cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2024-27-6-82-93caht-2469Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGНатурный стенд для исследований алгоритмов навигации и фильтрации бесплатформенной навигационной системы с использованием среды Matlab SimulinkA full-scale simulator for research of navigation and filtering algorithms of a strapdown inertial navigation system using the Matlab-Simulink environmentСанькоА. А.SankoA. A.

Санько Андрей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, начальник кафедры воздушных судов и авиационного оборудования военного факультета

г. Минск

Andrey A. Sanko, Candidate of Technical Sciences, The Head of the Department of Aircraft and Aviation Equipment, Military Faculty

Minsk

nimiz75@mail.ruВетошкинВ. А.VetoshkinV. A.

Ветошкин Вячеслав Александрович, преподаватель кафедры воздушных судов и авиационного оборудования военного факультета 

г. Минск

Vyacheslav A. Vetoshkin, Lecturer, Department of Aircraft and Aviation Equipment, Military Faculty

Minsk

vv_1@mail.ruИвановскаяЕ. Л.IvanovskayaE. L.

Ивановская Екатерина Леонидовна, магистр технических наук, преподаватель кафедры воздушных судов и авиационного оборудования военного факультета

г. Минск

Ekaterina L. Ivanovskaya, Master of Technical Sciences, Lecturer, Department of Aircraft and Aviation Equipment, Military Faculty

Minsk

ekaterina2011715@icloud.comБелорусская государственная академия авиацииБеларусьBelarusian State Aviation AcademyBelarus2024110120252768293Copyright © Санько А.А., Ветошкин В.А., Ивановская Е.Л., 20242024Санько А.А., Ветошкин В.А., Ивановская Е.Л.Sanko A.A., Vetoshkin V.A., Ivanovskaya E.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2469

В связи с возрастающей сложностью навигационного оборудования воздушных судов (ВС), с ростом требований, предъявляемых к ним, встает вопрос о необходимости исследования и усовершенствования существующих алгоритмов навигации и фильтрации путем решения задач по разработке натурных исследовательских стендов. В статье изложены результаты работы в области создания натурного стенда для исследований алгоритмов навигации и фильтрации для бесплатформенной навигационной системы (БИНС) в составе: датчики первичной навигационной информации, выполненные по микроэлектромеханической технологии (МЭМС), сервомашинки и навигационная платформа, имеющая две степени свободы по крену и тангажу. Представлены особенности конструктивной, аппаратной и алгоритмической реализации стенда с учетом перспектив его развития в части использования количества степеней свободы платформы (каналов тангажа, крена и рыскания). Описан реализованный принцип интеграции Simulink-модели объекта управления. Объект управления состоит из контроллера на базе платформы Arduino, GPS-датчика, датчика GY-91, имеющего инерциально-измерительный блок, состоящий из трех ортогонально расположенных: измерителя угловой скорости, акселерометра и одноканального барометра на базе МЭМС MP280. Реализован алгоритм позиционного (ручного) управления навигационной платформы по углу тангажа и крена с использованием двух сервомашинок, через джойстик и виртуальный СОМ-порт. Представлена схема, иллюстрирующая логику взаимодействия структурных элементов стенда, часть программной реализации используемого комплементарного фильтра, а также функция его вычисления и имитационные связи Simulink-модели. Рассмотрен обмен информацией между ПЭВМ и микроконтроллером Arduino. Сделан вывод о целесообразности создания и использования разработанного стенда для обоснования применения того или иного алгоритма навигации и фильтрации для конкретного типа ВС.

Due to the increasing complexity of aircraft navigation equipment and the growing demands placed on them, there is a need to study and improve existing navigation and filtering algorithms by solving problems of developing full-scale research simulators. The article presents the results of work in the field of creating a full-scale simulator for research of navigation and filtering algorithms for a strapdown inertial navigation system (SINS) comprising: primary navigation data sensors made using microelectromechanical system technology (MEMS), servos and a navigation platform with two-degrees-of-freedom in roll and pitch. The article presents the features of the design, hardware and algorithmic implementation of the test rig taking into account the prospects for its development in terms of using the number of degrees of freedom of the platform (pitch, roll and yaw channels). The implemented principle of integrating the Simulink model of the control object is described. The control object consists of a controller based on the Arduino platform, a GPS sensor, a GY-91 sensor with an inertial measurement unit consisting of three orthogonally located: angular velocity meter, accelerometer and the single-channel barometer based on the MP280 MEMS. An algorithm for positional (manual) control of the navigation platform by pitch and roll angles using two servos, through a control stick and a virtual COM port is implemented. A diagram illustrating the logic of interaction of the structural elements of the simulator, a part of the software implementation of the complementary filter used, as well as the function of its calculation and simulation links of the Simulink model are presented. The information exchange between the PC and the Arduino microcontroller is considered. A conclusion was made about the feasibility of creating and using the developed simulator to justify the use of a particular navigation and filtering algorithm for a specific type of aircraft.

