Megbízható repülőgép-navigációs rendszerek létrehozása költségtakarékosan, nagy pontosságú alkatrészekkel

A kifinomult ADAHRS-berendezések (ADAHRS: air data, attitude, and heading reference system, légiadat-, térbelihelyzet- és irányreferencia-rendszer) kifejlesztésének a biztonság megteremtése és a pontos navigáció érdekében rendkívül nagy jelentősége van úgy a pilóta nélküli, mint a pilóta vezette légi járművek rendszereiben. A strapabíró, megbízható ADAHRS-berendezések létrehozásához a fejlesztőknek olyan alkatrészekre van szükségük, amelyekkel a repüléselektronikai (olykor az angol aviaton electronics kifejezés összevonásából származó átvett szóval avionikai) navigációs rendszerek tervezésének számos kihívása megoldható, beleértve az érzékelők pontosságát, a környezettűrést és a rendszerbe való beépítés lehetőségét.

Ez a cikk leírja, hogy az Analog Devices nagy pontosságú adatgyűjtő moduljai és tehetetlenségi (idegen szóval inerciális) mérőegységei (IMU, inertial measurement unit) hogyan oldják meg ezeket a kihívásokat, és hogyan egyszerűsítik a hatékony ADAHRS-berendezések fejlesztését.

A repülésbiztonság kifinomult érzékelőkön alapuló rendszerekre épül

A repülés pontos végrehajtásához szükséges adatok rendelkezésre állása a légi közlekedés valamennyi szegmensében kritikus fontosságú a biztonság szempontjából, a pilóta nélküli légi járművektől kezdve a nehéz utasszállító repülőgépekig. A repülőgépek aerodinamikai fejlődésével párhuzamosan a repüléselektronikai rendszerek képességei a pilóta hagyományos, mágneses iránytűn, mechanikus pörgettyűkön (idegen szóval giroszkópokon) és légnyomásmérésen alapuló repülési alapműszerek alkotta „hatos csomagjától” (térbelihelyzet-jelző – műhorizont –, iránytű, elfordulásjelző, sebességmérő, magasságmérő és variométer) mára az egyre kifinomultabb grafikus kijelzős elektronikus repülésiműszer-rendszer (EFIS, electronic flight instrument system) jellemezte „üveg pilótafülkéig” fejlődtek.

Az EFIS alapjául szolgáló ADAHRS egyesíti a légiadat-feldolgozó számítógép és a térbelihelyzet- és irányreferencia-rendszer (AHRS, attitude and heading reference system) képességeit. Erre azért van szükség, hogy kiegészítsék a nagy hatótávolságú globális műholdas navigációs rendszer (GNSS, global navigation satellite system) navigációs segédeszközeit, például az Amerikai Egyesült Államokban kifejlesztett globális helyzetmeghatározó rendszert (GPS, global positioning system) és az ahhoz kapcsolódó földi nagy területű pontosságnövelő rendszert (WAAS, wide area augmentation system). A légiadat-feldolgozó számítógép a légköri nyomás és a külső levegő hőmérséklete alapján számítja ki a magasságot, a függőleges sebességet (variót), valamint a levegőhöz viszonyított különféle (lég-) sebességeket és a föld feletti sebességet. Az ADAHRS a légi jármű térbeli helyzetének (bólintás, dőlés és elfordulás) és hossztengelyirányának adatait, amelyekre a tehetetlenségi navigációban a légi jármű számított helyzetének meghatározáshoz szükség van, a szögsebesség változását mérő pörgettyűktől, az egyenes vonalú sebesség változását mérő gyorsulásmérőktől és a mágneses irányt mérő magnetométerektől kapja, és ezen adatokat kombinálva számítja ki a légi jármű helyzetét. Az érzékelőtechnika fejlődése drámaian megváltoztatta ezeknek a nélkülözhetetlen érzékelőknek a jellegét.

A közelmúltban az összetett száloptikai és gyűrűs lézeres pörgettyűk jelentették azt a kevés rendelkezésre álló műszaki eszközt, amelyek a repülés számára megfelelő pontosságot tudtak nyújtani. Ma a fejlett mikro-elektromechanikus rendszerek (MEMS, microelectromechanical system) elérhetősége olyan technikát kínál a fejlesztők számára, amely képes kielégíteni a különböző repülési platformok követelményeit (1. ábra).

