierzą parametry ruchu platformy, a uzyskane dane przesyłane są do procesora ze ściśle dobraną częstotliwością. Na podstawie informacji o przyspieszeniach kątowych i liniowych oraz danych z pozostałych czujników (magnetometr, barometr), procesor uwzględnia określone uchyby orientacji układu pomiarowego LA w obliczeniach dla wyznaczonego namiaru i kompensuje programowo ruchy kadłuba za pomocą specjalnego wskaźnika. Schemat opracowanego LA wraz z systemem stabilizacji przedstawiono na rys. 7, natomiast diagram przedstawiający mechanizm komunikacyjny elementów składowych oraz zajętość magistrali procesora na rys. 8. Rys. 7. Schemat opracowanego lokatora akustycznego 558

7 Podstawowym elementem układu LA wyposażonego w system odwiązania przestrzennego jest czujnik AltIMU-10. Wykorzystany moduł to 3-osiowy akcelerometr, 3-osiowy magnetometr, 3-osiowy żyroskop oraz barometr. Za pomocą tego sensora wykonano kompletny system AHRS (ang. Attitude and Heading Reference System). System wyznacza położenie obiektu w przestrzeni trójwymiarowej. Dane z barometru w prosty sposób zamieniane są na wysokość, dzięki żyroskopowi można śledzić obroty obiektu, a akcelerometr wraz z magnetometrem kompensują dryft żyroskopu oraz wyznaczają bezwzględny punkt odniesienia. Wszystkie czujniki umieszone na układzie AltIMU-10 komunikują się poprzez magistralę I2C/SPI. Ponadto moduł posiada regulator napięcia oraz niezbędne elementy pasywne. Rys. 8. Mechanizm komunikacyjny używanych peryferii Poniżej zamieszczono fragment kodu sterownika dla konfiguracji modułu AltIMU-10. GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource14, GPIO_AF_SPI2); GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource15, GPIO_AF_SPI2); GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource13, GPIO_AF_SPI2); RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); GPIOB->BSRRL = GPIO_Pin_12; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE); SPI_InitStruct.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; SPI_InitStruct.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft SPI_NSSInternalSoft_Set; SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4; SPI_InitStruct.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStruct); 559

8 W celu pokazania możliwości modułu IMU udostępniony został przykładowy program. Wykorzystuje on dane z AltIMU-10 do wyznaczania współrzędnych w trzech osiach X, Y, Z, aby dokonać wizualizacji obiektu w przestrzeni 3D (rys. 9). Oprogramowanie zostało wykonane na podstawie projektu Jordi Munoza, Williama Premerlani, Jose Julio i Doug Weibela [4]. Rys. 9. Wizualizacja zorientowania obiektu w przestrzeni 3D [4] 4. PODSUMOWANIE Problem stabilizacji LA zintegrowanego z platformą BSL rozwiązany został w ramach realizacji pracy badawczej pt. Opracowanie modelu akustycznego lokatora wyposażonego w system stabilizacji przestrzennej. Projekt ten wpisuje się w obszar prac naukowo-badawczych realizowanych przez Zespół Radioelektroniki w Katedrze Mechatroniki Wydziału Mechatroniki i Lotnictwa WAT i stanowi kolejny etap budowy niezależnych systemów akustycznej lokacji przeznaczonych do wsparcia działań bojowych wojsk. Jego realizacja umożliwiła implementację sprzętową i programową opracowanych rozwiązań oraz stanowi ważny etap rozpoczętych badań nad opracowaniem systemu detekcji, lokalizacji i rozpoznawania odgłosów uzbrojenia w działaniach bojowych. LITERATURA [1] [2] [3] [4] Munoza J., Premerlani W., Julio J., Weibela D.: Projekt oprogramowania pt. Wizualizacja obiektu w przestrzeni 3D. 560