Датчики и системы, № 5, 2022
Sensors and Systems, N 5, 2022
С О Д Е Р Ж А Н И Е и А Н Н О Т А Ц И И
C O N T E N T & A B S T R A C T S
ПРЕДСТАВЛЯЕТ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
SAINT-PETERSBURG STATE UNIVERSITY OF AEROSPACE INSTRUMENTATION PRESENTS
ГУАП. НА ПУТИ ТРАНСФОРМАЦИИ … 3
SUAI. ON THE WAY TO TRANSFORMATION
Дворников С. В., Бестугин А. Р., Дворников С. С., Киршина И. А.
ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТЕЙ СТРОБИРУЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ОБРАБОТКИ ИХ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ … 5
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.1
Аннотация: Представлены результаты теоретических разработок, связанных с обоснованием применимости метода совместной частотно-временной обработки с целью повышения точности измерений временных параметров стробирующих импульсов. Рассмотрен общий подход к решению задачи оценивания параметров, применяемый в датчиках измерения длительности стробов. Проанализированы основные факторы, определяющие точность измерения фронта и спада импульса. Рассмотрена технология оценки длительности строба, основанная на подсчете импульсов заполнения, формируемых высокостабильным генератором. Показано негативное влияние помех и шумов в радиоканалах, приводящих к снижению точности оценки. Раскрыта сущность частотно-временного подхода к обработке сигналов, основанная на применении обобщенного распределения Коэна. Представлен механизм синтеза совместных частотно-временных распределений с заданными свойствами путем регулирования параметра порождающего ядра в функции Коэна. Обоснован выбор функции Вигнера для решения задач оценивания временных параметров стробов с позиций ее оптимальности при обработке однокомпонентных сигналов с линейным изменением частоты. Представлены результаты практического эксперимента, подтвердившие правомерность сделанного выбора. Показан количественный выигрыш в измерении времени прихода фронта импульса. Сформулированы направления дальнейших исследований.
Ключевые слова: измерение временных параметров импульсов, обобщенное распределение Коэна, частотно-временное распределение Вигнера, радиоканал.
Dvornikov S. V., Bestugin A. R., Dvornikov S. S., Kirshina I. A.
MEASUREMENT OF PULSES DURATIONS BASED ON THE PROCESSING OF THEIR FREQUENCY AND TIME ENERGY DENSITY DISTRIBUTIONS
Abstract: The results of theoretical developments related to the justification of the applicability of the method of joint time-frequency processing in the interests of improving the accuracy of measuring the temporal parameters of pulses are presented. In order to reveal the essence of the problem, a general approach to solving the problem of parameter estimation, used in sensors for measuring the duration of strobes, is considered. The main factors that determine the accuracy of measuring the rise and fall of the pulse are analyzed. A technology for estimating the pulse duration based on counting the filling pulses generated by a highly stable generator is considered. The negative impact of interference and noise in radio channels, leading to a decrease in the accuracy of the estimate, is shown. The essence of the time-frequency approach to signal processing based on the application of the generalized Cohen distribution is disclosed. A mechanism for the synthesis of joint time-frequency distributions with specified properties is presented by controlling the parameter of the generating kernel in the Cohen function. The choice of the Wigner function for solving the problems of estimating the temporal parameters of impulses is substantiated from the standpoint of its optimality in the processing of single-component signals with a linear change in frequency. The results of a practical experiment are presented, confirming the validity of the choice made. The quantitative gain in measuring the arrival time of the pulse front is shown. Directions for further research are formulated.
Keywords: measurement of time parameters of pulses, generalized Cohen distribution, Wigner time-frequency distribution, radio channel.
