Исследование и разработка новых принципов построения лазерных доплеровских

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

Раздел 8. Приборостроение

Исследование и разработка новых принципов построения лазерных доплеровских

Руководитель НИР: Евтихиева О.А.

Московский энергетический институт (технический университет)

Проведен анализ состояния перспективного научного направления лазерной метрологии – лазерной доплеровской виброметрии (ЛДВ). На основе анализа текущей литературы и трудов международных конференций по лазерной виброметрии выявлены основные тенденции развития ЛДВ, определяемые новыми принципами построения оптических схем и цифровой обработки сигналов. Это стало возможным благодаря последним достижениям в разработке лазеров, особенно полупроводниковых, волоконно-оптических элементов и быстродействующих компьютеров нового поколения. Данное направление является крайне актуальным для развития критических технологий в авиационной и космической технике, судостроении, авиамоторостроении и ряде смежных областей. В странах ЕС лазерная доплеровская виброметрия является основой метрологической аттестации вибрационных систем.

Оптическая схема разработанного в ходе выполнения НИР макета лазерного доплеровского волоконно-оптического виброметра является оригинальной и соответствует мировому уровню для измерительных лазерных систем данного класса. Макет виброметра включает в себя газовый лазер, оптическую систему, световолоконный кабель длиной 2 м., связывающий основную оптическую схему виброметра с выносным миниатюрным оптическим блоком и предназначенный для передачи лазерного излучения к исследуемому колеблющемуся объекту и приема рассеянного излучения, фотоприемного блока, платы сопряжения, компьютера Пентиум-III и программного обеспечения. Данная система позволяет измерять амплитуду колебаний шероховатой поверхности, расположенной на расстоянии от 5 до 50 мм от выносного миниатюрного оптического блока, при частоте колебаний 10 Гц – 20 кГц и амплитуде- 3-50 мкм..

Кроме того, создана установка и разработана методика исследования характеристик промышленных полупроводниковых лазерных модулей, предназначенных для использования в схемах ЛДВ.

Разработана методика моделирования сигналов лазерного доплеровского виброметра при различных амплитуде, частоте и начальной фазе колебаний поверхности в широко распространенной универсальной среде математического моделирования MathCad-2001. При моделировании учитываются как аддитивные, так и мультипликативные шумы. Смоделированные сигналы использовались для исследования и тестирования компьютерных методов обработки сигналов виброметра.

Разработана специализированная программа “Vibrometer” для определения по спектру доплеровского сигнала амплитуды колебаний объекта, превышающей по величине длину волны излучения используемого лазера, как минимум в три раза.

Программа написана на языке Delfi, имеет развитый интерфейс и предназначена для установки на компьютеры серии Пентиум-III в операционной среде Windows-98 и выше. В настоящее время программа позволяет определять амплитуду колебаний в квазиреальном времени.

Результаты НИР позволили определить перспективные пути развития ЛДВ, связанные с разработкой световолоконных оптических схем виброметров и компьютерной обработкой интерференционных сигналов. Намечены пути дальнейших исследований по компьютерному и физическому моделированию работы лазерных виброметров в условиях зашумления сигналов из-за влияния спекл-структуры рассеянного колеблющейся шероховатой поверхностью лазерного излучения.

Шифр гранта Т00-8.0-1292

Публикации

1. Евтихиева О.А., Рыльцов Д.А., Толкачев А.В. Малогабаритный волоконно-оптический лазерный доплеровский виброметр с цифровой обработкой сигнала. Оптические методы исследования потоков. Труды YI Международной научно-технической конференции / Под ред. Ю.Н. Дубнищева, Б.С. Ринкевичюса - М.: Издательство МЭИ, 2001 - с.448 - 451

2. Москалевич В.И., Скорнякова Н.М. Толкачев А.В. Моделирование и обработка сигнала лазерного доплеровского виброметра. Труды третьей российской национальной конференции по теплообмену - М.: Издательство МЭИ, Т. 8, 2002 - с 40 - 41

РАЗРАБОТКА СПЕКТРАЛЬНО-МАРКОВСКОЙ ТЕОРИИ ОЦЕНОК ТОЧНОСТИ И ДОСТОВЕРНОСТИ ПРИБОРНЫХ СИСТЕМ

Руководитель НИР: Иванов Ю.П.

Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения

В результате проведённых исследований в соответствии с программой гранта “Фундаментальные исследования в области технических наук по разделу “8. Приборостроение” были разработаны следующие спектрально-марковские методы и алгоритмы:

- оптимальной и оптимально-инвариантной нелинейной фильтрации широкого класса сигналов и получены способы оценки точности обработки информации;

- комплексной оптимально-инвариантной адаптивной непараметрической фильтрации марковских сигналов на основе определения порядка марковского процесса;

- оптимально-инвариантной нелинейной фильтрации произвольных сигналов с учётом надёжности измерителей и характеристик системы технического обслуживания измерительных систем;

- оценки априорной и апостериорной достоверности недостижения гауссовскими сигналами, заданных границ на определённом интервале времени и методы классификации сигналов;

- оптимального и гарантированного прогнозирования сигналов.

