Приборы ориентации и навигации

1. Цели освоения модуля (дисциплины)
В результате освоения данной дисциплины студент приобретает знания, умения и
навыки, обеспечивающие достижение целей Ц1 основной образовательной программы
«Приборостроение»: «Подготовка выпускника-разработчика средств измерения, контроля и
диагностики, способного к работе в области разработки, производства, отладки, настройки и
аттестации средств приборостроения, с использованием существующих и новых
информационных технологий, учитывающих в своей деятельности экономические и
экологические аспекты и необходимость решения вопросов энергосбережения исходя из задач
конкретного производства» и Ц4: «Готовность выпускника к поиску и получению новой
информации, необходимой для решения инженерных задач в области интеграции знаний
применительно к своей области, к активному участию в инновационной деятельности
предприятия, к открытому обмену информацией; готовность к самообучению и постоянному
профессиональному самосовершенствованию».
Дисциплина нацелена на формирование следующих профессиональных компетенций
выпускника:
- способность 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,
навигации и стабилизации;
- развитие логического мышления при решении проектных задач;
- освоение передового отечественного и зарубежного опыта в области производства приборов
точной механики;
- разрабатывать приборы ориентации 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 «Приборы ориентации и навигации» относится к вариативной части
профессионального цикла дисциплин. Она непосредственно связана с дисциплинами
естественнонаучного цикла (физика, электротехника) и опирается на освоенные при изучении
данных дисциплин знания и умения.
Пререквизитами дисциплины являются дисциплины: Физика;
Математика;
Детали
приборов и основы конструирования; Основы проектирования приборов и систем;
Физические основы измерений параметров движения.
Кореквизитами дисциплины являются дисциплины:
Конструирование и технология приборов и установок; Выпускная квалификационная работа
бакалавра.
3. Результаты освоения дисциплины (модуля)
В соответствии с требованиями ООП освоение модуля «Приборы ориентации и
навигации» направлено на формирование у студентов следующих компетенций (дисциплины
результатов обучения), в т.ч. в соответствии с ФГОС:
Таблица 1
Результаты
обучения
(компетенции
из ФГОС)
Составляющие результатов обучения
Код
Знания
З.1.3 Инженерных наук
Р1
ОК-1
ПК-1, ПК-7
Р2
ОК-1
ПК-1, ПК-6,
ПК-15
Р3
ОК-6
ПК-3, ПК-5,
ПК-18
З.2.3 Основ
технологической
подготовки
производства
З.3.3 Основ метрологии,
системы
стандартизации и
сертификации
средств измерения
и контроля
Р5
ОК-9
ПК-2
Новейших
отечественных и
З.5.3 зарубежных
достижений науки
и техники
Р7
ОК-7
ПК-2
Видов
самостоятельной
образовательной
З.7.3
деятельности для
профессионального
роста
Код
Умения
Код
Владение
опытом
У.1.3 Разрабатывать
В.1.3 Применение
функциональные и
компьютерных
структурные схемы
пакетами
приборов и систем
программ
для
с
определением
моделирования
физических
приборов
и
принципов
систем,
действия устройств
моделирования
виртуальных
приборов
У.2. Участвовать
в В.2. Использования
3
технологической
3
современного
подготовке
оборудования
производства
приборов
различного
назначения
и
принципа действия
Осуществлять
В.3.3 Работы
с
технический
технической
контроль
документацией и
производства,
стандартами по
У.3.3
включая внедрение
организации
систем
сертификации.
менеджмента
качества
У.5.3 Планировать
В.5.3 Применение
измерительный
современных
эксперимент для
пакетов
получения
прикладных
конкретных
программ для
данных с целью
моделирования
решения
эксперимента и
определенной
обработки
научнорезультатов
технической
измерений
задачи
У.7.3 Использовать в
В.7.3 обобщения,
качестве источника
анализа,
самообучения
восприятия
собственный
информации,
профессиональный
постановки цели
и жизненный опыт,
и выбора путей ее
а также опыт
достижения
других.
Р8
ОК-2, ОК-12,
ПК-3
Компьютерных
программ для
З.8.3
демонстрации
результатов работы
У.8.3 Принимать
исполнительские
решения в
условиях спектра
мнений.
