Системы ориентации, стабилизации и навигации

1. Цели освоения модуля (дисциплины)
Целями освоения дисциплины является формирование у обучающихся:
- способности собирать и анализировать научно-техническую информацию;
- учитывать современные тенденции развития и использовать достижения
отечественной и зарубежной науки, техники и технологии в профессиональной
деятельности;
- фундаментальные знания теоретических основ и принципов работы систем
ориентации, стабилизации и навигации;
- развитие логического мышления при решении проектных задач;
- освоение передового отечественного и зарубежного опыта в области производства
приборов точной механики;
- разрабатывать системы ориентации, стабилизации и навигации с использованием
современных средств вычислительной техники;
- освоение современных методов управления;
- выбирать современную элементную базу приборов точной механики;
-способность эффективно работать и организовывать работу коллективов для
решения текущих и перспективных проблем.
2. Место модуля (дисциплины) в структуре ООП
Дисциплина «Системы ориентации, стабилизации и навигации» относится к вариативной
части профессионального цикла дисциплин.
Пререквизитами дисциплины являются: ДИСЦ.Б.М2 – математическое моделирование в
приборных системах; ДИСЦ.Б.М1 – Информационные технологии в приборостроении.
Содержание разделов дисциплины «Системы ориентации, стабилизации и навигации»
согласовано с содержанием дисциплин, изучаемых параллельно (КОРЕКВИЗИТЫ),
которыми являются: ДИСЦ.В.М.2.1 – Автоматизированное проектирование приборов и
систем; ДИСЦ.В.М.2.4 - Метрологическое обеспечение и испытания систем ориентации и
навигации; М3.В1.1, М3.В1.2, М3.В1.3 – Научно исследовательская работа.
3. Результаты освоения дисциплины (модуля)
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины направлено на
формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т.ч. в
соответствии с ФГОС:
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены
при изучении данной дисциплины
Результаты
Составляющие результатов обучения
обучения
Владение
(компетенции из
Код
Знания
Код
Умения
Код
опытом
ФГОС)
Р1.
Применять
современные базовые
и
специальные
естественнонаучные,
математические
и
инженерные знания
для
разработки,
производства,
отладки, настройки и
аттестации средств
приборостроения
с
использованием
существующих
и
У.1.3
З.1.1
Современных
базовых основ в
области
инженерных
наук
Разрабатывать
В.1.3 Применение
функциональные
компьютерных
и структурные
пакетов программ
схемы приборов
для моделирования
и систем с
процессов в
определением
электронных схемах
физических
приборов и систем,
принципов
моделирования
действия
виртуальных
устройств
приборов
новых технологий, и
учитывать в своей
деятельности
экономические,
экологические
аспекты и вопросы
энергосбережения
(ОК-1, ПК-1, ОПК-6)
З.2.3
Р2. Участвовать в
технологической
подготовке
производства,
подбирать и внедрять
необходимые
средства
приборостроения в
производство,
предварительно
оценив
экономическую
эффективность
техпроцессов;
принимать
организационноуправленческие
решения на основе
экономического
анализа.
(ОК-3, ПК-7, ОПК-4)
Р5. Планировать и
З.5.3
проводить
аналитические,
имитационные и
экспериментальные
исследования по
своему профилю с
использованием
новейших
достижения науки и
техники, передового
отечественного и
зарубежного опыта в
области знаний,
соответствующей
выполняемой работе
(ОК-5, ПК-4, ОПК-3)
Р6. Использовать
З.6.3
базовые знания в
области проектного
менеджмента и
практики ведения
бизнеса, в том числе
менеджмента рисков
и изменений, для
ведения комплексной
инженерной
деятельности; уметь
Основ
технологической
подготовки
производства
У.2.3
Участвовать в
технологической
подготовке
производства
приборов
различного
назначения и
принципа
действия
В.2.3 Использования
современного
оборудования
Новейших
отечественных и
зарубежных
достижений
науки и техники
У.5.3
Планировать
измерительный
эксперимент для
получения
конкретных
данных с целью
решения
определенной
научнотехнической
задачи.
