ВВЕДЕНИЕ

Гониометрический контроль является одним из важнейших элементов обеспечения точности и надежности функционирования технических систем различного назначения и строится с использованием методов (механических, оптических, магниточувствительных, индукционных, инерционных и др.), основанных на определении углов отклонения объекта контроля относительно базовой системы координат.

В области исследования и разработки систем контроля угловых перемещений известны работы российских и зарубежных ученых (Ачильдиев В.М., Балашова А.А., Дьячков А.С., Исаченко В. Х., Ковшов Г.Н., Коловертнов Г.Ю.,Коновалов С.Ф., Миловзоров Д.Г., Никитин Е.А., Николаев С. Г.,Селиванова Л.М., Солдатенков В.А., Шарипов Р.А., Челпанов И. Б., Tipek A., Fred L. Faulkner, Fisher J. P. Ripka, V. Kempe и др.). Приоритетное развитие получили системы гониометрического контроля на базе инерциальных электромеханических преобразователей, среди которых особое внимание уделяется гироскопическим и акселерометрическим преобразователям. Это обусловлено высокой технологичностью разработки данных сенсоров, высокими метрологическими характеристиками и приемлемой стоимостью. Однако современный уровень технических и научных результатов в области построения систем гониометрического контроля на базе инерциальных преобразователей не позволяет достичь требуемой высокой точности регистрации малых величин угловых перемещений объектов (элементы зданий и сооружений), что обусловлено недостатками методов преобразования параметров ускорения в угловые параметры, приводящих к возникновению погрешностей.

В системах гониометрического контроля на базе акселерометрических преобразователей (Analog Бєуісєз,Motorolla, Seika Mikrosystemtechnik, Honeywell) появление погрешностей обусловлено низкой устойчивостью к изменению условий эксплуатации (нестабильность питающего напряжения, высокая температурная зависимость), недостатками реализации математических методов (погрешности при делении на малые величины ускорений в ходе применения функции арктангенса, отсутствие адаптации математических выражений к размерности исходных данных) и недостатками конструктивного исполнения (рассогласование осей чувствительности корпусу преобразователя).

Объект исследования: системы гониометрического контроля, построенные на основе применения акселерометрических преобразователей.

Предмет исследования: методы и алгоритмы обработки

акселерометрических сигналов в ходе гониометрического контроля.

Цель диссертационной работы: повышение точности контроля угловых перемещений за счет разработки фазометрического метода гониометрического контроля на базе акселерометрических преобразователей.

Задачи исследования:

1. Анализ принципов и подходов построения систем гониометрического контроля угловых перемещений на основе применения акселерометрических преобразователей.

2. Исследование и моделирование фазометрического метода формирования гониометрических сигналов акселерометров.

3. Разработка моделей и алгоритмов обработки информации, реализующих фазометрический метод в системе гониометрического контроля.

4. Разработка технических средств гониометрического контроля на основе фазометрического метода и исследование их точностных характеристик.

5. Создание и проверка работоспособности систем гониометрического контроля при решении прикладных задач.

Методы исследования: методы теории вероятностей, теории принятия решений, математической статистики, вычислительной математики, математического, имитационного и компьютерного моделирования.

В диссертационной работе разработан новый фазометрический метод гониометрического контроля, основу которого составляют следующие положения, включающие в себя научную новизну:

- новый способ гониометрического контроля с помощью акселерометрических преобразователей, отличительной особенностью которого является определение угла поворота на основании контроля направления вектора кажущегося ускорения, являющегося общим для двух акселерометрических систем, что позволяет обеспечить фазометрические преобразования в общей измерительной системе;

- разработанная модель фазометрического формирования гониометрических сигналов акселерометров, отличительной особенностью которой является преобразование контролируемых угловых перемещений в фазовые параметры информативных сигналов акселерометров;

- алгоритм настройки системы гониометрического контроля, отличающийся фазовой компенсацией инструментальной погрешности рассогласования угла осей чувствительности акселерометрических преобразователей и обеспечивающий автоматическую корректировку регистрируемых значений ускорений;

- алгоритм виртуального позиционирования акселерометрических преобразователей, отличающийся применением фазовой подстройки начальной

установки измерительных базисов точек контроля угловых перемещений к единой виртуальной системе координат;

- модель информационной обработки фазометрических сигналов в системе гониометрического контроля, отличительной особенностью которой является учет комплексных гониометрических параметров, позволяющий обеспечить построение угловой модели и ее адаптацию под конкретный объект контроля.

