【導(dǎo)讀】開發(fā)先進的大氣數(shù)據(jù)、姿態(tài)和航向參考系統(tǒng) (ADAHRS) 解決方案，對于確保有人駕駛和無人駕駛飛機系統(tǒng)的精確導(dǎo)航和安全至關(guān)重要。為了設(shè)計出穩(wěn)健可靠的 ADAHRS，開發(fā)人員需要使用能夠應(yīng)對航空電子導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計中多重挑戰(zhàn)（包括傳感器精度、環(huán)境適應(yīng)能力和系統(tǒng)集成）的組件。
開發(fā)先進的大氣數(shù)據(jù)、姿態(tài)和航向參考系統(tǒng) (ADAHRS) 解決方案，對于確保有人駕駛和無人駕駛飛機系統(tǒng)的精確導(dǎo)航和安全至關(guān)重要。為了設(shè)計出穩(wěn)健可靠的 ADAHRS，開發(fā)人員需要使用能夠應(yīng)對航空電子導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計中多重挑戰(zhàn)（包括傳感器精度、環(huán)境適應(yīng)能力和系統(tǒng)集成）的組件。
本文介紹了如何利用 Analog Devices 的精密數(shù)據(jù)采集模塊和慣性測量裝置 (IMU) 來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，并簡化有效 ADAHRS 解決方案的開發(fā)。
航空安全依靠先進的傳感器系統(tǒng)
從無人駕駛航空系統(tǒng) (UAS) 到大型噴氣式客機，在所有航空領(lǐng)域提供準(zhǔn)確的飛行性能信息都對安全至關(guān)重要。隨著飛機氣動性能的改進，航空電子系統(tǒng)的功能也從基于磁羅盤、機械陀螺儀和真空驅(qū)動飛行儀表的飛行員傳統(tǒng)“六件套”飛行儀表，發(fā)展到日益復(fù)雜的圖形顯示電子飛行儀表系統(tǒng) (EFIS)“玻璃駕駛艙”。
在 EFIS 的基礎(chǔ)上，ADAHRS 整合了大氣數(shù)據(jù)計算機和姿態(tài)與航向參考系統(tǒng) (AHRS) 的功能，而這些功能是補充美國全球定位系統(tǒng) (GPS) 和 GPS 的相關(guān)地面廣域增強系統(tǒng) (WAAS) 等遠(yuǎn)程全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 導(dǎo)航輔助設(shè)備所必需的。大氣數(shù)據(jù)計算機可以利用大氣壓力測量值和外部空氣溫度，計算飛機的高度和垂直變化率、空速和地面速度。為了提供慣性導(dǎo)航中航跡推測所需的飛機姿態(tài)（俯仰、橫滾和偏航）和航向數(shù)據(jù)，ADAHRS 依靠陀螺儀測量角速度變化、加速度計測量線速度變化和磁力計測量磁航向。傳感器技術(shù)的進步極大地改變了這些關(guān)鍵傳感器的性質(zhì)。
在過去，復(fù)雜的光纖或環(huán)形激光陀螺儀曾是為數(shù)不多的能夠為航空業(yè)提供足夠精度的技術(shù)之一。如今，先進微機電系統(tǒng) (MEMS) 的出現(xiàn)為開發(fā)人員提供了一種可滿足不同航空平臺要求的技術(shù)（圖 1）。
圖 1：高端 MEMS 陀螺儀具有獨特的特性，使其成為航空電子系統(tǒng)的首選技術(shù)。（圖片來源：Analog Devices）
除了陀螺儀、加速度計和磁力計之外，ADAHRS 的功能還依賴于報告外部氣溫和氣壓的傳感器所提供的可靠數(shù)據(jù)流。其他壓力、力和位置傳感器提供有關(guān)飛行表面、起落架和前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)的位置和載荷數(shù)據(jù)。還有一些傳感器提供發(fā)動機信息系統(tǒng)所需的發(fā)動機性能和燃料方面的重要數(shù)據(jù)，以及機艙溫度、壓力和氧氣水平數(shù)據(jù)。
Analog Devices 將高性能傳感器數(shù)據(jù)采集模塊與 MEMS IMU 相結(jié)合，為開發(fā)人員提供了開發(fā)航空電子解決方案所需的關(guān)鍵組件，這些解決方案的可靠性、準(zhǔn)確性、尺寸和成本特性使其能夠廣泛應(yīng)用于各種航空飛行系統(tǒng)。
在現(xiàn)代航空電子設(shè)備中應(yīng)用傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和 IMU