В.5.3 Применение
современных пакетов
прикладных
программ для
моделирования
эксперимента и
обработки
результатов
измерений
Реалистично
оценивать
перспективы
развития
бизнеса,
учитывая
всевозможные
риски
В.6.3 Организации,
проектирования и
сбыта
конкурентоспособной
продукции
У.6.3
Методов
экономических
оценок
разрабатываемых
средств
измерения и
контроля
делать
экономическую
оценку
разрабатываемым
приборам,
консультировать по
вопросам
проектирования
конкурентоспособной
продукции
(ОК-5, ОПК-9, ПК-6)
Р8 Эффективно
З.8.3 Компьютерных
работать
программ для
индивидуально, в
демонстрации
качестве члена
результатов
команды по
работы
междисциплинарной
тематике, а также
руководить
командой,
демонстрировать
ответственность за
результаты работы
(ОК-6, ПК-7, ОПК-3)
У.8.3 Принимать
В.8.3 Проведения
исполнительские
презентации
решения в
результатов
условиях
индивидуальной и
спектра мнений.
командной работы
В результате освоения дисциплины «Системы ориентации, стабилизации и навигации»
студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины (модуля)
№ п/п
Результат
РД1
Знать физические принципы построения систем ориентации,
стабилизации и навигации
РД2
Знать математические модели систем ориентации, стабилизации и
навигации
РД3
Знать методы анализа и синтеза гироскопических устройств
РД4
Уметь составлять математические модели исследуемых систем
РД5
Уметь оценивать точность систем ориентации, стабилизации и навигации
РД 6
Уметь выбирать гироскопы и акселерометры, исходя из точности систем
ориентации и навигации
4. Структура и содержание дисциплины
Раздел 1. Введение. Классификация систем ориентации.
Параметры, измеряемые в системах ориентации и навигации. Опорные системы
координат. Основные понятия и определения, принципиальные схемы систем ориентации,
динамические характеристики, погрешности.
Лекции – 2 часа.
Темы лекционных занятий:
1.Введение. Классификация систем ориентации.
Практические занятия – 6 часов.
Темы практических занятий:
1. Принципиальные схемы гироскопов – 2 часа.
2. Схемы бесплатформенной системы ориентации -2 часа.
3. Погрешности бесплатформенной системы ориентации - 2 часа.
Лабораторные работы – 4 часов.
Названия лабораторных работ
1. Моделирование наземного гирокомпаса - 4 часа
Раздел 2. Силовые гиростабилизаторы.
Возмущающие моменты, действующие вокруг осей стабилизации. Геометрия и
кинематика систем стабилизации. Уравнения движения и передаточные функции
гироскопических чувствительных элементов.
Лекции – 2 часа.
Темы лекционных занятий:
1.Принцип силовой стабилизации.
Практические занятия – 6 часов.
Темы практических занятий:
1. Синтез контуров стабилизации силового ГС.
2. Математические модели двухосных силовых гиростабилизаторов.
3. Трёхосные силовые ГС
Лабораторные работы – 2 часов.
Названия лабораторных работ
1. Моделирование одноосного силового ГС -2 ч.
Раздел 3. Системы косвенной стабилизации.
Принцип действия, возможные схемы. Погрешности стабилизаторов. Динамика
систем гироскопической стабилизации. Учет упругости и люфта редуктора.
Двухступенчатые системы стабилизации.
Лекции – 2 часа.
Темы лекционных занятий:
1. Принцип индикаторно-силового и индикаторного ГС.
Практические занятия – 4 часов.
Темы практических занятий:
1. Синтез контуров стабилизации индикаторного ГС.
2. Теория и особенности построения инерциальных курсовертикалей
Лабораторные работы – 2 часf
Названия лабораторных работ:
1.
Моделирование одноосного индикаторно-силового ГС -2 ч.
Раздел 4. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы
Принцип действия, возможные схемы. Алгоритмы работы ИНС. Погрешности ИНС.
Лекции – 2 часа.
Темы лекционных занятий:
1. Принцип БИНС. Схемы построения.
Практические занятия – 8 часов.
Темы практических занятий:
1.Алгоритм БИНС с углами Эйлера-Крылова.
2. Решение задачи ориентации в БИНС.
3. Погрешности БИНС.
Лабораторные работы – 16 часов
Названия лабораторных работ:
1. Моделирование бесплатформенной системы ориентации - 4ч.
2. Моделирование бесплатформенной системы навигации -4 ч.
3. Исследование аэрометрической навигационной системы -4ч..
4. Маятниковый компенсационный акселерометр-4 ч.
Раздел 5. Гироскопы и акселерометры на новых физических принципах
Лекции – 2 часа.
Темы лекционных занятий:
1. Задачи, решаемые гироприборами и акселерометрами в системах ориентации,
стабилизации и навигации подвижных объектов
Практические занятия – 2часа.