бесплатформенная навигационная системауправлениемикроконтроллермоделированиефильтрациянатурный стендstrapdown inertial navigation systemcontrolmicrocontrollermodelingfilteringfull-scale simulatorReferencesМелешко В.В., Нестеренко О.И. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы: учеб. пособие. Кировоград: ПОЛИМЕД-Сервис, 2011. 171 с.Meleshko, V.V., Nesterenko, O.I. (2011). Strapdown inertial navigation systems. Tutorial. Kirovograd: POLIMED-Servis, 171 p. (in Russian)Санько А.А., Шейников А.А. Определение угловой ориентации в БИНС: сравнение традиционных алгоритмов // Научный Вестник МГТУ ГА. 2022. Т. 25, № 1. C. 77–88. DOI: 10.26467/2079-0619-2022-25-1-77-88Sanko, A.A., Sheinikov, A.A. (2022). Angular orientation determination in SINS: traditional algorithms comparison. Civil Aviation High Technologies, vol. 25, no. 1, pp. 77–88. DOI: 10.26467/2079-0619-2022-25-1-77-88. (in Russian)Иванов Ю.В. Исследование статистических характеристик микромеханических датчиков инерциального модуля / Ю.В. Иванов, В.А. Орлов, Р.В. Алалуев, В.В. Матвеев // Датчики и системы. 2007. № 1. С. 25–26.Ivanov, Yu.V., Orlov, V.A., Alaluev, R.V., Matveev, V.V. (2007). Investigation of steady-state characteristics of inertial module's micromechanical sensors. Datchitki i sistemy, no. 1, pp. 25–26. (in Russian)Санько А.А., Шейников А.А., Туганов Г.Ш. Экспериментальное исследование законов распределения выходных сигналов микроэлектрических навигационных датчиков БПЛА [Электронный ресурс] // Crede Experto: транспорт, общество, образование, язык. 2022. № 1. С. 101–112. DOI: 10.51955/231213 27-2022-1-101 (дата обращения: 26.05.2024).Sanko, A.A., Sheynikov, A.A., Tuganov, G.Sh. (2022). Experimental study of the distribution laws of output signals of microelectromechanical navigation sensors of an unmanned aerial vehicle. Crede Experto: transport, society, education, language, no. 1, pp. 101–112. DOI: 10.51955/23121327-2022-1-101 (accessed: 26.05.2024). (in Russian)Боронахин А.М., Лукьянов Д.П., Филатов Ю.В. Оптические и микромеханические инерциальные приборы. СПб.: Элмор, 2008. 400 с.Boronakhin, A.M., Lukyanov, D.P., Filatov, Yu.V. (2008). Optical and micromechanical inertial devices. St. Petersburg: Elmor, 400 p. (in Russian)Han Sh. Random error reduction algorithms for MEMS inertial sensor accuracy improvement – a review / Sh. Han, Zh. Meng, O. Omisore, T. Akinyemi, Y. Yan // Micromachines. 2020. Vol. 11, iss. 11. P. 1021. DOI: 10.3390/mi11111021Han, Sh., Meng, Zh., Omisore, O., Akinyemi, T., Yan, Y. (2021). Random error reduction algorithms for MEMS inertial sensor accuracy improvement – a review. Micromachines, vol. 11, issue 11, p. 1021. DOI: 10.3390/mi11111021Шаврин В.В., Конаков А.С., Тисленко В.И. Калибровка микроэлектромеханических датчиков ускорений // Доклады ТУСУР. 2012. № 1-2 (25). С. 265–269.Shavrin, V.V., Konakov, A.S., Tislenko, V.I. (2012). Calibration of strapdown mems acceleration and gyro sensors in inertial navigation systems. Doklady TUSUR, no. 1-2 (25), pp. 265–269. (in Russian)Владимиров В.М., Гречкосеев А.К., Толстиков А.С. Имитатор измерительной информации для отработки эфемеридно-временного обеспечения космической навигационной системы ГЛОНАСС // Измерительная техника. 2004. № 8. С. 12–14.Vladimirov, V.M., Grechkoseev, A.K., Tolstikov, A.S. (2004). Simulator of measuring information for testing ephemeris-time support of the GLONASS space navigation system. Izmeritelnaya tekhnika, no. 8, pp. 12–14. (in Russian)Верещиков Д.В., Разуваев Д.В., Костин П.С. Прикладная информатика: Применение Matlab@Simulink для решения практических задач: учеб. пособие. Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2016. 104 с.Vereshchikov, D.V., Razuvaev, D.V., Kostin, P.S. (2016). Application computer science: Application Matlab@Simulink for the decision of practical problems: Tutorial. Voronezh: VUNTS VVS “VVA”, 104 p. (in Russian)Верещиков Д.В. Натурный стенд для отработки системы управления винтомоторной силовой установкой конвертируемого летательного аппарата / Д.В. Верещиков, И.К. Макаров, И.С. Моисеева, С.М. Баранцев // Научный Вестник МГТУ ГА. 2024. Т. 27, № 1. С. 61–71. DOI: 10.26467/2079-0619-2024-27-1-61-71Vereshikov, D.V., Makarov, I.K., Moiseeva, I.S., Barancev, S.M. (2024). Fullscale simulator to test a control system of an engine-propeller powerplant of a convertible aerial vehicle. Civil Aviation High Technologies, vol. 27, no. 1, pp. 61–71. DOI: 10.26467/2079-0619-2024-27-1-61-71Харин Е.