為了從任意飛行平臺的各種傳感器中獲取數(shù)據(jù)，高性能數(shù)據(jù)采集模塊針對每種傳感器模態(tài)和功能要求提供了多種性能選擇。憑借其精密信號鏈 μModule 解決方案，Analog Devices 將常用的信號處理子系統(tǒng)，包括信號調(diào)節(jié)塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，集成到一個小巧的系統(tǒng)級封裝 (SIP) 器件中，以解決棘手的設(shè)計難題。μModule 還集成了關(guān)鍵的無源元器件，這些元器件采用 Analog Devices iPassive? 技術(shù)構(gòu)建，具有出色的匹配和漂移特性，可最大限度地減少溫度相關(guān)誤差源，并簡化校準(zhǔn)流程，同時緩解散熱方面的挑戰(zhàn)。解決方案占用空間顯著減少，可增加更多通道/功能，適用于需要在一定溫度和時間條件下保持精度和穩(wěn)定性的可擴展航空儀器。μModules 簡化了信號鏈物料清單 (BOM)，降低了對外部電路的性能敏感度，縮短了設(shè)計周期，從而降低了總擁有成本。
Analog Devices 的 ADAQ4003 和 ADAQ23878 μModule 專為滿足苛刻的數(shù)據(jù)采集要求而設(shè)計，集成了一個帶有 0.005% 精度匹配電阻器陣列的全差分 ADC 驅(qū)動放大器（FDA，圖 2）、一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)緩沖器和一個 18 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC，能夠分別提供 2 MSPS（每秒百萬次采樣）和 15 MSPS 的性能。
通過將 ADAQ4003 等 μModule 數(shù)據(jù)采集設(shè)備與 Analog Devices 的 LTC6373 等全差分可編程增益儀表放大器 (PGIA) 相結(jié)合，開發(fā)人員可以實現(xiàn)一個簡單的解決方案，以滿足航空系統(tǒng)的眾多復(fù)雜傳感要求。
圖 2：通過將 LTC6373 全差分 PGIA 與 ADAQ4003 μModule 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相結(jié)合，開發(fā)人員就可以有效地滿足眾多航空傳感要求。（圖片來源：Analog Devices）
如前所述，基于 MEMS 的傳感器是提供 ADAHRS 功能所需關(guān)鍵數(shù)據(jù)的有效解決方案。通過將 MEMS 三軸陀螺儀、三軸加速度計與溫度傳感器及其他功能模塊、六自由度 IMU（例如 Analog Devices 的 ADIS16505 精密微型 MEMS IMU 和 ADIS16495 戰(zhàn)術(shù)級慣性傳感器）集成在一起，可以提供簡化航空電子子系統(tǒng)開發(fā)所需的全套功能（圖 3）。
圖 3：ADIS16505 IMU 和 ADIS16495 IMU（如圖所示）將傳感器與控制器、校準(zhǔn)、信號處理和自檢模塊集成在一起，為電子測量系統(tǒng)的底層航空電子系統(tǒng)（如 ADAHRS）提供完整的解決方案。（圖片來源：Analog Devices）
這些系統(tǒng)組合在 ADAHRS 中，可作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組件使用，即使在沒有衛(wèi)星或地面導(dǎo)航輔助的情況下，也能夠為用戶提供到達所需目的地的必要航向信息。與任何人造設(shè)備一樣，基于 MEMS 的設(shè)備也會受到各種性能限制的影響，從而降低計算導(dǎo)航的精度。例如，不可避免的制造偏差、內(nèi)部噪聲源和環(huán)境影響都會限制 MEMS 陀螺儀的精度。
制造商會在各種參數(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)表中記錄這些因素對性能的影響。在這些規(guī)格中，靈敏度、非線性和偏差參數(shù)會直接影響 ADAHRS 的精度。在陀螺儀中，靈敏度（角速率測量分辨率）受限會導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎時出現(xiàn)航向誤差 (Ψ) 和位置誤差 (de)（圖 4，左）；非線性響應(yīng)（偏離理想的線性響應(yīng)）會導(dǎo)致在 S 形轉(zhuǎn)彎等一系列機動動作后出現(xiàn)類似的誤差（圖 4，中）；陀螺儀偏差則會導(dǎo)致航向和位置發(fā)生漂移，即使在巡航期間（無加速度的直線平飛）也會如此（圖 4，右）。
圖 4：陀螺儀靈敏度限制、非線性和偏差會導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎（左）、S 形轉(zhuǎn)彎（中）和巡航（右）時航向誤差 (Ψ) 和位置誤差 (de) 的累積。（圖片來源：Analog Devices）