Темы практических занятий:
1.Физические принципы построения гироскопов и акселерометров.
Раздел 6. Микроэлектромеханические гироскопы
Лекции – 2 часа.
Темы лекционных занятий:
1. Принцип действия, схемы микрогироскопов, динамические характеристики.
Практические занятия – 10 часов.
Темы практических занятий:
1. Микроэлектромеханические гироскопы LL-типа -2 ч.
2. Микроэлектромеханические гироскопы RR-типа -2 ч
3. Микроэлектромеханические гироскопы LR-типа -2 ч.
4. Микроэлектромеханические приводы движения ММГ-2 ч .
5. Технология изготовления ММГ-2 ч.
Раздел 7. Динамически настраиваемые гироскопы
Лекции – 2 часа.
Темы лекционных занятий:
1. Принцип действия, схемы ДНГ.
Практические занятия – 8 часов.
Темы практических занятий:
1. Режимы работы ДНГ-2 ч.
2. Режимы настройки ДНГ-4 ч.
3. Съём сигнала и обработка информации-2 ч.
Раздел 8. Оптические и твердотельные гироскопы
Лекции – 2 часа.
Темы лекционных занятий:
1. Принцип работы и схемы оптических гироскопов.
Практические занятия – 6 часов.
Темы практических занятий:
1. Лазерные гироскопы -2 ч.
2. Волоконно-оптические гироскопы-2 ч.
3. Волновые твердотельные гироскопы-2 ч.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
6.1. Виды и формы самостоятельной работы
6.1 Общий объем самостоятельной работы студентов по дисциплине
включает две составляющие: текущую СРС и творческую проектно-ориентированную
СР (ТСР).
Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента, развитие
практических умений и включает:
1. Проработку лекционного материала, подготовку к контрольной работе, коллоквиуму,
зачёту, экзамену.
2. Подготовку к лабораторным работам и оформление отчетов по ним.
3. Выполнение домашних заданий, домашних контрольных работ;
4. Опережающую самостоятельную работу по темам практических занятий;
5. Поиск, обзор литературы и электронных источников по проблемам дисциплины.
6. Выполнение курсового проекта.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР) направлена на
развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и
профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала студентов.
Перечень научных проблем и направлений научных исследований.
 Характеристики инерциальных чувствительных элементов.
 Параметры ориентации БИНС.
 Модели ошибок БИНС.
 Модели ошибок платформенных ИНС.
 Комплексные навигационные системы.
 Методы фильтрации БИНС.
 Обзор ММГ LL-типа.
 Модели погрешностей ДНГ.
 Обзор ММГ LR-типа.
 Разработка и испытания волнового твердотельного гироскопа.
 Конструкции электростатических гироскопов.
 Лазерные гироскопы
Темы курсовых проектов:
1. Исследование и расчет конструкции платформы малого космического аппарата
2. Исследование механических характеристик элементов конструкции малых
космических аппаратов методом экспериментального модального анализа
3. Исследование системы термостатирования узлов гироинклинометра.
4. Система термостабилизации электронной аппаратуры космического аппарата
5. Система навигации для ультразвукового контроля
6. Микромеханические системы медицинского назначения
7. Моментный двигатель с ленточной намоткой
8. Гироскопический инклинометр
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
Система мониторинга сейсмической устойчивости зданий и сооружений
Система ориентации солнечных батарей
Магнитный инклинометр
Проект студенческого малого космического аппарата
Сейсмодатчик для мониторинга конструкций и зданий
Электромеханический исполнительный орган для управления ориентацией малого
космического аппарата
Система ориентации для ультразвукового контроля
Кориолисовый расходомер с прямой трубкой
Кориолисовый расходомер с изогнутой трубкой
Исследование динамических качеств ИО типа УДМ на этапе проектирования"
Интегральный микромеханический гироскоп
Гиростабилизатор фотокамеры для ортофотосъемки,
Исследование магнитных полей моментного двига-теля с ленточной намоткой
Влияние геометрии пластины на моментные харак-теристики двига-теля с ленточной
намоткой
Опора ротора шарового гироскопа
Электропривод ротора шарового гироскопа
Электромеханический исполнительный орган системы ориентации малого
космического аппарата
Модификация электромобиля с генераторами для подзарядки аккумуляторов
Система контроля микроклимата
Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм:
самоконтроль и контроль со стороны преподавателей. Контроль знаний студента по
теоретическому курсу осуществляется путем проведения контрольных работ (или
коллоквиумов), электронного тестирования.