1. ábra: A csúcskategóriás MEMS pörgettyűket egyedi jellemzőik miatt előnyben részesítik a repüléselektronikai rendszerekben (táblázat: Analog Devices)

A pörgettyűk, gyorsulásmérők és magnetométerek mellett az ADAHRS működése a külső levegő hőmérsékletét és nyomását mérő érzékelők által folyamatosan szolgáltatott megbízható adatoktól is függ. Más nyomás-, erőhatás- és helyzetérzékelők a kormányfelületek, a futóművek és az orrkerék-kormányzás helyzetéről és terheléséről szolgáltatnak adatokat. További érzékelők szolgáltatják a (sugár)hajtómű vagy a (dugattyús) motor teljesítményére és a tüzelőanyagra vonatkozó nélkülözhetelen adatokat, amelyek a hajtómű vagy a motor adatait jelző rendszerek számára szükségesek, valamint az utastér hőmérsékletének, nyomásának és oxigénszintjének adatait.

Az Analog Devices nagy teljesítményű érzékelőadat-gyűjtő moduljainak és MEMS tehetetlenségi mérőegységeinek kombinációja a mérnökök kezébe adja azokat az elengedhetelen alkatrészeket, amelyek ahhoz szükségesek, hogy olyan megbízhatóságú, pontosságú, méretű és árú repüléselektronikai eszközöket fejlesszenek ki, amelyeket a légi járművek repülésiműszer-rendszereinek teljes skáláján használni lehet.

Érzékelőadat-gyűjtő modulok és tehetetlenségi mérőegységek használata a korszerű repüléselektronikában

A minden repülési platformon sokféle érzékelő adatait összegyűjtő nagy teljesítményű adatgyűjtő modulok különféle teljesítményekkel állnak rendelkezésre minden szükséges adatfajta érzékeléséhez és minden funkcionális követelményhez. A Precision Signal Chain µModule Solutions (nagy pontosságú µModul-jelláncok) megalkotásával az Analog Devices egy kis méretű egy tokba épített rendszerben (SIP, system-in-package) egyesíti a jelformáló blokkokat és analóg–digitális átalakítókat (ADC, analog-to-digital converter) is tartalmazó közös jelfeldolgozó rendszereket, így segítve a nehéz tervezési feladatok megoldását A μModulok az Analog Devices iPassive® technikájával készült elengedhetetlen, kiváló illesztésű és elvándorlási jellemzőjű passzív alkatrészeket is tartalmazzák, ami minimálisra csökkenti a hőmérsékletfüggő hibaforrásokat és egyszerűsíti a kalibrálást, és egyúttal csökkenti a hűtés jelentette problémákat is. Az eszköz alapterületének jelentős csökkentése lehetővé teszi további csatornák vagy funkciók hozzáadását, méretezhetővé téve ezzel a széles hőmérséklet-tartományban és hosszú időn át nagy pontosságot és stabilitást igénylő repülési műszereket. A µModulok csökkentik a jellánc kialakításához szükséges külsőalkatrész-mennyiséget és a külső áramkörökkel szembeni teljesítményérzékenységet, valamint lerövidítik a tervezési ciklusokat, és ezáltal csökkentik a teljes tulajdonlási költséget.

A nagy igényeket támasztó adatgyűjtési követelmények teljesítésére tervezett Analog Devices ADAQ4003 és ADAQ23878 μModul egy analóg–digitális átalakítót (ADC) vezérlő teljes (vagy kétoldalas) differenciálerősítőt (FDA, fully differential amplifier – 2. ábra), valamint egy 0,005%-os pontosságú illesztett ellenállástömböt, egy stabil referenciapuffert és egy 18 bites sorozatos közelítéses regiszteres (SAR, successive approximation register) analóg–digitális átalakítót (ADC) tartalmaz, mely utóbbi 2 MSPS (millió minta/másodperc), illetve 15 MSPS gyakoriságú mintavételezésre képes.

Egy ADAQ4003-hoz hasonló μModule adatgyűjtő eszközt és egy állítható erősítésű műszererősítőként (PGIA, programmable-gain instrumentation amplifier) szolgáló teljes differenciálerősítőt, például az Analog Devices LTC6373 jelű eszközt kombinálva a fejlesztők egyszerű módon tudják teljesíteni a repülőgépes rendszerek számos összetett érzékelési követelménye jelentette elvárásokat.

2. ábra: A fejlesztők számos repülőgépes érzékelési követelményt tudnak hatékonyan teljesíteni az állítható erősítésű műszererősítőként szolgáló LTC6373 teljes differenciálerősítőt és az ADAQ4003 μModul adatgyűjtő rendszert kombinálva (ábra: Analog Devices)

Amint azt korábban említettük, a MEMS-alapú érzékelők hatékony megoldást kínálnak az ADAHRS működéséhez nélkülözhetetlen adatok szolgáltatására. A háromtengelyű (azaz az elfordulást három tengely körül mérő, de nem három szabadságfokú) MEMS pörgettyűket és a háromtengelyű gyorsulásmérőket hőmérséklet-érzékelőkkel és egyéb funkcionális blokkokkal, valamint hat szabadságfokú tehetetlenségi mérőegységekkel – amilyen például az Analog Devices ADIS16505 jelű nagy pontosságú miniatűr MEMS tehetetlenségi mérőegysége és ADIS16495 jelű harcászati minőségű tehetetlenségi érzékelője – egyesítve teljes körű funkciókat kínálnak a repüléselektronikai alrendszerek fejlesztésének egyszerűsítéséhez (3. ábra).