產(chǎn)生偏差的原因包括：陀螺儀各軸與其他軸或封裝的未對準(zhǔn)、比例誤差，以及陀螺儀對線性加速度的不正確響應(yīng)（由于 MEMS 制造過程中的不對稱而導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)）。Analog Devices 通過在多種旋轉(zhuǎn)速率和溫度條件下對 ADIS16505 和 ADIS16495 IMU 進行測試，為每個器件確定了特定的偏差校正系數(shù)。這些部件特定的偏差校正系數(shù)存儲在每個部件的內(nèi)部閃存中，并在傳感器信號處理過程中應(yīng)用。
除了可校正的偏差系數(shù)外，各種來源的隨機噪聲也會隨著時間的推移對偏差誤差造成影響。雖然這種隨機噪聲無法直接補償，但可以通過延長采樣積分時間來降低其影響。陀螺儀數(shù)據(jù)表中的阿倫偏差（或阿倫方差）圖描述了更長采樣時間能在多大程度上減少噪聲，該圖顯示了以每小時度數(shù) (°/hr) 為單位的噪聲與積分周期 (τ) 的關(guān)系（圖 5）。
圖 5：ADIS16495 IMU（左）和 ADIS16505 IMU（右）中 MEMS 陀螺儀的阿倫偏差圖，描述了延長采樣時間補償隨機漂移的能力。（圖片來源：Analog Devices）
阿倫偏差圖的最小值代表陀螺儀隨時間漂移的最佳情況，該參數(shù)稱為零偏穩(wěn)定性 (IRBS)，在規(guī)格數(shù)據(jù)表中通常以平均值和一個標(biāo)準(zhǔn)偏差之和來表示。對于開發(fā)高精度 ADAHRS 解決方案的開發(fā)人員來說，IMU 的 IRBS 為了解該部件的最佳性能提供了一個重要參數(shù)。陀螺儀專家將 Analog Devices 的 ADIS16495 等 IMU 歸類為“戰(zhàn)術(shù)級”，即陀螺儀的 IRBS 值介于 0.5° 至 5.0°/hr 之間。
ADIS16495 的多個重要參數(shù)具有嚴(yán)格的規(guī)格，可以滿足更苛刻戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的要求。為了提升性能，ADIS16495 集成了一對 MEMS 陀螺儀，并為三個軸各集成了一個專用的 4100 Hz 采樣信號鏈（見圖 6）。
圖 6：通過對采用專用信號鏈的一對 MEMS 陀螺儀的輸出進行平均處理，ADIS16495 戰(zhàn)術(shù)級 IMU 提高了陀螺儀的精度和漂移性能。（圖片來源：Analog Devices）
每個信號鏈的樣本隨后以獨立的 4250 Hz 采樣頻率 (fSM) 進行合并，從而實現(xiàn)減少噪音影響的角速度測量。將這種采樣方法與更嚴(yán)格的性能規(guī)格相結(jié)合，就能使 IMU 滿足更為苛刻的航空電子設(shè)備要求。
快速開發(fā)和探索基于 IMU 的設(shè)計
為了幫助加快基于其 IMU 的設(shè)計開發(fā)，Analog Devices 提供了一套完整的開發(fā)工具。Analog Devices 的 FX3 軟件堆棧旨在支持其 EVAL-ADIS-FX3 IMU 評估板（圖 7）和相關(guān)的分線板，包括固件包、與 .NET 兼容的應(yīng)用程序編程接口 (API) 和圖形用戶界面 (GUI)。API 提供的封裝庫允許開發(fā)人員使用任何支持 .NET 的開發(fā)環(huán)境，包括 MATLAB、LabView 和 Python 的開發(fā)環(huán)境。在開發(fā)過程中，F(xiàn)X3 評估 GUI 使開發(fā)人員能夠輕松讀寫寄存器、捕獲數(shù)據(jù)并實時繪制結(jié)果。
圖 7：EVAL-ADIS-FX3 評估板是完整的硬件和軟件支持包的一部分，可幫助測試 Analog Devices 的 IMU。（圖片來源：Analog Devices）
總結(jié)
ADAHRS 航電解決方案構(gòu)成了不斷發(fā)展的 EFIS 的核心。隨著基于 MEMS 技術(shù)的精密陀螺儀、加速度計和磁力計的發(fā)展，航空電子系統(tǒng)可以提供過去除了最大的商用飛機機隊外，其他所有飛機都無法企及的飛行性能和導(dǎo)航能力。利用 Analog Devices 的數(shù)據(jù)采集模塊和高度集成的 IMU，航空電子設(shè)備開發(fā)人員可以設(shè)計出更具成本效益、更小巧的解決方案，以滿足航空系統(tǒng)對功能、安全性和可靠性的嚴(yán)格要求。
（作者：Stephen Evanczuk）
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