Практическая ценность результатов диссертационного исследования заключается:

1. В полученных результатах применения опытных образцов системы гониометрического контроля на основе фазометрического метода:

- при геотехническом мониторинге деформационных процессов фундамента и несущих стен жилого здания в решении задачи совместного контроля изменения осадки фундамента и изменения угла наклона частей фундамента в контрольных точках;

- при биомеханических исследованиях в решении задачи контроля суставных углов человека в момент совершения двигательных действий.

2. В программной реализации:

- процесса регистрации данных с акселерометрических датчиков и их дальнейшей передачи на ПК, применяемой в блоке сбора и обработки данных системы гониометрического контроля и реализованной на языке программирования C++ в среде разработки AVR Studio;

- процесса преобразования сигналов с акселерометров в фазовые параметры контролируемых угловых перемещений и определения угла поворота систем координат акселерометров в режиме реального времени, применяемой в системе гониометрического контроля и реализованной в среде разработки Delphi на языке программирования Object Pascal;

- алгоритмов компенсации погрешности взаимного рассогласования угла

осей чувствительности акселерометрических преобразователей, и виртуального позиционирования осей чувствительности акселерометрических

преобразователей относительно требуемой системы координат, применяемых в

системе гониометрического контроля и реализованных в среде разработки Delphi на языке программирования Object Pascal.

Результаты диссертационной работы внедрены:

1. В систему геотехнического мониторинга деформационных процессов фундамента и несущих стен сооружения при исследованиях в АО «Стройкарст», г. Дзержинск.

2. При натурном моделировании и исследовании карстово - суффозионных процессов, проводимых в ОАО «Звукотехника», г. Муром.

3. При разработке системы геотехнического мониторинга в рамках работ, проводимых по проекту МИНОБРНАУКИ 5.3606.2017/ПЧ «Разработка технологии раннего обнаружения и прогнозирования чрезвычайных ситуаций в природно-технических системах на основе автоматизированной совместной обработки разнородных данных геодинамического и геотехнического мониторинга локального и местных уровней».

4. При разработке фазометрической инклинометрической системы автоматизированного комплексного геотехнического мониторинга в зонах активного проявления экзогенных процессов, в рамках работ, выполняемых по региональному проекту РФФИ №18-48-310025р_а

5. В учебном процессе и научно-исследовательской работе студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата и магистратуры «Информационные системы и технологии» и «Биотехнические системы и технологии», а также в научно-исследовательской работе аспирантов, обучающихся по программе подготовки «Информатика и вычислительная техника» в НИУ «БелГУ», и по направлению подготовки бакалавров и магистров «Приборостроение» в Муромском институте ВлГУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новый способ гониометрического контроля с помощью акселерометрических преобразователей, реализующий фазометрический метод измерения угловых перемещений.

2. Модель фазометрического преобразования контролируемых угловых перемещений в фазовые параметры информативных сигналов акселерометров.