В.8.3 Проведения
презентации
результатов
индивидуальной
и командной
работы
В результате освоения дисциплины «Приборы ориентации и навигации» студентом должны
быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины (модуля)
№ п/п
РД1
РД2
РД3
РД4
Результат
Применять знания общих законов, теорий, уравнений, методов теории
приборов ориентации и навигации
Выполнять расчеты характеристик приборов ориентации и навигации
Применять экспериментальные методы определения характеристик
приборов ориентации и навигации
Выполнять обработку и анализ данных, полученных при теоретических и
экспериментальных исследованиях приборов ориентации и навигации
4. Структура и содержание дисциплины
Лекции
Раздел 1. Введение. Основные понятия и определения.
Введение. Системы координат, применяемые в ориентации и навигации, виды
траекторий движения. Параметры ориентации и навигации. Классификация приборов,
измеряющих параметры движения объекта. Основные свойства гироскопа.
Раздел 2. Построители вертикали
Форма Земли и типы вертикалей. Маятник как указатель вертикали. Невозмущаемый
маятник. Оптико-электронный датчик вертикали.
Типы гировертикалей. Принцип действия авиагоризонта, виды систем коррекции.
«Невыбиваемая» гировертикаль. Гировертикаль с интегральной и интегрально-позиционной
коррекцией. Погрешности гировертикалей.
Принцип силовой стабилизации. Центральная гироскопическая вертикаль.
Раздел 3. Курсовые приборы.
Приборы магнитного курса. Способы определения магнитного курса. Магниточувствительные
измерители магнитного курса. Принцип работы и погрешности индукционного компаса.
Гироскоп направления, схемы, погрешности, виды коррекции. Гироиндукционный компас с
моментной и кинематической коррекцией. Аналитический способ определения магнитного
курса. Курсовертикаль на основе трехосного силового гиростабилизатора. Принцип
индикаторной стабилизации. Курсовертикаль на основе индикаторного гиростабилизатора.
Гироскопический компас. Схема, принцип действия и уравнения движения маятникового
трехстепенного компаса. Способы демпфирования трехстепенного компаса. Гирокомпас с
электромагнитным управлением. Двухстепенной гирокомпас.
Астрономический способ определения курса. Системы небесных координат. Устройство
астрокомпаса.
Раздел 4. Измерительные гироскопы.
Датчик угловой скорости с электрической пружиной. Интегрирующий гироскоп.
Гироскопический интегратор линейных ускорений.
Раздел 5. Приборы для определения скорости движения объекта.
Измерители истинной воздушной скорости. Доплеровские измерители скорости.
Измеритель вертикальной скорости объекта.
Раздел 6. Измерители высоты объекта.
Барометрические измерители. Радиовысотомеры.
Раздел 7. Средства измерения ускорений.
Классификация акселерометров. Осевые акселерометры прямого преобразования.
Компенсационный осевой акселерометр, его статические и динамические характеристики.
Маятниковые акселерометры прямого преобразования. Маятниковый компенсационный
акселерометр. Интегрирующие акселерометры.
Акселерометры с цифровым выходом. Акселерометр с импульсным током в цепи
обратной связи. Струнные акселерометры с одной и двумя струнами.
Особенности конструкций современных акселерометров (кварцевые, на ПАВ,
микромеханические, кремниевые).
Раздел 8. Инерциальные навигационные системы.
Классификация ИНС. Принцип построения ИНС.
Схема ИНС полуаналитического типа, режим стабилизации и коррекции. Алгоритм
работы ПА ИНС с географической ориентацией. Возмущённое и невозмущённое движение
платформы ИНС относительно плоскости горизонта. Северный канал управления платформы.
Алгоритм работы ПА ИНС с ортодромической ориентацией акселерометров. Малогабаритная
инерциальная система типа МИС.
Бесплатформенные ИНС. Решение задачи ориентации и навигации в БИНС. БИНС,
использующая инерциальные параметры движения объекта. БИНС, использующая
горизонтальные параметры движения объекта. Начальная выставка БИНС.
Раздел 9. Современные тенденции и перспективы развития приборов ориентации и
навигации.
Динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ), схемы ДНГ, принцип действия,
уравнения движения одноколечного ДНГ, условие динамической настройки. Влияние
демпфирования. Конструктивные особенности и режимы работы ДНГ. Устройства съема
информации.
Микромеханические инерциальные датчики. Области применения, принцип действия,
уравнения движения и особенности микромеханических гироскопов (ММГ). Одномассовый
ММГ с дополнительной рамкой. Сравнительный анализ характеристик ММГ с
поступательным и вращательным движениями чувствительного элемента. Особенности
конструкции и элементов ММГ.