Основная идея рассматриваемого спектрально-марковского подхода к задаче обработки информации заключается в замене традиционной модели случайного процесса, определяющего оцениваемый сигнал с требуемой точностью, конечной суммой дискретного спектрального его представления на заданном интервале времени по выбранному ортогональному базису и на использовании марковского свойства для полученного вектора спектральных компонент. При этом модель сигнала в виде случайного марковского процесса заменяется локально квазидетерминированным марковским процессом или марковской временной последовательностью, что значительно упрощает алгоритмы обработки сигналов и обеспечивает повышение точности оценки, достоверности классификации сигналов и эффективности работы измерительно-вычислительных и управляющих систем как в условиях полной, так и в условиях параметрической и непараметрической априорной неопределённости информации за счёт более рациональных методов аппроксимации моделей измерения и алгоритмов обработки сигналов. При этом вместо традиционных точечных оценок при обработке сигналов используются интервальные оценки, которые являются более адекватными для ряда практических задач обработки сигналов.

Совокупность разработанных методов и алгоритмов легли в основу формирующейся спектрально-марковской теории оценок точности и достоверности приборных систем. Предлагаемые методы обработки сигналов, модели сигналов и помех измерения позволили значительно расширить класс решаемых задач, обеспечить использование более простых методов дискретной оптимальной обработки сигналов для случайных непрерывных процессов при сохранении непрерывности выходных сигналов, осуществить в едином алгоритме оптимальную фильтрацию и интерполяцию сигналов на основе использования оптимальных интервальных оценок. При этом обеспечивается преемственность предлагаемых способов с традиционными методами обработки сигналов, а также их асимптотическая сходимость. На основе полученных методов обработки сигналов были разработаны алгоритмы, анализ которых на основе цифрового моделирования показал их высокую эффективность, а ряд методов и алгоритмов оценки достоверности систем контроля и фильтрации сигналов был внедрён и использован в научно-исследовательских работах. По результатам работы было опубликовано 10 научных работ в различных изданиях.

Предлагаемые методы и алгоритмы могут найти применение в аэрокосмической технике, приборостроении и машиностроении, обеспечивая повышение качества приборных комплексов и технологических систем, безопасности полёта и эффективности управления летательными аппаратами.

Шифр гранта Т00-8.0-2562

Публикации

1. Иванов Ю.П. Спектрально-марковский метод нелинейной обработки сигналов в системах управления. Научно-технический сборник ЦНИИ "Гранит" С.П., 2000.

2. Никитин В.Г., Синяков А.Н. Анализ эффективности профилированного управления упругими летательными аппаратами. Научно-технический сборник ЦНИИ "Гранит", С.П., 2000.

3. Иванов Ю.П. , Никитин В.Г. , Воробьев В.Г., Зауташвили А.И. "Контроль и диагностика измерительно-вычислительных комплексов". Методические указания к выполнению лабораторных работ.- Зп.л.,СПГУАП,С.ГГ2000.

4. Постолакий М.В. "Метод повышения точности и достоверности информационно-измерительных систем в условиях отказов измерителей". Труды конференции "БИКАМГГ", С.П.,2001.

5. Чилипенко А.Л. "Исследование алгоритма комплексной адаптивной фильтрации навигационных сигналов". Труды конференции "БИКАМГГ, С.П., 2001.

6. Никитин В.Г. Параметрическая идентификация в задачах управления летательными аппаратами с упругими свойствами/УМатериалы международого симпозиума "Аэрокосмические приборные технологии". СПбГУАП. 2002. с. 99.

7. Иванов Ю.П., Никитин В.Г., Чернов В.Ю. Контроль и диагностика измерительно- вычислительных комплексов. СПбГУАП. 2002. 111с.

8. Иванов Ю.П. Спектрально-марковская обработка сигналов// Материалы международого симпозиума "Аэрокосмические приборные технологии". СПбГУАП. 2002. с. 98.

9. Иванов Ю.П. Комплексная оптимально-инвариантная инерционная обработка сигналов с учётом отказов измерителей/УПриборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2002 №11.

10. Иванов Ю.П. Спектральный метод оценки апостериорной достоверности контроля на конечном интервале времени/УИзвестия вузов. Приборостроение. 2002 №12.

МЕТОДЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В КОМБИНИРОВАННОМ ДАТЧИКЕ ПАРАМЕТРОВ ОРИЕНТАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Руководитель НИР: Немов А.В.

Санкт-петербургский государственный электротехнический
государственный университет “ЛЭТИ”

Признано целесообразным развивать теорию нелинейной фильтрации параметров ориентации — углов Эйлера-Крылова.

Методами нелинейной фильтрации впервые решена задача однозначной оценки ориентации плоской или слабовыпуклой антенной решетки с произвольным числом элементов по данным совместных измерений разностей фаз и доплеровских сдвигов частот в многоканальной аппаратуре маневренного потребителя СРНС. Дан анализ погрешности и надежности определения ориентации.

