Cum să implementați în mod rentabil sisteme fiabile de navigație pentru aeronave cu componente de precizie

Dezvoltarea unor soluții sofisticate de sisteme de referință pentru date aeriene, atitudine și direcție (ADAHRS) este esențială pentru a garanta o navigare precisă și siguranța sistemelor de aeronave cu și fără pilot. Pentru a crea proiecte ADAHRS robuste și fiabile, dezvoltatorii au nevoie de componente care pot face față mai multor provocări din proiectarea sistemelor de navigație avionică, inclusiv precizia senzorilor, rezistența la mediu și integrarea sistemului.

Acest articol descrie modul în care modulele de achiziție de date de precizie și unitățile de măsurare inerțială (IMU) de la Analog Devices abordează aceste provocări și simplifică dezvoltarea de soluții ADAHRS eficiente.

Siguranța aviației se clădește pe sisteme sofisticate bazate pe senzori

Disponibilitatea unor informații precise privind performanțele de zbor este esențială pentru siguranța în toate segmentele aviației, de la sistemele aeriene fără pilot la bord (UAS) până la avioanele grele de pasageri. În concordanță cu îmbunătățirile aerodinamice ale aeronavelor, capacitățile sistemelor de avionică au evoluat de la „pachetul” de instrumente de zbor tradiționale ale pilotului, bazate pe busole magnetice, giroscoape mecanice și instrumente de zbor acționate în vid, la „carlingile din sticlă” din ce în ce mai sofisticate ale sistemului electronic de instrumente de zbor (EFIS) cu afișaj grafic.

La baza EFIS, ADAHRS integrează capacitățile unui computer de date aeriene și ale unui sistem de referință pentru atitudine și direcție (AHRS), necesare pentru a completa ajutoarele navigaționale pentru sistemul global de navigație prin satelit (GNSS) cu rază lungă de acțiune, cum ar fi sistemul de poziționare globală (GPS) al SUA și sistemul de augmentare a zonei de acoperire largă (WAAS) de la sol, asociat GPS-ului. Computerul de date aeriene calculează altitudinea și viteza verticală, a aerului și la sol, folosind măsurătorile presiunii atmosferice și temperatura aerului exterior. Pentru a furniza datele de atitudine (tangaj, ruliu și girație) și de direcție a aeronavei necesare pentru estimarea pură în navigația inerțială, ADAHRS se bazează pe o combinație de giroscoape pentru variațiile vitezei unghiulare, accelerometre pentru variațiile vitezei liniare și magnetometre pentru direcția magnetică. Progresele tehnologiei senzorilor au schimbat dramatic natura acestor senzori critici.

În trecut, giroscoapele complexe cu fibră optică sau cu laser inelar erau printre puținele tehnologii disponibile care puteau oferi precizie suficientă pentru aviație. În prezent, disponibilitatea sistemelor microelectromecanice avansate (MEMS) oferă dezvoltatorilor o tehnologie care poate îndeplini cerințele diferitelor platforme de aviație (Figura 1).

Figura 1: Giroscoapele MEMS de vârf oferă caracteristici unice care le fac să fie tehnologia preferată pentru sistemele electronice de avionică. (Sursă imagine: Analog Devices)

Alături de giroscoape, accelerometre și magnetometre, funcționalitatea ADAHRS depinde, de asemenea, de fluxuri de date sigure de la senzorii care raportează temperatura și presiunea aerului exterior. Alți senzori de presiune, de forță și de poziție furnizează date privind poziția și încărcătura suprafețelor de zbor, a trenului de aterizare și a direcției roții de bot. Senzorii suplimentari furnizează date esențiale privind performanța motorului și combustibilul necesare pentru sistemele de informații ale motorului, precum și temperatura, presiunea și nivelul de oxigen din cabină.

O combinație de module de achiziție a datelor cu senzori de înaltă performanță și IMU-uri MEMS de la Analog Devices oferă dezvoltatorilor componentele critice necesare pentru a furniza soluții de avionică cu caracteristici de fiabilitate, precizie, dimensiune și cost care permit aplicarea lor în întreaga gamă de sisteme de zbor pentru aviație.

Aplicarea modulelor de achiziție a datelor de la senzori și a IMU-urilor în avionica modernă

Pentru achiziționarea de date de la o gamă largă de senzori din orice platformă de zbor, modulele de achiziție de date de înaltă performanță oferă o varietate de capacități de performanță pentru fiecare modalitate de senzori și cerință funcțională. Cu soluțiile sale µModule pentru lanțul de semnale de precizie, Analog Devices integrează subsisteme comune de procesare a semnalelor, inclusiv blocuri de condiționare a semnalelor și convertoare analogice-digitale (ADC) într-un dispozitiv compact de tip sistem în pachet (SIP) pentru a rezolva provocările dificile de proiectare. De asemenea, dispozitivele µModule includ componente pasive critice cu caracteristici superioare de adaptare și derivă construite cu ajutorul tehnologiei iPassive® de la Analog Devices, care minimizează sursele de eroare dependente de temperatură și simplifică calibrarea, atenuând în același timp provocările termice. Reducerea semnificativă a amprentei soluției permite adăugarea mai multor canale/funcții pentru instrumentele de aviație scalabile care necesită precizie și stabilitate în timp și în funcție de temperatură. Dispozitivele µModule simplifică lista de materiale (BOM) a lanțului de semnal, reduce sensibilitatea performanței la circuitele externe, scurtează ciclurile de proiectare, reducând astfel costul total de proprietate.