Шишлаков В.Ф, Ватаева Е Ю, Решетникова Н В, Шишлаков Д В
ПАРАМЕТРИЧСЕКИЙ СИНТЕЗ ОПЕРАТОРОВ УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ САУ ПРИ ПОЛИНОМИАЛЬНОЙ АППРОКСИМАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ … 12
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.2
Аннотация: Представлено решение задачи синтеза законов управления импульсных нелинейных систем автоматического управления. В качестве математического аппарата решения применяется обобщенный метод Галеркина. Рассмотренный метод распространеен на новый класс систем с нелинейными характеристиками, аппроксимированными полиномиально. Также в работе рассматривается полиномиальная аппроксимация на примере нестационарной нелинейной зависимости коэффициента сцепления тормозящего колеса тяжелого самолета с опорной поверхностью.
Ключевые слова: импульсные системы, нелинейные системы, полиномиальная аппроксимация, нелинейные характеристики, обобщенный метод Галеркина.
Shishlakov V. F., Vataeva E. Yu., Reshetnikova N. V., Shishlakov D. V.
PARAMETRIC SYNTHESIS OF PULSED ACS CONTROL OPERATORS WITH POLYNOMIAL APPROXIMATION OF CHARACTERISTICS OF NONLINEAR ELEMENTS
Abstract: The article deals with the solution of the problem of synthesis of control laws for impulse nonlinear automatic control systems. The generalized Galerkin method is used as a mathematical apparatus for solving. The considered method is extended to a new class of systems with nonlinear characteristics approximated polynomially. The paper also considers a polynomial approximation using the example of a non-stationary nonlinear dependence of the coefficient of adhesion of the braking wheel of a heavy aircraft with the supporting surface.
Keywords: impulse systems, nonlinear systems, polynomial approximation, nonlinear characteristics, generalized Galerkin’s method.
Москалец О. Д., Сердюк К. В.
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИМИ ДИФРАКЦИОННЫМИ СПЕКТРАЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ: СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД … 19
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.3
Аннотация: В терминах системного анализа предложено подробное описание передачи оптического излучения элементами системы оптических спектральных измерений дифракционными спектральными приборами (решеточными и призменными). Описание опирается на методы радиооптики и применения электрооптических аналогий к оптическим элементам, входящим в состав системы спектральных измерений. На базе этого микроподхода в теории систем выполнен переход к макроописанию дифракционного спектрального прибора, исчерпывающей характеристикой которого является аппаратная функция спектрального прибора. Результат измерения спектра дается в форме линейного интегрального оператора с ядром в виде аппаратной функции спектрального прибора.
Ключевые слова: оптическое излучение, спектр; спектральные измерения, дифракционный спектральный прибор, системный анализ, микроподход в теории систем, макроподход в теории систем, аппаратная функция, линейный интегральный оператор.
Moskalez O. D., Serdiuk K. V.
SPECTRAL MEASUREMENTS BY OPTICAL DIFFRACTION SPECTRAL INSTRUMENTS: SYSTEMS APPROACH
Abstract: In terms of system analysis, a detailed description of the transmission of optical radiation by the elements of the system of optical spectral measurements by diffraction spectral devices (grating and prism) is proposed, this description is based on the methods of radio optics and the application of electro-optical analogies to optical elements that are part of the system of spectral measurements. On the basis of this micro-approach in systems theory, a transition was made to a macro description of a diffractive spectral device, the exhaustive characteristic of which is the instrumental function of the spectral instrument, and the result of measuring the spectrum is given in the form of a linear integral operator, the core of which is the instrumental function of the spectral instrument.
Keywords: optical radiation; spectrum; spectral measurements; diffraction spectral instrument; system analysis; micro-approach in systems theory, macro-approach in systems theory, instrumental function; linear integral operator.
Ваганов М. А.
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА … 24
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.4
Аннотация: Рассмотрено применение разработанных дифракционного спектрального прибора и многоканального оптического спектрометра для решения задачи спектроскопического контроля процесса горения газообразного углеводородного топлива. Приведены результаты разработки макетов спектральных приборов контроля и результаты их экспериментального исследования. Выполнен эксперимент по определению достоверности выполняемого спектроскопического контроля разработанными спектральными приборами.