Разработаны принципы построения измерительной системы на основе расширенных фильтров Калмана для однозначного оперативного оценивания пространственной ориентации в процессе смены рабочего созвездия навигационных спутников. Впервые разработаны оптимальные и подоптимальные процедуры выбора рабочего созвездия для целей измерения ориентации, показано, что спутники должны группироваться на конической поверхности с образующей под углом 45⁰ к плоскости антенны.

Синтезирован комплексный фильтр для объединения данных гироскопических приборов и оценок пространственной ориентации, полученных методами дифференциальных фазовых измерений в СРНС. Показано, что в 2-5 раз уменьшаются как дрейф распространенных волоконно-оптических или твердотельных гиродатчиков так и девиация измерений от спутникового датчика ориентации. Комплексная система перспективна для авиации.

Уровень фундаментальных исследований превосходит мировой, поскольку развитая в ходе выполнения гранта методология измерения ориентации позволяет существенно улучшить данные как распространенных гироскопических датчиков, так и известных спутниковых средств, использующих кинематические методы. В известных публикациях подходы, основанные на нелинейной фильтрации и комплексировании параметров ориентации, не описаны, особенности измерений на динамичных носителях не обсуждены.

Результаты проведенных исследований приложимы для разработки перспективных бортовых радиоэлектронных комплексов самолетов гражданской и военной авиации, космических низкоорбительных аппаратов, позволят повысить безопасность полетов.

Разработанная теория использована в курсе лекций по дисциплинам "Моделирование радиотехнических систем" и "Проектирование радиотехнических систем", составила содержание дипломных и магистерских выпускных работ. Результаты внедрены в прикладную НИР "Широта", проводимую в 2002-2004 гг. по заказу Научно-технического управления ВВС.

Шифр гранта Т00-8.0-1164

Публикации

Немов А.В. Использование спутникового датчика ориентации а инерциальном измерительном комплексе//Известия высш. учеб. заведений России. Радиоэлектроника. 2001, №1. С.101-107.
Немов А.В., Кирсанов И.Ю. Технология помехоустойчивого измерения пространственной ориентации летательных аппаратов по сигналам GPS/ГЛОНАСС для перспективного бортового радионавигационного комплекса//Приборы и системы.Управление, контроль, диагностика, 2001 №4. С.50-55.
Немов А.В. Возможности двухсистемного датчика ориентации летательных аппаратов// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2001 №10. С.58-61.

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИЙ И МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА МИКРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ

Руководитель НИР: Пономарев В.К.

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Групповые технологии микро- и наносистемной техники считаются прорывными в области создания сверхминиатюрных механических приборов и систем. Современный уровень развития микромеханики убеждает, что наступило время реализации уже давно сформулированной идеи создания наиболее сложных, но и очень необходимых приборов этого класса – микромеханических гироскопов и акселерометров. Первые серийные образцы ЧИП-гироскопов и акселерометров уже выпускаются многими зарубежными фирмами и образуют новый класс инерциальных чувствительных элементов. Существует большая заинтересованность в реализации подобных проектов и со стороны российской приборостроительной промышленности.

Целью исследований, выполненных в рамках гранта, являлось обобщение, развитие и разработка теоретических положений и методик проектирования инерциальных чувствительных элементов на микромеханической основе.

В ходе выполнения работы получены следующие основные научные и научно-технические результаты:

- выполнен анализ известных схем микромеханических гироскопов и акселерометров;

- разработаны теоретические положения и математический аппарат составления математических моделей микромеханических чувствительных элементов с пространственным упругим подвесом;

- выполнен анализ метрологических характеристик микромеханических инерциальных чувствительных элементов различных конструктивных форм, получены формульные зависимости, определяющие связь основных метрологичесвих характеристик(чувствительность, рабочая полоса частот) с конструктивными параметрами прибора;

- разработаны программные средства и исследованы характеристики микромеханических инерциальных сенсоров методом математического моделирования.

- исследованы пути стабилизации метрологических характеристик микромеханических гироскопов и акселерометров, разработаны концептуальные, функциональные и структурные схемы контуров стабилизации на основе амплитудных, частотных и фазовых детекторов;

- разработаны математические модели методических ошибок и инструментальных погрешностей микромеханических гироскопов;

- разработаны методики и программные средства проектирования микромеханических гироскопов.

Как показали исследования, найденные в процессе выполнения работы схемо-технические и алгоритмические решения, позволяют не менее чем на порядок улучшить метрологические характеристики микромеханических гироскопов и акселерометров и могут служить основой для создания конкурентно способных отечественных образцов этих приборов.

Результаты научных исследований по гранту использованы авторами при проведении прикладных и опытно-конструкторских работ по хозяйственным договорам с предприятиями приборостроительной промышленности. В настоящее время ведется отработка технологии и изготовление опытной партии микромеханических гироскопов.