Твердотельные волновые гироскопы (ТВГ). Геометрия и кинематика кольцевого
резонатора. Уравнения динамики кольцевого резонатора.
Электростатические гироскопы. Принцип действия, конструктивные особенности.
Лазерные и волоконно-оптические гироскопы. Принцип действия, конструктивные
особенности.
Практические занятия
Анализ причин и расчёт погрешностей приборов ориентации и навигации.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Лабораторные работы
Построитель направления вертикали.
Исследование устойчивости одноосного гиростабилизатора.
Азимутальный гироскоп направления.
Гировертикаль на основе двухосного силового гиростабилизатора.
Навигационная система счисления пути.
Исследование маятникового компенсационного акселерометра.
Изучение конструкций акселерометров.
5. Образовательные технологии
Приводится описание образовательных технологий, обеспечивающих достижение
планируемых результатов освоения модуля (дисциплины).
Специфика сочетания методов и форм организации обучения отражается в матрице (см.
табл 2). Перечень методов обучения и форм организации обучения может быть расширен.
Таблица 2.
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО
Лаб.
Пр. зан./ Тр*.,
Лекц.
СРС
К. пр.
раб.
Сем.,
Мк**
Методы
IT-методы
Работа в команде
+
+
Case-study
Игра
+
Методы проблемного
+
обучения.
Обучение
+
+
на основе опыта
Опережающая
самостоятельная
+
+
+
+
работа
Проектный метод
+
Поисковый метод
+
Исследовательский
+
+
+
метод
Другие методы
* - Тренинг, ** - Мастер-класс
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
6.1. Виды и формы самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов включает текущую и творческую проблемноориентированную самостоятельную работу (ТСР).
Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента, развитие
практических умений и включает:
● обзор литературы и электронных источников информации по заданной проблеме;
● опережающая самостоятельная работа;
● изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
● подготовка к практическим и лабораторным занятиям;
● подготовка к коллоквиуму, защите курсового проекта, экзамену.
Творческая самостоятельная работа включает:
● поиск, анализ, структурирование и презентация информации;
● подготовка презентационного раздаточного материала.
6.2. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим образом:
● контроль со стороны преподавателя;
● особенностью современного этапа совершенствования контроля является развитие у
студентов навыков самоконтроля за степенью усвоения учебного материала,
умение самостоятельно находить допущенные ошибки неточности, а также
способы устранения выявленных недостатков
6.3 Содержание самостоятельной работы студентов по модулю (дисциплине)
6.3.1. Перечень научных проблем и направлений научных исследований.
1. Разработка малогабаритных систем ориентации.
2. Анализ точности микромеханических инерциальных датчиков.
2. Провести патентный поиск новых инерциальных датчиков.
6.3.2. Темы курсовых проектов.
Темы курсового проекта отражают содержание теоретической части дисциплины:
1. Малогабаритная система ориентации скважинного прибора.
2. Микромеханический гироскоп.
3. Динамически настраиваемый гироскоп.
4. Осевой акселерометр прямого преобразования.
5. Осевой компенсационный акселерометр.
6. Маятниковый акселерометр прямого преобразования.
7. Маятниковый компенсационный акселерометр.
8. Расходомер.
9. Датчик уровня жидких сред.
10. Микромеханический акселерометр.
6.3.3. Темы индивидуальных заданий.
В начале 7 семестра каждому студенту выдается индивидуальное задание:
1. Разработать принципиальную кинематическую
схему системы ориентации
подвижного объекта
6.3.4. Темы работ в структуре междисциплинарных проектов
Тематика курсового проекта по дисциплине «Приборы ориентации и навигации» тесно
связана с дисциплиной «Конструирование и технология приборов и установок» и с темой
ВКР бакалавра.
Темы курсового проекта отражают содержание теоретической части дисциплины:
1. Малогабаритная система ориентации скважинного прибора.
2. Микромеханический гироскоп.
3. Динамически настраиваемый гироскоп.
4. Осевой акселерометр прямого преобразования.
5. Осевой компенсационный акселерометр.
6. Маятниковый акселерометр прямого преобразования.
7. Маятниковый компенсационный акселерометр.
8. Расходомер.
9. Датчик уровня жидких сред.
10. Микромеханический акселерометр.
6.4 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов
1. Методические указания к проведению лабораторных работ.
2. Технические описания, руководства по эксплуатации средств испытаний и средств
измерений, вспомогательного оборудования.