Ключевые слова: спектроскопический контроль, процесс горения, углеводородное топливо, дифракционный спектральный прибор, многоканальный оптический спектрометр, соотношение газ/воздух, спектральная характеристика.
Vaganov M. A.
SPECTROSCOPIC CONTROL OF THE COMBUSTION PROCESS OF GASEOUS HYDROCARBON FUEL
Abstract: The application of the developed diffraction spectral device and multichannel optical spectrometer for solving the problem of spectroscopic control of the combustion process of gaseous hydrocarbon fuel is considered. The results of the development of prototypes of spectral control devices and the results of their experimental study are presented. The results of an experiment to determine the reliability of the spectroscopic control performed by the developed spectral instruments are presented.
Keywords: spectroscopic control, combustion process, hydrocarbon fuel, diffraction spectral instrument, multichannel optical spectrometer, gas/air ratio, spectral characteristic.
Мисникова Т. С.
АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА ДЕТАЛИ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНО-ИСКРОВОЙ ЭМИССИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ … 29
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.5
Аннотация: Рассмотрена возможность применения метода лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии для решения задачи элементного анализа металлических изделий и определения сплава изделия. Представлен макет экспериментальной установки, выбраны оптическая схема эксперимента и параметры лазерного излучения, проведены тестовые измерения спектров плазмы, образованной на поверхности металлической детали. Приведены результаты экспериментального исследования на разработанном макете. В результате эксперимента в спектре излучения плазмы, образованной на поверхности металлической детали, зарегистрированы характерные спектроскопические информационные параметры в виде интенсивных спектральных полос.
Ключевые слова: лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия, спектральная характеристика, спектральный анализ, металлы, алюминий, медь, марганец, магний, железо, кремний, дюралюминий.
Misnikova T. S.
ANALYSIS OF THE ELEMENTAL COMPOSITION OF A COMPONENT METAL ALLOY BY LASER-INDUCED BREAKDOWN SPECTROSCOPY
Abstract: The paper considers the possibility of application of laser-induced breakdown spectroscopy, method for solving the problem of elementary analysis of metal products and determining the alloy of the product, which can indicate the quality of the made product. The layout of experimental setup is presented, the optical scheme of experiment and parameters of laser radiation are selected, test measurements of plasma spectra generated on the surface of a metal piece are carried out. The results of experimental research on the developed model are presented. As a result of the experiment, characteristic spectroscopic information parameters in the form of intensive spectral bands were recorded in the radiation spectrum of plasma formed on the surface of a metal part.
Keywords: laser-induced breakdown spectroscopy, spectral response, spectral analysis, metals, aluminium, copper, manganese, magnesium, iron, silicon, duraluminium.
Параскун А. С.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ И ИХ ОБРАБОТКА В СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ … 33
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.6
Аннотация: Рассмотрено применение методов оптической эмиссионной спектроскопии в системе контроля работы ракетного двигателя в условиях стендовых испытаний. Сформулирована специфика спектроскопических измерений для индикации предаварийной ситуации и дана форма представления спектроскопической информации.
Ключевые слова: спектральный прибор; спектр; одномерная матрица; аппаратная функция; узкополосный фильтр; пространственная фильтрация.
Paraskun A. S.
MEASURING SIGNALS AND THEIR PROCESSING IN THE SPECTROSCOPIC CONTROL SYSTEM OF A ROCKET ENGINE
Abstract: It is proposed to further develop the topic of applying the methods of optical emission spectroscopy in systems for monitoring the operation of a rocket engine under bench test conditions. The specifics of spectroscopic measurements for indicating a pre-emergency situation and the form of presentation of spectroscopic information are formulated.
Keywords: spectral instrument; spectrum; one-dimensional matrix; hardware function; narrow band filter; spatial filtering.
Рыжиков М. Б., Бестугин А. Р., Новикова Ю. А., Киршина И. А.
СРАВНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ И КЛАССИЧЕСКОЙ ЛИНЗ ЛЮНЕБЕРГА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МНОГОЛУЧЕВОЙ АНТЕННЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ … 38
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.7
Аннотация: Дано сравнение вариантов исполнения сферической линзы Люнеберга в классическом виде и с пониженной диэлектрической проницаемостью и массой. Приведены методика предпроизводственной оценки нужного числа слоев для их изготовления и результаты моделирования, выполненного в сравнении их фокусирующих свойств. Даны рекомендации по исполнению антенны на основе линзы Люнеберга с меньшей массой.
Ключевые слова: антенна, число слоев, расчет, диэлектрик, фокусирующие свойства.
Ryzhikov M. B., Bestugin A. R., Novikova Yu. A., Kirshina I. A.
COMPARISON OF MODIFIED AND CLASSICAL LUNEBERG LENSES FOR THE IMPLEMENTATION OF A NEW GENERATION MULTIPATH CELLULAR ANTENNA
Abstract: The construction of multibeam adaptive systems covering the maximum possible range of angular directions allows maximizing the effectiveness of communication systems. At the same time, the requirements for minimizing their weight and aerodynamic drag are traditionally applied to antenna systems. For this reason, one of the possible solutions to this problem is the use of a spherical Luneberg lens. This article compares the variants of its execution in the classical form and with a reduced dielectric constant and weight. Both the method of pre-production evaluation of the required number of layers for their manufacture and the results of modeling in comparison of their focusing properties are given. Recommendations are given on the design of an antenna based on a Luneberg lens with a smaller mass.
Keywords: antenna, number of layers, calculation, dielectric, focusing properties.
Майоров Н. Н., Костин А. С.
ИССЛЕДОВАНИЕ АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ АВТОНОМНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ МЕСТ ПОСАДКИ БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ СИСТЕМ … 42
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.8
Аннотация: Представлены результаты анализа и применения машинного зрения для реализации задачи идентификации объектов при помощи беспилотной авиационной системы. Выполнено сравнение камер для одноплатного компьютера и сделаны выводы о возможности их применения. Представлен метод выполнения автономного полета при помощи полетного контроллера, одноплатного компьютера, камеры, установленной на квадрокоптер и дополнительного датчика в виде сонара. В рамках лабораторного испытания показаны результаты выполнения автономного полета и посадки на движущуюся платформу с меткой, которую необходимо идентифицировать квадрокоптеру и выполнить к ней автономный полет с последующей посадкой.
Ключевые слова: автономный полет, квадрокоптер, камеры для одноплатного компьютера, идентификация меток.
Maiorov N. N., Kostin A. S.
RESEARCH OF HARDWARE SYSTEMS FOR DETERMINING LANDING SITES FOR UNMANNED AERIAL SYSTEMS
Abstract: The article presents the results of the analysis and application of machine vision for the implementation of the problem of identifying objects using an unmanned aerial system. To solve this problem, a comparison of cameras for a single-board computer was made and conclusions were drawn on the possibility of their application. A method for performing an autonomous flight using a flight controller, a single-board computer, a camera installed on a quadrocopter and an additional sensor in the form of a sonar is presented. As part of the laboratory test, the results of an autonomous flight and landing on a moving platform with a label that the quadrocopter needs to identify and perform an autonomous flight to it with subsequent landing were presented.
Keywords: autonomous flight, quadcopter, single-board computer cameras, tag identification.
Беляева А. С.
ХРОМАТИЧЕСКИЕ АБЕРРАЦИИ В СИСТЕМЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО ИСТОЧНИКА НА БАЗЕ АОФ … 49
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.9
Аннотация: Рассмотрено влияние хроматических аберраций используемых оптических компонентов при разработке источника с возможностью перестройки по длинам волн на базе акустооптического фильтра, когда требуется обеспечить точные цветовые координаты имитируемого цвета (в случае разработки эталона цвета для колориметрии) или необходимую длину волны (в случае применения для спектральных исследований). Выполненный в работе анализ позволяет выявить оптимальную схему для обеспечения необходимой точности воспроизведения цвета, а также установить требования к коррекции хроматических аберраций компонентов схемы.