Шифр гранта Т00-8.0-2564

Публикации

1. Северов Л.А., Пономарев В.К., Панферов А.И. Микромеханические гироскопы - новый класс инерциальных чувствительных элементов. В сб. "Приборы и системы" Всероссийской научно-технической конференции "Приборы и приборные системы". Тула, 2001. С. 66-72.

2 Северов Л.А., Пономарев В.К., Панферов А.И. Стабилизация и управление характеристиками микромеханических гироскопов. Рукопись доклада на секции "Навигационные системы и их чувствительные элементы" Научного Совета по проблемам движения и навигации РАН. М., 2002, 3 с.

3 Северов Л.А., Пономарев В.К., Панферов А.И. Проблемы стабилизации характеристик микромеханических гироскопов. Тезисы доклада на международной конференции "Частота и время". С-Пб. 2002.

4 Cеверов Л.А., Пономарев В.К., Панферов А.И. Проблемы стабилизации характеристик микромеханических гироскопов. /Датчики и системы. № 9, 2002. С.6-9.

5 Филонов О.М. О диссипации кинетической энергии в упругих микромеханических датчиков. /Датчики и системы, № 9, 2002 с.6-9.

6 Cеверов Л.А., Пономарев В.К., Панферов А.И., Кучерков С.Г., Несенюк Л.П., Шадрин Ю.В. Информационные характеристики микромеханического вибрационного гиросокпа. В сб. материалов ХХ111 конференции памяти Н.Н.Острякова. СПб.2002.

7 Cеверов Л.А., Пономарев В.К., Панферов А.И. Фазовая автоподстройка частоты опорного генератора микромеханического гироскопа. В сб. материалов ХХ111 конференции памяти Н.Н.Острякова. СПб.2002.

8 Cеверов Л.А., Пономарев В.К., Панферов А.И. Обзор и перспективы совершенствования микромеханических гироскопов. В сб. материалов Международного симпозиума "Аэрокосмические приборные технологии". СПб. 2002.

9 Cеверов Л.А., Пономарев В.К., Панферов А.И. Проблемы стабилизации характеристик микромеханических гироскопов. В сб. материалов Международного симпозиума "Аэрокосмические приборные технологии". СПб. 2002.

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Руководитель НИР: Рябухов И. Р.

Российский государственный гидрометеорологический университет

Научно-исследовательская работа “Исследование и разработка новых принципов построения измерителей гидродинамических характеристик” выполняется по гранту ТОО-8.0-1120, направлена на разработку концепций построения уникальных дистанционных обнаружителей и измерителей характеристик опасных гидродинамических процессов на морской поверхности.

Расширение поисковых и добывающих работ на шельфе, развитие портов и интенсификация транспортных потоков, использующих морские акватории, требует обеспечения безопасности функционирования целого комплекса технологических инфраструктур. Важную роль в обеспечении этой задачи играют информационные системы, обеспечивающие получение данных обеспечивающие получение данных об опасных гидродинамических явлениях на море и позволяющих прогнозировать развитие этих явлений и предупреждать их воздействие на хозяйственную деятельность в обширных припортовых, портовых и прибрежных зонах.

Наиболее опасными явлениями общепризнано являются такие, которые имеют низкочастотный (длинноволновый) характер, так как они несут в себе наибольшую разрушительную силу.

В настоящее время одним из перспективных направлений по обнаружению и предупреждению таких процессов является разработка концепции построения измерителей опасных гидродинамических характеристик морской поверхности на основе использования механизмов рассеяния электромагнитных волн коротковолнового (декаметрового) диапазона.

В работе показано, что особенности рассеяния радиоволн коротковолнового диапазона взволнованной морской поверхностью позволяют обнаруживать на ней такие низкочастотные гидродинамические процессы, как течения, зыбь, нагоны и возможно, волна цунами. В работе также определены принципы построения измерителей таких низкочастотных гидродинамических характеристик на основе использования сложенных по частотно-временной структуре форматов зондирующих сигналов и механизмов их рассеяния морской поверхностью.

Анализ характеристик рассеянных радиоволн позволяет осуществлять оценку количественных показателей низкочастотных процессов, что имеет большое практическое значение для обеспечения безопасного функционирования всего комплекса технологических инфраструктур, использующих морские акватории в хозяйственных, экологических и научных целях.

Шифр гранта Т00-8.0-1120

Публикации

1. Статья: "Использование радиолокаторов системы управления движением судов для экологического контроля морской поверхности". Межвузовский сборник научных трудов "Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях". Вып 3, СПб 2002г.

2. Доклад: "Организация мониторинга загрязнений портовых акваторий промышленных зон". Международная научная конференция "Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон" РГГМУ, СПб,2002г.

3. Доклад: "Оценка характеристик гидродинамических процессов в акваториях шельфовых морей с помощью декаметровых радиолокационных средств". Международная конференция "Современные проблемы океанологии шельфовых морей России". Ростов-на-Дону. 2002г.

РАЗРАБОТКА МИКРОМИНИАТЮРНЫХ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫХ РЕЗОНАНСНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И НАВИГАЦИИ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

Руководитель НИР: Скалон А.И.

Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения

Проведенные исследования по созданию микроминиатюрных измерителей параметров движения для систем управления и навигации показали, что значительное уменьшение массы и габаритов приводит к существенному снижению чувствительности и точности измерения. Это обстоятельство резко ограничивает возможности использования таких датчиков. Технические решения, закладываемые в концепцию построения датчиков, оказывают существенное влияние на выбор типов и конструкций элементов приборов. В частности, минимизация массогабаритных характеристик обеспечивается за счет использования планарных технологий, что, в свою очередь, делает наиболее целесообразным построение приборов на базе электростатических, оптоэлектронных и волоконно-оптических элементов, достаточно просто реализуемых в рамках указанных технологий. То же можно сказать о выборе конструкционных материалов, в качестве которых наиболее широко используются кварц, пьезокерамика, кремний и другие полупроводниковые материалы.

В данной работе проведены исследования, направленные на поиски путей построения датчиков с использованием новых физических принципов и эффектов, дающих возможность повышения точностных характеристик и реализующих нетрадиционные решения как в плане построения самих приборов, так и в плане формирования цифрового сигнала на выходе прибора. В условиях устойчивой тенденции к снижению стоимости вычислительных устройств, минимизации их массо-габаритных характеристик и повышения функциональных возможностей представляется перспективной разработка таких принципов построения приборов в которых использование процессорного управления и алгоритмов обработки информации было бы естественно в силу сущности способа их функционирования и расширяло бы возможности повышения эффективности получения информации за счет технической реализации и выбора режима работы.

Перспективным решением, позволяющим в значительной степени разрешить указанные проблемы, является использование сочетания свойств высокодобротных механических резонаторов с принципом динамического уравновешивания, реализуемого в электромеханических приборах компенсационного типа, работающих в режиме автоколебаний.

Использование автоколебательного режима работы, создаваемого введением в контур датчика нелинейного звена с известной статической характеристикой, дает возможность естественным образом осуществить широтно- или частотно-импульсную модуляцию выходного сигнала, так как датчик, работающий в таком режиме, представляет собой пространственно-временной модулятор, осуществляющий преобразование измеряемой физической величины в модулированный биполярный выходной сигнал. время, так как в них глубина модуляции выходного сигнала пропорциональна величине измеряемого воздействия. При этом гибкость реализуемой структуры позволяет получать различные параметры собственного движения системы и, используя резонансные свойства механических элементов подвижного узла датчика, реализовать оптимальное соотношение между жесткостью подвеса, его несущей способностью, требуемой чувствительностью и стабильностью характеристик.

Полученные результаты показывают, что задачи, связанные с созданием микроминиатюрных и микромеханических датчиков, могут быть решены путем использования интегральных технологий и элементов микромеханики, а улучшение их характеристик может быть достигнуто применением режима динамического уравновешивания.

Шифр гранта Т00-8.0-2554

Публикации

1. Пятышев Е.Н., Лурье М.С., Акульшин Ю.Д. , Скалон А.И. Микротехнологии: от микроэлектроники к микросистемной технике. //Датчики и системы. 2001.

№ 6. С.58 - 65.

2. Katkov M.S., Skalon A.I. Singularity of construction highlysensitive microminiature sensors for a measurement of mechanical magnitudes./Digest of congress-2000. "Fundamental problems of natural sciences and engineering".St.Petersburg, Russia,2001.

3. Скалон А.И., Рыбаков В.И., Жуков В.Н. и др. Принципы построения и конструкции микромеханических измерителей параметров движения.//Малые космические аппараты. Выпуск 1. Принципы построения орбитальных систем и бортовых комплексов управления. Учебное пособие. Под ред. д.т.н., проф. В.Ф. Фатеева Мин. обороны РФ. 2001 г.

4. Скалон А.И., Шугаев М.А. Метрологические модели микромеханических датчиков для систем навигации и управления движением//Датчики и системы. 2002, № 9.

5. Скалон А.И. Общность проектирования и расчета элементов микроминиатюрных и микромеханических датчиков//Датчики и системы. 2002, № 9.

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ БОРТОВЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ПРИБОРНЫХ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТА

Руководитель НИР: Солдаткин В. М.

Казанский государственный технический университет

Эффективность применения авиационной техники неразрывно связана с проблемой безопасности полетов, важность которой непрерывно возрастает в связи с усложнением и интесификацией ее использования, расширением диапазонов эксплуатации и круга задач, решаемых в усложненных условиях или на предельных режимах полета, когда критерий безопасности является определяющим.