3. ábra: Az ADIS16505 és az ADIS16495 tehetetlenségi mérőegység (az ábrán) egy vezérlőegységgel, valamint kalibrációs, jelfeldolgozó és önellenőrző blokkokkal egyesíti az érzékelőket, hogy teljes megoldást tudjon kínálni a repüléselektronikai rendszerek – például az ADAHRS – alapját képező elektronikus mérőrendszerekhez (ábra: Analog Devices)

Az ADAHRS rendszerben kombinálva ezek a rendszerek biztosítani tudják az olyan tehetetlenségi navigációs rendszerek elengedhetetlen összetevőit, amelyek műholdas vagy földi navigációs segédberendezések nélkül is képesek szolgáltatni a kívánt célállomás eléréséhez szükséges irányt. Mint minden gyártott eszközre, a MEMS-alapú eszközökre is érvényesek különböző eredetű különféle teljesítménykorlátok, amelyek ronthatják a számított navigáció pontosságát. A MEMS pörgettyűk pontosságát korlátozzák például az elkerülhetetlen gyártási eltérések, a belső zajforrások és a környezeti hatások.

A gyártók az adatlapon feltüntetett számos paraméteradattal dokumentálják ezeknek az eltéréseknek a pontosságra gyakorolt hatását. Ezek közül az paraméterek közül az érzékenység, a nemlinearitás és a mérési hiba közvetlenül befolyásolhatják az ADAHRS pontosságát. A pörgettyűk korlátozott érzékenysége (a szögsebesség mérésének felbontása) hossztengelyirány-hibát (Ψ) és térbelihelyzet-hibát (d_e) eredményezhet a fordulók során (4. ábra, balra), a nemlineáris jelátvitel (az ideális lineáris jelátviteltől való eltérés) hasonló hibákat eredményezhet több egymást követő manőver, például S-fordulók után (4. ábra, középső), a pörgettyű mérési hibája pedig hossztengelyirány- és térbelihelyzet-eltolódást eredményez még utazórepülés (gyorsulás nélküli egyenes vonalú és vízszintes repülés) során is (4. ábra, jobbra).

4. ábra: A pörgettyű érzékenységi korlátai, nemlinearitása és mérési hibája hossztengelyirány-hibák (Ψ) és térbelihelyzet-hibák (d_e) felhalmozódását eredményezhetik a fordulók (balra), S-fordulók (középen) és utazórepülés (jobbra) során (ábra: Analog Devices)

A mérési hibák az egyes pörgettyűtengelyeknek a többi tengelyhez vagy a pörgettyűházhoz való helytelen igazításából, a méretezési hibákból, valamint a pörgettyűnek a MEMS gyártási aszimmetriái miatt a lineáris gyorsulást elfordulásként érzékelő hibás jeléből adódnak. Az Analog Devices az ADIS16505 és az ADIS16495 tehetetlenségi mérőegység esetében a jellemző mérésihiba-helyesbítő tényezőket minden egyes eszköz esetében többféle fordulatszámon és hőmérsékleten végzett vizsgálattal határozza meg. Ezek az alkatrészspecifikus mérésihiba-helyesbítő tényezők mindegyik alkatrésznek a belső flashmemóriájában vannak tárolva, és az érzékelő jelének feldolgozása során használja fel őket a rendszer.

A helyesbíthető mérésihiba-tényezők mellett az idő múlásával a különböző forrásokból származó véletlenszerű zajok is befolyásolják a mérési hibát. Bár ezeket a véletlen zajokat nem lehet közvetlenül helyesbíteni, a hatásuk hosszabb utánállítási idővel történő mintavételezéssel csökkenthető. Azt, hogy a hosszabb mintavételi idők milyen mértékben csökkentik a zajt, a pörgettyű adatlapjának Allan-eltérés- (vagy Allan-variancia-) diagramja szemlélteti, amely fok/óra (°/hr) értékben mutatja a zajt az utánállítási időtartam (τ) függvényében (5. ábra).