Ключевые слова: акустооптический фильтр, спектральный состав, хроматический сдвиг.
Beliaeva A. S.
CHROMATIC ABERRATIONS IN A TUNABLE SOURCE IN AOTF-BASED SYSTEM
Abstract: During developing a tunable source based on an acousto-optical tunable filter, an an essential factor is the ability to provide accurate color coordinates of the simulated color (in the case of developing a color standard for colorimetry) or the required wavelength (in the case of application for spectral studies). The accuracy of color reproduction in the system of such a source is affected by many factors, including the change in the diffraction angle depending on the wavelength and the angle of incidence of the beam on the acousto-optic cell, as well as the chromatic aberrations of the optical components used. The analysis performed in the work allows to identify the optimal scheme to ensure the required color reproduction accuracy, as well as to establish requirements for correcting chromatic aberrations of the scheme components.
Keywords: acousto-optical tunable filter, spectral composition, chromatic shift.
Казаков В. И.
ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ ТЕПЛОВОГО КОНВЕКТИВНОГО ПОТОКА … 53
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.10
Аннотация: Предложена система регистрации и обработки пространственных характеристик лазерного пучка для обнаружения теплового конвективного потока, появляющегося уже на ранней стадии пожара. Работа проводится в рамках разработки новых эффективных методов и технических средств раннего обнаружения возгораний. Представлена структурная схема системы, а также исследованы методы обработки пространственных характеристик лазерного пучка, позволяющие обнаружить появление теплового конвективного потока. Исследована эффективность корреляционного метода обработки пространственных характеристик. Рассмотрен метод обработки, отражающий попиксельную разность значений отсчетов распределения интенсивности профиля пучка. Сопоставлена их эффективность.
Ключевые слова: пожарный извещатель, тепловой конвективный поток, лазер, оптический пучок, возгорание, взаимно-корреляционная функция, дискретный сигнал.
Kazakov V. I.
LASER SYSTEM FOR DETECTION OF HEAT CONVECTIVE FLOW
Abstract: А system of registration and processing of spatial characteristics of a laser beam is proposed for the detection of thermal convective flow, which appears already at the early stage of a fire. The work is carried out as part of the development of new effective methods and technical means of early fire detection. The structural scheme of the system is proposed, as well as the methods of processing the spatial characteristics of the laser beam, which allow to detect the appearance of thermal convective flow, are investigated. The effectiveness of the correlation method of processing spatial characteristics is investigated. A processing method is proposed that consist in the pixel-by-pixel difference in the intensity distribution counts of the beam profile. Their effectiveness is compared.
Keywords: fire detector, thermal convective flow, laser, optical beam, ignition, cross-correlation function, discrete signal.
Епифанцев К. В., Ефремов Н. Ю.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КАЛИБРОВКИ И НАСТРОЙКИ ДАТЧИКОВ КРУГЛОМЕРА ROUNDTEST RA-120P … 57
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.11
Аннотация: Рассмотрены вопросы калибровки и настройки датчика кругломера, заключающиеся во введении компенсационного коэффициента давления щупа и выравнивании стола. Проведено исследование зависимости значения центрирования прибора от угла наклона щупа кругломера.
Ключевые слова: кругломер, калибровка, центрирование стола, угол наклона щупа, улучшение процесса калибровки.
Epifantsev К. V., Efremov N. Yu.
INVESTIGATION OF THE PROCESS OF CALIBRATION AND ADJUSTMENT OF SENSORS OF THE ROUNDTEST RA-120P METER
Abstract: The round gauge is a very important measuring device for detecting geometry defects at the submicron level. This device is designed to control deviations from the value of a given profile of cylindrical parts. In the process of preparing the round sensor for operation, one of the important stages of preparing the equipment for operation is its calibration, which consists in introducing a compensating pressure coefficient of the sensor and leveling the table. The article deals with the issue of studying the dependence of the centering value of the device on the angle of inclination of the round gauge probe.