Возможность нарушения эксплуатационных режимов в следствии воздействия внешних возмущений, ошибок пилотирования, отказов техники и других неблагоприятных факторов определяют необходимость установки на летательных аппаратах, в частности на самолетах специальных инструментальных средств предупреждения критических режимов полета. Как показывает опыт эксплуатации авиационной техники, для обеспечения регламентируемого нормами летной годности самолетов (НЛГС) уровня безопасности полета такие средства должны выполнять функции бортовой интеллектуальной системы обеспечения безопасности полета (БИС ОБП), которая по результатам измерения параметров движения, окружающей среды, состояния агрегатов и систем должна формировать обобщенный вероятностно-статистический показатель, однозначно определяющий текущий уровень безопасности полета, направление и темп его изменения, в соответствии с которым в процессе полета БИС ОБП решает задачи обнаружения, идентификации и прогнозирования развития опасных режимов полета, построения эффективных алгоритмов автоматического и штурвального управления, принятия своевременных решений и информационной поддержки экипажа в нештатных ситуациях.

В рамках теоретического задела по НИР предложена методология формирования частных (по отдельным критическим параметрам) и обобщенной (по режиму полета в целом) информативных функций безопасности, отражающих вероятности возникновения на данном режиме полета регламентируемых НЛГС особых ситуаций, которые положены в основу построения, проектирования и исследования БИС ОБП.

В процессе выполнения НИР разработаны методы анализа и синтеза каналов измерения, идентификации и предупреждения, управления и принятия оперативных решений БИС ОБП с использованием информативных функций безопасности.

Разработано алгоритмическое обеспечение, проведено моделирование и оценка эффективности разработанных методов применительно к БИС ОБП самолета в неспокойной атмосфере и при посадке в условиях сдвига ветра.

Разработанные методы составляют научные основы создания нового класса бортовых инструментальных средств предупреждения и предотвращения критических режимов полета в нештатных ситуациях, связанных с непреднамеренным выходом летательного аппарата за границы эксплуатационных режимов полета. Исполнителям НИР принадлежит приоритет в области методологии построения, расчета, проектирования и исследования БИС ОБП. Полученные научные результаты являются фундаментальной базой для разработки БИС ОБП перспективных самолетов и вертолетов, в том числе на режимах полета самолета в сложных метеоусловиях, на режимах “подхвата” и “вихревого кольца” вертолета.

По результатам исследования подготовлена к изданию монография, опубликованы 12 научных статей и материалов докладов. Результаты исследования использованы в научно-методическом обеспечении учебного процесса, в курсовом и дипломном проектировании.

Шифр гранта Т00-8.0-2540

Публикации

1. Солдаткин В.М. Методы и средства построения бортовых информационно-управляющих систем обеспечения безопасности полета/ Казань: из-во Казан.гос.техн.ун-та. 2003.- 486 с. (Монография сдана в издательство КГТУ им.А.Н.Туполева).

2. Солдаткин В.М. Построение бортовой приборной системы обеспечения безопасности полета// Материалы Международной конференции и Российской научной школы "Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий. Часть 1, книга 3. М.: Радио и связь.- С.24-26.

3. Солдаткин В.М. Бортовая информационно-управляющая система обеспечения безопасности полета самолета// Международный симпозиум "Аэрокосмические приборные технологии". Санкт-Петербург, 2002.- С.35-36.

4. Солдаткин В.М. Построение бортовых интеллектуальных приборных систем обеспечения безопасности полета// Тезисы докладов VIII Четаевской Международной конференции "Аналитическая механика, устойчивость и управление движением". Казань, 2002.- С.207.

5. Солдаткин В.М. Построение и исследование информационно-управляющей системы обеспечения безопасности полета// Информационные технологии в проектировании и производстве. 2002. № 1 - С.42-49.

6. Солдаткин В.М. Бортовая интеллектуальная приборная система обеспечения безопасности полета// Материалы конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления". М.: 2002.- С.52-54.

7. Солдаткин В.В., Солдаткин В.М. Количественная оценка безопасности режима полета самолета// Материалы конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления". М.: 2002.- С.55-56.

8. Солдаткин В.М. Информационно-управляющая система обеспечения безопасности полета// Материалы Российского форума "Авиакосмические технологии и оборудование". Казань, 2002 (в печати).

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ИЗДЕЛИЙ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ НА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ОПОРАХ

Руководитель НИР: Суминов И.В.

МАТИ – Российский государственный технологический университет

Анализ существующих методов нанесения покрытий, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к материалам газовых опор, показал, что наиболее перспективными методами являются электролитические и плазменно-электролитические методы нанесения покрытий.

Данная работа посвящена проблеме исследования процессов формирования защитных покрытий методом микродугового оксидирования при изготовлении изделий приборостроения на основе газодинамических опор. В большей степени, с точки зрения комплекса требований предъявляемых к поверхностям газовых опор, удовлетворяет метод микродугового оксидирования, который позволяет формировать покрытия с высокой износостойкостью на большинстве из используемых конструкционных материалов. Технология микродугового оксидирования позволяет получать покрытия большой толщины, как на внешних, так и на внутренних поверхностях деталей с высокой степенью равномерности, что в технологии производства деталей газовых опор является весьма важным фактором.