3. Алгоритм настройки системы гониометрического контроля, позволяющий компенсировать углы рассогласования осей чувствительности акселерометроа

4. Алгоритм виртуального позиционирования акселерометрических преобразователей, позволяющий снизить трудоемкость процесса установки акселерометров на звенья объекта контроля

5. Программные решения и результаты применения разработанного фазометрического метода гониометрического контроля при геотехническом мониторинге деформационных процессов фундамента и несущих стен жилого здания и при биомеханических исследованиях.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были представлены на Международных и Всероссийских конференциях и опубликованы в материалах конференций: НИУ«БелГУ» I Молодежная научно-практическая конференция с международным участием «Естественнонаучные, инженерные и экономические исследования в технике, промышленности, медицине и сельском хозяйстве»; International Multidisciplinary Scientific GeoConference - Albena, Bulgaria (2016­2018 гг.), The 26^th International Conference “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo'2016), Sevastopol, Russia; The International Conference “Mathematical and Informational Technologies” MIT'2016 28.08-05.09 Serbia- Montenegro; The 12^th Russian-German Conference on Biomedical Engineering. - Suzdal, VlSU, 2016; XII International Symposium “Intelligent systems”-Moscow, Russia 2016; Всероссийская межвузовая научная конференция "Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России", МИ ВлГУ 2015 - 2019 гг.; The 9^th IEEE International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications (IDAACS'2017) Bucharest, Romania; XIII Международная научная конференция “Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии”

(ФРЭМЭ’2018) с элементами научной молодежной сессии "Интеллектуальные биометрические системы и технологии"; VII Международная научно-техническая конференция «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (ИТНОП-2018), г.

Диссертационные исследования выполнялись в рамках научно­исследовательских работ: Грант РФФИ №16-08-00992 «Исследование и разработка метода автоматизированного контроля взаимного расположения сегментов позвоночника и повышение эффективности систем диагностики и реабилитации позвоночника человека»; Грант РФФИ №16-38-00704мол_а «Разработка принципов построения систем диагностики и реабилитации опорно­двигательного аппарата на базе акселерометрических гониометров»; Государственное задание 5.3606.2017/ПЧ «Разработка технологии раннего обнаружения и прогнозирования чрезвычайных ситуаций в природно­технических системах на основе автоматизированной совместной обработки разнородных данных геодинамического и геотехнического мониторинга локального и местных уровней»; Программа УМНИК «Технократ» №17-12(а), Москва, Роснано-2017 «Разработка системы гониометрического контроля на базе акселерометров», Грант РФФИ №18-48-310025р_а «Исследование и разработка методики автоматизированного комплексного геотехнического мониторинга в зонах активного проявления экзогенных процессов на основе применения фазометрических инклинометрических систем».

Публикации по результатам выполненных исследований опубликовано 39 работ, в том числе: 7 статей в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК; 8 публикаций, индексируемых в базе Scopus/Web of Science, 6 статей в региональной печати, 16 публикаций в трудах конференций, 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад соискателя. Все результаты, отраженные в диссертационной работе и основных положениях, выносимые на защиту

получены автором лично.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения, списка используемых источников (171 наименование). Основная часть работы представлена на 158 страницах машинописного текста, включая 63 рисунка и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулирована цель работы и основные защищаемые положения, отмечена научная новизна и дана краткая характеристика диссертационной работы. Приведены сведения о публикации, применении и внедрении результатов диссертационного исследования.

В первой главе проведен анализ принципов и подходов построения систем гониометрического контроля, применяемых в различных сферах: геотехнический мониторинг, инклинометрия, медицина. Приведена базовая структурная схема информационно-технического обеспечения гониометрического контроля, включающая методы и средства контроля, позиционирования и настройки, а также алгоритмы оценки. В ходе анализа методов гониометрического контроля установлено, что наиболее перспективным и развивающимся направлением является разработка и применение инерциальных систем в решении задач контроля угловых перемещений. Однако анализ технических характеристик инерциальных акселерометрических преобразователей показал, что наряду с перспективами их применения возникают трудности обеспечения требуемой точности гониометрического контроля, обусловленные недостатками методологического и алгоритмического обеспечения.

Вторая глава посвящена исследованию и разработке моделей для реализации фазометрического метода гониометрического контроля с применением акселерометрических преобразователей.

Проведено исследование процессов регистрации сигналов акселерометрических преобразователей и предложен новый способ гониометрического контроля с помощью акселерометрических преобразователей.