Keywords: round gauge, calibration, centering of the table, angle of inclination of the probe, improvement of the calibration process.
Смирнов А. О., Дик O. Е, Фролова Е. А., Титов В. Е.
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА IRASA ДЛЯ ОЦЕНКИ ФРАКТАЛЬНОСТИ СИГНАЛОВ … 62
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.12
Аннотация: Показано, что метод IRASA для оценки фрактальности может быть положен в основу работы отечественных диагностических приборов, облегчающих работу медицинского персонала.
Ключевые слова: IRASA, фрактальность, электроэнцефалограмма.
Smirnov A. O., Dick O. E., Frolova E. A., Titov V. E.
USING THE IRASA METHOD OF FRACTALITY ASSESSMENT OF SIGNALS
Abstract: It is shown that the IRASA method of fractality assessment can be used as the basis for the work of domestic diagnostic devices that facilitate the work of medical personnel.
Keywords: IRASA, fractality, electroencephalogram.
Данилова А. С., Горелова Н. А., Сергеева З. С., Сергеев Т. В., Тихоненкова О. В., Яфаров А. З.
АЛГОРИТМ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ДАННЫХ О ПОЛОЖЕНИИ, ДВИЖЕНИЯХ И НАКЛОНАХ ГОЛОВЫ ЧЕЛОВЕКА … 66
DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.5.13
Аннотация: Рассмотрен алгоритм для определения перемещения структур шейного отдела позвоночника. Предложенный алгоритм позволит расширить возможности создания диагностических ортопедических систем. Основой для разработанного алгоритма послужила разработанная авторами трехточечная модель. Рассмотрены различные способы регистрации движений тела и методы обработки этих данных. В качестве датчиков движения использовались трехосевые MEMS акселерометры и гироскопы. Были проведены предварительные измерения для калибровки системы датчиков. Проведены испытания на макете модели шеи. Для апробации полученной программы на реальных данных были записаны сигналы при различных движениях головы испытуемого. Описаны выбранные цифровые медианный и экспоненциальный фильтр. Для расчета углов перемещения головы и шеи были выбраны два метода: тригонометрическое нахождение смещения осей относительно их предыдущего положения и расчет углов вращения при помощи кватернионов (способ Маджвика). Описанные методы были применены в алгоритме обработки данных, реализованном на языке Python3. Работоспособность алгоритма была проверена на тестовых данных с модели шеи и данных, полученных с испытуемого. В результате измерения углов отклонение составило 0,2 град. для тригонометрического выражения углов.
Ключевые слова: алгоритм, акселерометры и гироскопы, цифровая фильтрация, шейный отдел позвоночника.
Danilova A. S., Gorelova N. A., Sergeeva Z. S., Sergeev T. V., Tikhonenkova O. V., Yafarov A. Z.
ALGORITHM FOR PROCESSING AND ANALYZING DATA ON THE POSITION, MOVEMENTS AND TILT OF THE HUMAN HEAD
Abstract: The article is devoted to the creation of an algorithm for determining the movement of cervical structures. This topic is related to the expansion of opportunities in the field of creating diagnostic orthopedic systems. The basis for the developed algorithm was the three-point model developed by the authors. Various methods for recording body movements and methods for processing these data are considered. Three-axis MEMS accelerometers and gyroscopes were used as motion sensors. Preliminary measurements were taken to calibrate the sensor system. Tests were carried out on a test model of the neck. To test the obtained program on real data, signals were recorded for various movements of the subject's head. The selected digital median and exponential filters are described. To calculate the angles of the head and neck movement, two methods were chosen: the trigonometric determination of the axes displacement relative to their previous position and the calculation of the rotation angles using quaternions (the Madgwick method). The described methods were applied in the data processing algorithm implemented in the Python3 language. The performance of the algorithm was tested on data from the neck model and data obtained from the subject. The deviation of the angle measurement results was 0. 2 degrees for the trigonometric expression of angles.
Keywords: algorithm, accelerometers and gyroscopes, digital filtering, cervical spine.