Proiectate pentru a îndeplini cerințele exigente pentru achiziția de date, dispozitivele µModule ADAQ4003 și ADAQ23878 de la Analog Devices integrează un amplificator de driver ADC complet diferențial (FDA, Figura 2) cu o matrice de rezistoare cu precizie adaptată de 0,005%, un buffer de referință stabil și un ADC cu registru de aproximare succesivă (SAR) pe 18 biți, capabil să ofere performanțe de 2 megaeșantionări per secundă (MSPS) și, respectiv, 15 MSPS.

Prin combinarea unui dispozitiv de achiziție de date µModule, cum ar fi ADAQ4003, cu un amplificator de instrumentație cu câștig programabil (PGIA) complet diferențial, cum ar fi LTC6373 de la Analog Devices, dezvoltatorii pot implementa o soluție simplă pentru multe dintre cerințele complexe de detecție ale sistemelor de aviație.

Figura 2: Dezvoltatorii pot îndeplini în mod eficient numeroase cerințe de detecție din domeniul aviației prin combinarea unui PGIA LTC6373 complet diferențial cu un sistem de achiziție de date μModule ADAQ4003. (Sursă imagine: Analog Devices)

După cum s-a menționat anterior, senzorii pe bază de MEMS oferă o soluție eficientă pentru furnizarea datelor critice necesare pentru funcționalitatea ADAHRS. Prin integrarea giroscoapelor triaxiale MEMS și a accelerometrelor triaxiale cu senzori de temperatură și alte blocuri funcționale, IMU-urile cu șase grade de libertate, cum ar fi IMU MEMS miniatural de precizie ADIS16505 și senzorul inerțial de nivel tactic ADIS16495 de la Analog Devices, oferă un set complet de funcționalități necesare pentru a simplifica dezvoltarea subsistemelor de avionică (Figura 3).

Figura 3: IMU ADIS16505 și IMU ADIS16495 (prezentate aici) integrează senzori cu un controler, calibrare, procesare a semnalelor și blocuri de autotestare pentru a oferi o soluție completă pentru sistemele electronice de măsurare care stau la baza sistemelor de avionică, precum ADAHRS. (Sursă imagine: Analog Devices)

Combinate în cadrul ADAHRS, aceste sisteme pot furniza componentele esențiale ale sistemelor de navigație inerțială capabile să furnizeze direcția necesară către destinația dorită chiar și în lipsa unor ajutoare navigaționale prin satelit sau la sol. La fel ca orice dispozitiv fabricat, dispozitivele bazate pe MEMS sunt supuse la diferite surse de limitări ale performanței care pot afecta acuratețea navigației calculate. De exemplu, variațiile inevitabile care apar în timpul fabricației, sursele de zgomot intern și efectele de mediu limitează precizia unui giroscop MEMS.

Producătorii documentează efectele acestor variații asupra performanțelor în numeroase specificații ale parametrilor din fișa tehnică. Printre aceste specificații, parametrii de sensibilitate, neliniaritate și eroare sistematică pot avea un impact direct asupra preciziei ADAHRS. În cazul giroscoapelor, sensibilitatea limitată (rezoluția de măsurare a vitezei unghiulare) poate avea ca rezultat o eroare de direcție (Ψ) și o eroare de poziție (d_e) în timpul virajelor (Figura 4, stânga); răspunsul neliniar (abatere de la răspunsul liniar ideal) poate duce la erori similare în urma unei serii de manevre, cum ar fi virajele în S (Figura 4, mijloc); iar eroarea sistematică a giroscopului rezultă într-o derivă a direcției și a poziției chiar și în timpul zborului de croazieră (zbor drept și orizontal fără accelerație) (Figura 4, dreapta).

Figura 4: Limitările de sensibilitate, neliniaritatea și erori sistematice ale giroscopului pot duce la acumularea erorii de direcție (Ψ) și a erorii de poziție (d_e) în timpul virajelor (stânga), virajelor în S (mijloc) și în regim de croazieră (dreapta). (Sursă imagine: Analog Devices)

Erorile sistematice apar din cauza nealinierii axelor giroscopului față de alte axe sau față de capsulă, din cauza erorilor de scalare și a răspunsului incorect al giroscopului la accelerația liniară ca rotație cauzată de asimetriile din fabricația MEMS. Pentru IMU-urile ADIS16505 și ADIS16495, Analog Devices determină factorii de corecție a erorii sistematice specifici fiecărui dispozitiv, prin testarea acestora la mai multe viteze de rotație și temperaturi. Acești factori de corecție a erorilor sistematice, specifici fiecărei piese, sunt stocați în memoria flash internă a fiecărei piese și sunt aplicați în timpul procesării semnalului senzorului.