7. Средства текущей и промежуточной оценки качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих
контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия
Проведение коллоквиума
Защита цикла лабораторных работ
Защита курсового проекта
Экзамен
Результаты
обучения по
дисциплине
РД1
РД3, РД4
РД2, РД3, РД4
РД1, РД2, РД3
Контроль знаний студента по теоретическому курсу осуществляется путем проведения
коллоквиумов, при оценке готовности к проведению лабораторных работ, при проведении
практических занятий и консультаций по курсовой работе.
Вопросы для самоконтроля
1. Понятие опорной системы координат. Перечислить известные системы координат.
2. Параметры, определяющие положение объекта в пространстве.
3. Какова форма Земли и виды вертикалей места.
4. Указать области использования физического маятника как построителя направления
местной вертикали.
5. Пояснить принцип действия невозмущаемого маятника.
6. Принцип действия гировертикали с электрической коррекцией.
7. Рассмотреть инструментальные и методические погрешности гировертикали.
8. Каковы пути повышения точности гировертикали.
9. В чем заключается принцип силовой стабилизации.
В чем заключается принцип индикаторной стабилизации.
10. Принцип действия ЦГВ.
11. Объяснить способы определения магнитного курса.
12. Устройство феррозонда.
13. Объяснить принцип действия и погрешности гироиндукционного компаса с моментной и
кинематической коррекцией.
14. Объяснить принцип действия маятникового гирокомпаса.
15. Составить уравнения движения маятникового гирокомпаса.
16. Рассмотреть способы демпфирования гирокомпаса.
17. Пояснить погрешности маятникового гирокомпаса и способы их уменьшения.
18. Гирокомпас с косвенным управлением.
19. Рассмотреть схемы и особенности наземных компасов.
20. Какие системы небесных координат вам известны.
21. Рассмотреть устройство акселерометра.
22. Схема, принцип действия гироскопической курсовертикали на основе силового
гиростабилизатора.
23. Курсовертикаль на основе индикаторного гиростабилизатора.
24. Рассмотреть измерители угловой скорости объекта.
25. Какие погрешности имеют ДУСы.
26. Схема, принцип действия гироскопического интегратора линейных ускорений.
27. Каким прибором можно измерить ускорение.
28. Принцип действия и характеристики простого осевого акселерометра.
29. Компенсационный осевой акселерометр. Принцип действия, достоинства и недостатки.
30. Маятниковый акселерометр. Схема, характеристики.
31. Схемы интегрирующих акселерометров.
32. Акселерометры с цифровым выходом.
33. Каковы особенности струнных акселерометров.
34. Кварцевые акселерометры.
35. Объяснить доплеровский метод измерения скорости.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
Приборы для измерения высоты местонахождения объект.
Объяснить принцип построения ИНС,
Пояснить принцип невозмущаемости ИНС.
Обобщенная схема ИНС полуаналитического типа.
Алгоритм и блок схема вычислений ИНС с географической ориентацией.
Решение задачи навигации в БИНС.
Решение задачи ориентации в БИНС.
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) производится в конце семестра (оценивается в баллах
- максимально 40 баллов), на экзамене студент должен набрать не менее 22 баллов).
Рейтинг дисциплины рассчитан из 100 баллов на текущую успеваемость: 60 баллов выделено
на выполнение обязательных видов занятий (работа на лекциях, коллоквиум – 10 баллов,
лабораторные работы - 30 баллов, выполнение расчетов - 20 баллов); 40 баллов выделено на
экзамен.
Образец тестового задания к коллоквиуму (10 баллов):
 Основные свойства гироскопа;
 Виды курсовых приборов;
 Понятие инерциальной системы координат;
 Состав БИНС.
Пример вопросов, входящих в экзаменационный билет:
1. Принцип работы гироскопического компаса.
2. Погрешности гировертикали с электрической коррекцией.
3. Классификация акселерометров.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)
 Основная литература
1. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных
навигационных систем. СПб.: ЦНИИ Электроприбор, 2009. -280 с.
2. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. – М.: Машиностроение, 2007. – 400 с.
3. Ориентация и навигация подвижных объектов/ Под общей редакцией Б.С. Алёшина.М.:
ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 422 с.
4. Одинцов А.А. Теория и расчет гироприборов. -Киев: Вища школа, 1985. - 391с.
5. Самотокин Б.Б., Мелешко В.В., Степанковский Ю.В. Навигационные приборные системы. Киев: Вища школа, 1986. -342с.
6. Механика гироскопических систем : учебное пособие / Л. А. Серов. — М. : Изд-во МАИ,
1996.
7. 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.