Отмечено, что при технической реализации преобразования акселерометрических сигналов в угловые параметры традиционным методом с использованием функции арктангенса возникает погрешность при делении на малые величины ускорений. Решением этой проблемы является применение фазометрического метода при преобразовании параметров ускорений в угловые параметры.

Предложена и обоснована модель фазометрического формирования гониометрических сигналов акселерометров. По данной модели информативным параметром контроля выступает не амплитудная, а фазовая составляющая трансформированных сигналов с акселерометров, пропорциональная углу взаимного поворота двух акселерометрических систем в пространстве. В результате, применение разработанной модели позволяет повысить устойчивость контроля при воздействии на акселерометры температурных факторов и нестабильности питающего напряжения, проявляющихся в недетерминированном изменении амплитудных характеристик сигнала.

Разработана и исследована модель обработки информации, которая обеспечивает возможность контроля комплексных гониометрических параметров на основе построения индивидуальной угловой модели объекта контроля. Применение модели позволяет в режиме реального времени на базе гониометрических измерений проводить экспресс-оценку состояния объекта контроля: оценивать наличие и степень отклонений, а так же локализовать место их возникновения.

Построена и описана угловая модель многозвенного объекта контроля, и исследован подход оценки достоверности гониометрического контроля на базе разработанного фазометрического метода при определении степени принадлежности вектора гониометрических параметров конкретному классу движений. Согласно разработанной угловой модели получены выражения для определения вероятности попадания компонент вектора гониометрических параметров в зоны нормы или отклонения, а также вероятности возникновения ошибок первого и второго рода.

Третья глава посвящена разработке и исследованию алгоритмического и метрологического обеспечения системы гониометрического контроля.

Описана алгоритмическая реализация моделей обработки данных в системе гониометрического контроля на базе фазометрического метода. Разработан алгоритм цифровой реализации фазометрического метода гониометрического контроля. Для контроля фазовых параметров был разработан алгоритм подпрограммы детектора пересечения нуля, который содержит последовательность операций регистрации временного интервала между событием перехода значения параметров сигналов (сигнала опорного генератора и трансформированного сигнала акселерометров) из положительной в отрицательную область и наоборот.

Разработан алгоритм настройки системы гониометрического контроля, позволяющий компенсировать инструментальную погрешность рассогласования угла осей чувствительности акселерометрических преобразователей.

Разработан алгоритм виртуального позиционирования системы гониометрического контроля с применением матричных фазометрических преобразований, в рамках которого позиционирование осуществляется при введении идеализированной математической системы координат, ориентированной относительно направления вектора ускорения свободного падения, являющегося постоянным.

Разработаны и описаны алгоритмы нейронных сетей, входящих в состав спроектированной модели обработки информации в системе гониометрического контроля. При разработке нейросетевых алгоритмов, реализующих модуль классификации динамических моделей и модуль выявления нарушений (оценки) установлено, что в параметрах гониометрических сигналов контролю i-звена подлежат два признака: угол наклона в пространстве и скорость его изменения. Оценивая принадлежность контролируемых величин параметрам нормы для определенного класса движений объекта контроля, пространство регистрируемых значений разбивается на области, количество которых равно количеству возможных классов движений объекта контроля.

Описаны основные аспекты формирования метрологического обеспечения и оптимальных требований к точности гониометрических измерений, которые позволяют оптимизировать выбор необходимых характеристик преобразователей параметров наклона для разработанного метода гониометрического контроля. Произведена аналитическая оценка погрешностей разработанного метода гониометрического контроля.

Четвертая глава посвящена технической и программной реализации опытного образца системы гониометрического контроля на основе разработанного фазометрического метода, исследованию и оценке точностных характеристик системы гониометрического контроля, а также анализу результатов применения системы гониометрического контроля при решении прикладных задач.

В заключении сформулированы основные результаты работы, даны рекомендации к дальнейшему использованию результатов диссертационного исследования и указаны перспективы дальнейшей разработки темы.

Приложение включает акты о внедрении результатов диссертационных исследований.