5. ábra: Az ADIS16495 (balra) és az ADIS16505 (jobbra) tehetetlenségi mérőegységben lévő MEMS pörgettyűk Allan-eltérés-diagramjai azt mutatják, hogy hosszabb mintavételi időt (integration time = utánállítási idő) használva helyesbíteni lehet a (zajok miatti) véletlenszerű elvándorlást (ábra: Analog Devices)

Az Allan-eltérés-diagramnak a minimumértéke a pörgettyű időbeli elvándorlásának a legjobb esetét jelzi. Ez egy olyan paraméter, amelyet üzem közbeni mérésihiba-stabilitásnak (IRBS, in-run bias stability) neveznek, és amelyet az adatlapon feltüntetett adatok között általában a középérték és egy szórás összegeként adnak meg. A nagy pontosságú ADAHRS-berendezéseket tervező fejlesztők számára a tehetetlenségi mérőegység üzem közbeni mérésihiba-stabilitása nélkülözhetetlen paraméter az adott alkatrésszel elérhető legjobb teljesítmény megismeréséhez. A pörgettyűszakértők az olyan tehetetlenségi mérőegységeket, mint az Analog Devices ADIS16495, akkor tekintik „harcászati minőségűnek”, ha a pörgettyű üzem közbeni mérésihiba-stabilitási értékei 0,5°/óra és 5,0°/óra között vannak.

Az ADIS16495 több létfontosságú paraméterére szigorú tűrések vonatkoznak, hogy az eszköz megfeleljen az igényesebb harcászati felhasználási területek követelményeinek. Az ADIS16495 teljesítményét nagymértékben javítja, hogy mindhárom tengelyéhez egy pár MEMS pörgettyű és egy 4100 Hz-es mintavételező jellánc tartozik (6. ábra).

6. ábra: Az ADIS16495 harcászati minőségű tehetetlenségi mérőegység úgy javítja a pörgettyű pontosságát és csökkenti az elvándorlást, hogy egy pár MEMS pörgettyű kimenőjelét átlagolja kifejezetten erre szolgáló jelláncokkal (ábra: Analog Devices)

Az egyes jelláncokból származó mintákat ezután egy külön 4250 Hz-es mintavételi frekvencia (f_SM) segítségével kombinálja, hogy a kapott szögsebességjelben már csökkentve jelenjen meg a zaj hatása. Ennek a mintavételi módszernek a teljesítményre vonatkozó szigorúbb követelményekkel való ötvözése olyan tehetetlenségi mérőegységeket eredményez, amelyek képesek megfelelni a repüléselektronika által támasztott magasabb igényeknek.

Tehetetlenségi mérőegységet használó készülékek gyors fejlesztése és megismerése

Az Analog Devices a tehetetlenségi mérőegységeken alapuló berendezések fejlesztésének felgyorsítása érdekében egy átfogó fejlesztői eszközkészletet is kínál a fejlesztőknek. A tehetetlenségi mérőegységekhez való EVAL-ADIS-FX3 fejlesztőkártya (7. ábra) és a hozzá tartozó kivezetőkártyák támogatására tervezett Analog Devices FX3 szoftvercsomag egy firmware-csomagot, egy .NET-kompatibilis alkalmazásprogramozási felületet (API) és egy grafikus felhasználói felületet (GUI) tartalmaz. Az API-hoz mellékelt burkolóprogram-könyvtár lehetővé teszi a fejlesztők számára, hogy bármilyen .NET-et támogató fejlesztőkörnyezettel dolgozzanak, beleértve a MATLAB, a LabView és a Python fejlesztőkörnyezetet is. A fejlesztés során az FX3 kiértékelő grafikus felhasználói felülete lehetővé teszi a fejlesztők számára a regiszterek egyszerű olvasását és írását, az adatok rögzítését és az eredmények valós idejű ábrázolását.

7. ábra: Az EVAL-ADIS-FX3 fejlesztőkártya egy átfogó hardveres és szoftveres támogatócsomag része, amely az Analog Devices tehetetlenségi mérőegységeivel való kísérletezést segíti (kép: Analog Devices)

Összegzés

Az elektronikus repülésiműszer-rendszer (EFIS) lelkét az ADAHRS rendszerhez tartozó repüléselektronikai berendezések jelentik. A MEMS technikákon alapuló nagy pontosságú pörgettyűk, gyorsulásmérők és magnetométerek fejlesztésével a repüléselektronikai rendszerek olyan repülési teljesítményt és navigációs képességeket kínálnak, amelyek korábban a legnagyobb kereskedelmi repülőgépflották kivételével minden más légi jármű számára elérhetetlenek voltak. Az Analog Devices adatgyűjtő moduljainak és nagy integráltsági fokú tehetetlenségi mérőegységeinek használatával a repüléselektronikát fejlesztő mérnökök költségtakarékosabb, kisebb méretű berendezéseket tervezhetnek, hogy megfeleljenek a repülésiműszer-rendszerek funkcióira, biztonságára és megbízhatóságára vonatkozó szigorú követelményeknek.