Г., Копылов И.А. Технологии летных испытаний бортового оборудования летательных аппаратов с применением комплекса бортовых траекторных измерений. М.: МАИ-ПРИНТ, 2012. 360 с.Kharin, E.G., Kopylov, I.A. (2012). Flight testing technologies for onboard equipment of aircraft using an onboard trajectory measurement system. Moscow: МАI-PRINT, 360 p. (in Russian)Kalman R.E. A new approach to linear filtering and prediction problems // Journal of Basic Engineering. 1960. Vol. 82, no. 1. Pp. 35–45.Kalman, R.E. (1960). A new approach to linear filtering and prediction problems. Journal of Basic Engineering, vol. 82, no. 1, pp. 35–45.Madgwick S.O.H. An efficient orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays [Электронный ресурс] // Semantic Scholar. 2010. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/An-efficient-orientation-filter-forinertial-and-Madgwick/bfb456caf5e71d426bd3e2fd529ee833a6c3b7e7 (дата обращения: 26.04.2024).Madgwick, S.O.H. (2010). An efficient orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays. Semantic Scholar. Available at: http://x-io.co.uk/res/doc/madgwick_internal_report.pdf. (accessed: 26.04.2024).Mahony R., Hamel T. Attitude estimation on SO (3) based on direct inertial measurements // Proceedings 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Orlando, FL, USA, 2006. Pp. 2170–2175. DOI: 10.1109/ROBOT.2006.1642025Mahony, R., Hamel, T. (2006). Attitude estimation on SO (3) based on direct inertial measurements. In: Proceedings 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Orlando, FL, USA, pp. 2170–2175. DOI: 10.1109/ROBOT.2006.1642025Mehra R.K. On the identification of variances and adaptive Kalman filte-ring // IEEE Transactions on Automatic Control, 1970. Vol. 15, iss. 2. Pp. 175–184. DOI: 10.1109/TAC.1970.1099422Mehra, R.K. (1970). On the identification of variances and adaptive Kalman filte-ring. In: IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 15, issue 2, pp. 175–184. DOI: 10.1109/TAC.1970.1099422Wang P., Li G., Gao Ya. A compensation method for gyroscope random drift based on unscented Kalman filter and support vector regression optimized by adaptive beetle antennae search algorithm // Applied Intelligence. 2023. Vol. 53. Pp. 4350–4365. DOI: 10.1007/s10489-022-03734-7Wang, P., Li, G., Gao, Ya. (2023). A compensation method for gyroscope random drift based on unscented Kalman filter and support vector regression optimized by adaptive beetle antennae search algorithm. Applied Intelligence, vol. 53, pp. 4350–4365. DOI: 10.1007/s10489-022-03734-7Аванесов Г.А. Вопросы применения микромеханических гироскопов для космических проектов / Г.А. Аванесов, Р.В. Бессонов, С.А. Дятлов, А.Н. Куркина, В.В. Сазонов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. T. 10, № 4. С. 51–63.Avanesov, G.A., Bessonov, R.V., Dyatlov, S.A., Kurkina, A.N., Sazonov, V.V. (2013). Joint data processing algorithms from star trackers and microelectromechanical angular velocity sensors. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya zemli iz kosmosa, vol. 10, no. 4, pp. 51–63. (in Russian)Guo H. Kalman filtering for GPS/magnetometer integrated navigation system / H. Guo, M. Yu, Ch. Zou, W. Huang // Advances in Space Research. 2010. Vol. 45, iss. 11. Pp. 1350–1357. DOI: 10.1016/j.asr.2010.01.011Guo, H., Yu, M., Zou, Ch., Huang, W. (2010). Kalman filtering for GPS/magnetometer integrated navigation system. Advances in Space Research, vol. 45, issue 11, pp. 1350–1357. DOI: 10.1016/j.asr.2010.01.011Brilingaite A., Jensen C.S. Online Route Prediction for Automotive Applications [Электронный ресурс] // ResearchGate. October 2006. 8 p. URL: https://www.researchgate.net/publication/240804392_ONLINE_ROUTE_PREDICTION_FOR_AUTOMOTIVE_APPLICATIONS (дата обращения: 26.04.2024).Brilingaite, A., Jensen, C.S. (2006). Online Route Prediction for Automotive Applications. ResearchGate, 8 p. Available at: https://www.researchgate.net/publication/240804392_ONLINE_ROUTE_PREDICTION_FOR_AUTOMOTIVE_APPLICATIONS (accessed: 26.04.2024).Шахтарин Б.И., Сучков В.Б., Губанов Д.А. Оптимальная фильтрация случайных процессов: учеб. пособие для вузов. М.: Горячая линия-Телеком, 2017. 90 с.Shakhtarin, B.I., Suchkov, V.B., Gubanov, D.A. (2017). Optimal filtration of random processes: Tutorial. Moscow: Goryachaya liniya-Telekom, 90 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.