Pe lângă factorii erorilor sistematice corectabile, și zgomotul aleatoriu din diverse surse are un impact asupra erorilor sistematice în timp. Deși nu este posibilă compensarea directă a acestui zgomot aleatoriu, efectele sale pot fi reduse prin eșantionare pe perioade de integrare mai lungi. Măsura în care timpii de eșantionare mai lungi vor reduce zgomotul este descrisă în graficul de deviație Allan (sau de varianță Allan) din fișa tehnică a giroscopului, care afișează zgomotul în grade pe oră (°/h) în funcție de perioada de integrare (τ) (Figura 5).

Figura 5: Diagramele de deviație Allan pentru giroscoapele MEMS din IMU ADIS16495 (stânga) și IMU ADIS16505 (dreapta) descriu capacitatea de a avea un timp de eșantionare extins pentru a compensa deriva aleatorie. (Sursă imagine: Analog Devices)

Punctul minim din graficul de deviație Allan reprezintă cel mai bun caz pentru deriva giroscopului în timp, un parametru numit stabilitatea erorilor sistematice în timpul funcționării (IRBS), specificat de obicei prin suma mediei și o deviație standard în specificațiile din fișa tehnică. Pentru dezvoltatorii care creează soluții ADAHRS de mare precizie, valoarea IRBS a unui IMU oferă un parametru esențial pentru înțelegerea celei mai bune performanțe posibile cu acea piesă. Experții în giroscoape clasifică IMU-urile, cum ar fi ADIS16495 de la Analog Devices, ca fiind de „nivel tactic” atunci când valorile IRBS ale giroscopului sunt cuprinse între 0,5° și 5,0°/h.

ADIS16495 are specificații stricte pentru mai mulți parametri vitali, pentru a îndeplini cerințele aplicațiilor tactice mai exigente. Susținându-i performanța îmbunătățită, ADIS16495 integrează o pereche de giroscoape MEMS și un lanț de semnal de eșantionare dedicat de 4100 hertzi (Hz) pentru fiecare dintre cele trei axe ale sale (Figura 6).

Figura 6: IMU ADIS16495 de nivel tactic îmbunătățește precizia giroscopului și performanța la derivă prin medierea ieșirii de la o pereche de giroscoape MEMS cu lanțuri de semnal dedicate. (Sursă imagine: Analog Devices)

Eșantioanele din fiecare lanț de semnal sunt apoi combinate folosind o frecvență de eșantionare separată de 4250 Hz (f_SM) pentru a furniza o măsurătoare a vitezei unghiulare ce reduce efectul zgomotului. Combinând această metodă de eșantionare cu specificații de performanță mai stricte, se obține un IMU capabil să îndeplinească cerințele mai exigente ale avionicii.

Dezvoltarea rapidă și explorarea proiectelor bazate pe IMU

Pentru a ajuta la accelerarea dezvoltării de proiecte bazate pe IMU, Analog Devices oferă un set complet de instrumente de dezvoltare. Proiectată pentru a susține placa de evaluare IMU EVAL-ADIS-FX3 (Figura 7) și plăcile breakout asociate, stiva software FX3 de la Analog Devices cuprinde un pachet de firmware, o interfață de programare a aplicațiilor (API) compatibilă cu .NET și o interfață grafică cu utilizatorul (GUI). O bibliotecă de funcții wrapper furnizată împreună cu API permite dezvoltatorilor să lucreze cu orice mediu de dezvoltare care acceptă .NET, inclusiv cu cele pentru MATLAB, LabView și Python. În timpul dezvoltării, interfața grafică de evaluare FX3 permite dezvoltatorilor să citească și să scrie cu ușurință registrele, să achiziționeze date și să traseze rezultatele în timp real.

Figura 7: Placa de evaluare EVAL-ADIS-FX3 face parte dintr-un pachet complet de suport hardware și software pentru a ajuta la utilizarea IMU-urilor Analog Devices. (Sursă imagine: Analog Devices)

Concluzie

Soluțiile de avionică ADAHRS stau la baza EFIS-urilor aflate în evoluție. Odată cu dezvoltarea giroscoapelor, accelerometrelor și magnetometrelor de precizie bazate pe tehnologiile MEMS, sistemele de avionică pot oferi performanțe de zbor și capacități de navigație care până acum puteau fi utilizate doar de cele mai mari flote de aeronave comerciale. Utilizând modulele de achiziție de date și IMU-urile puternic integrate de la Analog Devices, dezvoltatorii sistemelor de avionică pot proiecta soluții mai mici și mai rentabile pentru a îndeplini cerințele stricte de funcționalitate, siguranță și fiabilitate ale sistemelor de aviație.