В ходе экспериментальных исследований было изучено влияние технологических параметров микродугового оксидирования на эксплуатационные свойства формируемых покрытий, таких как плотность тока, состав и концентрация электролита, длительность процесса, геометрические параметры противоэлектродов, и определены оптимальные технологические параметры формирования покрытий, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к поверхностям элементов газовых опор.

Исходя из расчетных данных геометрии газового подшипника, были изготовлены основные элементы опоры: опорный вал и упорный подпятник из алюминиевого сплава Д16 и ротор из сплава АК5. Размеры деталей соответствовали расчетным, исходя из того, что рост МДО-покрытий протекает преимущественно вглубь обрабатываемого материала. Согласно полученным оптимальным режимам обработки, на рабочих поверхностях были сформированы МДО-покрытия толщиной порядка 100 мкм.

В ходе экспериментов по определению эксплуатационных характеристик газовой опоры установлено резкое отличие скорости выхода экспериментальной опоры на рабочий режим от расчетных значений. Согласно расчетам, выход на необходимый режим течения газа должен происходить на скоростях вращения ротора порядка 5000 об/мин, в то время как на экспериментальной опоре выход на этот режим фиксировался уже при скоростях порядка 300-400 об/мин.

При определении работоспособности и срока службы элементов опоры на стенде проводили испытания, в ходе которых оценивались поведение опоры при длительной непрерывной работе в течении 5000 часов, а также 10000 циклов пусков–аварийных остановок. В ходе испытаний было установлено наличие небольшого износа на основных рабочих поверхностях в пределах 1,5-2 мкм, однако эти изменения не повлияли на работоспособность опоры, что укладывается в пределы точности обработки рабочих поверхностей.

Полученные результаты рекомендуется использовать для внедрения разработанной технологии формирования износостойких покрытий методом микродугового оксидирования в производстве изделий на основе газовых опор, а также на деталях устройств, поверхности которых нуждаются в защите от повышенного износа, в частности в компрессорах и безмаслянных вакуумных насосах.

Шифр гранта Т00-8.0-2508

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗМЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКАХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ

Руководитель НИР: Филонов О. М.

Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения

Миниатюризация инерциальных датчиков на основе планарных принципов проектирования и производства создает в функциональных элементах условия для активации физических процессов, качественно влияющих на их функционирование.

Начиная с некоторого уровня размеров функциональных элементов (для упругих элементов инерциальных датчиков параметров движения ~ 20 мкм), приходится учитывать влияние на их работу ряда статических и динамических факторов, которые в технической литературе получили название размерных: микроструктуру, механическую анизотропию, дефекты кристаллической решетки, частотные зависимости модулей упругости и внутреннего трения.

Связанная с этими процессами и факторами эксплуатационная эволюция параметров изделий приводит к наблюдаемому существенному расхождению между расчетными и реальными характеристиками микродатчиков, вследствие чего большинство микромеханических устройств аттестуется по факту, и предлагается потребителю не по прогнозируемым, а достигнутым характеристикам. Очевидно, что без серьезных теоретических исследований этой проблемы необходимое повышение уровня проектирования микродатчиков становится невозможным.

Исследования размерных явлений в микромеханических датчиках, проводившиеся в рамках данного гранта, привели к расширению представлений о специфике функционирования микросистем. Получены значимые теоретические результаты, к которым следует отнести:

Показано, что доминирующим механизмом диссипации энергии колебаний в монокристаллических кремниевых подвесах является термоупругое внутреннее трение.
Построены функции внутренних источников тепла в упругих элементах при диссипации механической энергии колебаний и превращении ее в тепловую.
Решены уравнения теплопроводности для стержневых моделей упругих элементов, установлены зависимости температуры, модулей упругости и внутреннего трения от координат.
Определены геометрические пределы миниатюризации инерциальных микродатчиков.
Доказано, что упругие элементы с неравновесным внутренним температурным полем механически эквивалентны упругим элементам, находящимся в изотермическом состоянии, с переменным вдоль оси моментом сопротивления W=W(z).
Жесткость подвесов может необратимо изменяться (повышаться),если, начиная с определенного уровня внутренних напряжений в монокристаллическом кремниевом подвесе возникает генерация краевых дислокаций (источник Франка-Рида).

Хотя исследования нельзя считать законченными, их результаты дают возможность более широко посмотреть на современные проблемы микромеханики и должны быть положены в основу создания новых методик проектирования микромеханических датчиков и систем.

Шифр гранта Т00-8.0-2559

Публикации

1. Филонов О.М. О диссипации кинетической энергии в упругих элементах микромеханических датчиков. "Датчики и системы", №9, 2002

2. Филонов О.М. Особенности расчета параметров упругих элементов микромеханических датчиков. Тезисы доклада Международного симпозиума "Аэрокосмические приборные технологии", СПГУАП, 2002.

3. Филонов О.М. Внутреннее трение и его влияние на работу микромеханических датчиков. Тезисы доклада Международного симпозиума "Аэрокосмические приборные технологии", СПГУАП, 2002.