6.2
Вопросы для самоконтроля
7.
Понятие опорной системы координат.
8.
Принцип силовой стабилизации.
9.
Принцип косвенной стабилизации.
10. Влияние неравножесткости карданова подвеса на ГС.
11. Влияние люфта на ГС.
12. Способы уменьшения люфта в ГС.
13. Схема и принцип действия 3-х осного силового ГС.
14. Схема и принцип действия 3-х осного индикаторного ГС.
15. Виды кардановых подвесов ГС.
16. Требования к частотным характеристикам системы стабилизации.
17. Общие
принципы
построения
желаемой
логарифмической
частотной
характеристики ГС.
18. Погрешности силовых ГС.
19. Погрешности индикаторных ГС.
20. ГС на динамически настраиваемых гироскопах.
21. ГС на электростатических гироскопах.
22. ГС на лазерных гироскопах.
23. Двухступенчатая гироскопическая стабилизация.
24. Каким образом ориентируются оси чувствительности акселерометров и гироскопов в
БИНС различных типов.
25. Для чего необходим блок пересчёта в алгоритмах БИНС.
26. Особенности измерительных осей акселерометров прямого и компенсационного
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
преобразования.
Области применения гироскопов различных типов в БИНС различного назначения.
Какая матрица называется ортогональной.
Методы и алгоритмы навигационных определений в спутниковых навигационных
системах.
Модели погрешностей спутниковых навигационных систем.
Интегрированная
инерциально-спутниковая
навигационная
система
на
микромеханическом модуле.
Какова форма Земли и виды вертикалей места.
Указать области использования физического маятника как построителя направления
местной вертикали.
Виды акселерометров.
Осевые акселерометры прямого преобразования.
Компенсационные осевые акселерометры.
Маятниковые акселерометры прямого преобразования.
Компенсационные маятниковые акселерометры.
Микромеханические акселерометры.
Виды ДНГ, семы, принцип работы.
Уравнения движения ДНГ.
Условие динамической настройки.
Режимы работы ДНГ.
Конструкция ДНГ.
Виды микромеханических гироскопов.
Погрешности ММГ. Принцип работы ММГ LL-типа.
Погрешности ММГ. Принцип работы ММГ RR-типа.
Принцип работы электростатического гироскопа.
Конструкции электростатического гироскопа.
При выполнении самостоятельной работы рекомендуется использовать:
 материалы, размещенные на персональном сайте преподавателя:
http://portal.tpu.ru/SHARED/n/NTG
ресурсы в LMS Moodle.pdf: http://stud.lms.tpu.ru/course/view.php?id=154
7. Средства текущей и промежуточной оценки качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих
контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия
Результаты
обучения по
дисциплине
РД3, РД4
выполнение и защита лабораторных работ, практических заданий
РД4
презентации по тематике исследований во время проведения
конференц-недели
РД1, РД2, РД3
тестирование
РД2, РД3, РД4
Защита курсового проекта
РД1, РД2, РД3
экзамен
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих
мероприятий предусмотрены следующие средства: тесты в электронном модуле
http://stud.lms.tpu.ru/course/view.php?id=154
8. Рейтинг качества освоения дисциплины (модуля)
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации
обучающихся осуществляется
в соответствии с действующими «Руководящими
материалами по текущему контролю успеваемости, промежуточной и итоговой
аттестации студентов Томского политехнического университета».
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
 текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического материала (ответы
на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение задач,
выполнение заданий, решение проблем и др.) производится в течение семестра
(оценивается в баллах (максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра
студент должен набрать не менее 33 баллов);
 промежуточная аттестация (экзамен, зачет) производится в конце семестра
(оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене (зачете) студент
должен набрать не менее 22 баллов).
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов, полученных
в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг
соответствует 100 баллам.
В соответствии с «Календарным планом выполнения курсового проекта (работы)»:
 текущая аттестация (оценка качества выполнения разделов и др.) производится в
течение семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), к моменту
завершения семестра студент должен набрать не менее 22 баллов);
 промежуточная аттестация (защита проекта (работы)) производится в конце
семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), по результатам защиты
студент должен набрать не менее 33 баллов).
Итоговый рейтинг выполнения курсового проекта (работы) определяется
суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций.
Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Основная литература
Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных
навигационных систем.- СПб.:ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор»,
2009.-280 с.