4. Филонов О.М., Плотянская М.А., Киршина И.А. Вторичные измерительные преобразователи микроэлектромеханических датчиков параметров движения. Тезисы доклада Международного симпозиума "Аэрокосмические приборные технологии", СПГУАП, 2002.

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОГО ТРЕХКОМПОНЕНТНОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ИНФОРМАЦИОННО-ИЗБЫТОЧНОГО ДИНАМИЧЕСКОГО ГРАВИМЕТРА

Руководитель НИР: Черноморский А.И.

Московский государственный авиационный институт
(технический университет)

В работе рассматривается задача построения малогабаритного, помехозащищенного, сравнительно недорогого гравиметра средней точности для целей гравиметрической съемки с подвижного основания, скваженной гравиметрии и коррекции инерциальных навигационных систем.

На основе анализа известных и предложенных при участии авторов схем построения гравиметрических приборов обоснована перспективность разработки трехкопонентного малогабаритного модуляционного динамического гравиметра (ММДГ), способного работать на подвижном основании, основанного на совмещении динамического и компенсационного принципов измерения в сочетании с применением при его конструктивной реализации выпускаемых промышленностью маятниковых акселерометров.

Разработана рациональная базовая схема ММДГ и получены математические модели ММДГ, позволяющие проводить анализ работы как ММДГ в целом, так и его отдельных узлов. На основе имитационного моделирования полной и упрощенной моделей установлена корректность упрощений и возможность использования упрощенной модели, имеющей аналитическое решение, для исследования свойств и синтеза характеристик ММДГ.

Предложена методика расчета основных рациональных параметров ММДГ, включая параметры блока аналоговой электроники акселерометров и параметры системы импульсного регулирования частотой модуляционных колебаний, исходя из требуемых точности и быстродействия ММДГ.

Проанализированы основные методические погрешности ММДГ, обусловленные зависимостью ряда параметров акселерометров от угла отклонения маятника, присутствием в выходных сигналах ММДГ составляющих, зависящих от параметров углового и линейного движения основания, виброускорениями основания. Предложены алгоритмические, конструктивные и структурные способы их компенсации, обеспечивающие требуемый уровень точности.

Проанализированы основные инструментальные погрешности ММДГ; особое внимание уделено анализу температурных погрешностей и погрешности, обусловленной смещением нуль-пункта акселерометра. Разработаны алгоритмические и структурные способы их компенсации, обеспечивающие требуемый уровень точности.

Предложен подход к созданию векторной гравиметрической системы, основанной на трехкомпонентном ММДГ и обладающей вследствие этого информационной избыточностью, позволяющей проводить алгоритмическую компенсацию ряда основных погрешностей устройства.

Разработана конструкция и изготовлен макет одного канала ММДГ; разработаны методики и программное обеспечение настройки его параметров, а также его первоначальной калибровки.

Разработана методика и программное обеспечение экспериментальных исследований макета; проведены его полунатурные и экспериментальные исследования без и с имитацией подвижности основания. Точность макета ММДГ на вибрирующем основании составила Dg=5_*10^-4м/c², что соответствует ее расчетным значениям в рамках доступных вузовских технологий эксперимента.

Установлено, что в целом результаты теоретических и экспериментальных исследований обосновывают перспективность принятого направления разработок, а также рациональность схемных и конструктивных решений ММДГ, обладающего уровнем точности измерения порядка 10^-6м/с².

Шифр гранта Т00-8.0-2483

Публикации

1 Афонин А.А., Капущов А.Б. Разработка и исследование малогабаритной, трехкомпонентной, информационно-избыточной гравиметрической системы. Будущее авиации и космонавтики 2001. Сборник статей студентов и аспирантов. - М.: Изд-во МАИ, 2001.

2 Афонин А.А., Черноморский А.И. Алгоритмическая компенсация погрешностей малогабаритного модуляционного динамического гравиметра. Труды ? международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации" - Алушта, 2001.

3 Афонин А.А., Черноморский А.И. Особенности компенсации вибрационных погрешностей малогабаритного модуляционного динамического гравиметра. Труды ? международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации" - Алушта, 2001.

4 Афонин А.А., Черноморский А.И. Исследование возможности построения модуляционного динамического гравиметра // Авиакосмическое приборостроение. - М, 2002, N1.

5 Афонин А.А., Черноморский А.И. Алгоритмическая компенсация погрешностей модуляционного акселерометра. Труды международного симпозиума "Аэрокосмические приборные технологии" - С.-Петербург, 2002.

6 Афонин А.А. Улучшение динамических характеристик модуляционного динамического гравиметра с использованием промежуточной цифровой фильтрации. Труды ?? международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации" - Алушта, 2002.

Blog

Исследование и разработка новых принципов построения лазерных доплеровских

Содержание

Раздел 8. Приборостроение

Шифр гранта Т00-8.0-2562

Публикации

Шифр гранта Т00-8.0-1120

Публикации

Шифр гранта Т00-8.0-2540

Публикации

Шифр гранта Т00-8.0-2559

Публикации

Шифр гранта Т00-8.0-2483

Публикации