Степанов О.А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки
навигационной информации.Ч.1. Введение в теорию оценивания / СПб.: ОАО
«Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2010.- 509с. ISBN 978-5-900780-81-8.
Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных
микросхем: учебное пособие для вузов: в 2 ч. / под ред. Ю. А. Чаплыгина. — М.:
БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. Ч. 2: Элементы и маршруты изготовления
кремниевых ИС и методы их математического моделирования. — 2009. — 423 с.:
ISBN 978-5-94774-585-6.
Кватернионные модели и методы динамики, навигации и управления движением / Ю.
Н. Челноков. — Москва: Физматлит, 2011. — 557 с.:— ISBN 978-5-9221-1270-3.
Процессы плазменного травления в микро- и нанотехнологиях: учебное пособие /
В.А. Галперин, Е.В. Данилкин, А.И. Мочалов; под ред. С.П. Тимошенкова. –М.:
БИНОМ, 2010. – 283 с.
Распопов В.Я. Микромеханические системы. - М.: Маш-ие, 2007, 400 с.
Алёшин Б.С. и др. Ориентация и навигация подвижных объектов.- М.: Физматлит,
2006 -424 с.
Лысенко И.Е. Проектирование сенсорных и актюаторных элементов для
микросистемной техники, Таганрог, Изд-во ТРТУ, 2005 – 103 с.
Самотокин Б.Б. Навигационные приборы и системы. -Киев: Вища школа, 1986. -342с.
Дополнительная литература
10. Новиков Л.З., Шаталов М.Ю. Механика динамически настраиваемых гироскопов.
\М.: Наука, 1985. -244с.
11. Кацай А.А.. Клюев В.Ю., Лысов А.Н. Динамически настраиваемые гироскопы. Уч.
пособие. - Челябинск, 1983. -79с
12. Пельпор Д.С. Гироскопические системы. Ч.1. -М.:Высшая школа, 1977. -214с.
13. Пельпор Д.С. Гироскопические системы. Ч.2. -М.:Высшая школа, 1977. -222с.
14. Бесекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической
стабилизации. -Л.: Судостроение, 1968. -350с.
9. Навигация и управление движением : материалы VI конференции молодых ученых /
Государственный научный центр РФ; Центральный научно-исследовательский институт
"Электроприбор";
Санкт-Петербургский
государственный
электротехнический
университет; науч. ред. О. А. Степанов; Под общ. ред. В. Г. Пешехонова. — СПб.:
Электроприбор, 2005. — 323 с.: ил..
10. Космическое приборостроение [Электронный ресурс] : сборник научных трудов
Форума школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых с международным
участием, г. Томск, 10-12 апреля 2013 г. / Национальный исследовательский Томский
политехнический университет (ТПУ). — 1 компьютерный файл (pdf; 13,4 MB). — Томск:
Изд-во ТПУ, 2013. — Заглавие с экрана. — Свободный доступ из сети Интернет. —
Системные требования: Adobe Reader..
Схема доступа:http://www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2013/C22/C22.pdf
11. Космическое приборостроение [Электронный ресурс] : сборник научных трудов II
Всероссийского форума школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых с
международным участием, г. Томск, 10-12 апреля 2014 г. / Национальный
исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). — 1 компьютерный
файл (pdf; 23,0 MB). — Томск: Изд-во ТПУ, 2014. — Заглавие с экрана. — Свободный
доступ из сети Интернет. — Системные требования: Adobe Reader..
Схема доступа:http://www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2014/C22/C22.pdf
Internet–ресурсы:
1.
http://www.analog.com/en/index.html.
2.
http://www.medicon-miass.ru/razvitie.
3.
http://www.siliconsensing.com/home.
4.
http://www.ppk.perm.ru.
5.
http://www.lib.tpu.ru/fulltex/m/2009/m8/repot/frame.html.
6.
http://www.elektropribor.spb.ru/prod/rmmg
При проведении лекционных, лабораторных занятий используются образцы серийно
выпускаемых систем ориентации и навигации и их элементы. Лабораторные работы
проводятся как на реально действующих приборах, так и на персональном компьютере с
применением программы «MATLAB».
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Указывается материально-техническое обеспечение дисциплины: технические
средства, лабораторное оборудование и др.
№
п/п
1
Наименование (компьютерные классы, учебные
лаборатории, оборудование)
цифровой самописец FLASH – CARD SD
Корпус, ауд.,
количество
установок
4 к, 206 ауд.