Инерциальный измерительный модуль разработки ОАО «концерн «цнии «электроприбор». Методика калибровки и результаты испытаний



Скачать 85.36 Kb.
Дата05.05.2013
Размер85.36 Kb.
ТипДокументы
УДК.531.383-11
О.Н. КУЛИКОВА, Р.Г. ЛЮКШОНКОВ, Р.С. ЕФРЕМОВ

ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург
ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ РАЗРАБОТКИ

ОАО «КОНЦЕРН «ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР».

МЕТОДИКА КАЛИБРОВКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ.
Приведены результаты разработки малогабаритного инерциального измерительного модуля, выполненного на базе микромеханических гироскопов и акселерометров. Рассмотрена методика калибровки измерительного модуля, которая позволяет достичь требуемых характеристик в рабочем диапазоне температур. На основе экспериментальных исследований показана эффективность разработанной методики калибровки.
Введение
Задачей бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) является выработка кинематических параметров движения объекта. В состав БИНС любого типа входят инерциальный измерительный модуль - ИИМ, содержащий акселерометры и гироскопы, т.е. чувствительные элементы БИНС, и вычислитель, реализующий алгоритмы работы ИНС [1].

Инерциальный измерительный модуль БИНС выполняет задачу определения проекций угловых скоростей и линейных ускорений подвижного объекта в связанной с ним системе координат.

Перспективным направлением в развитии БИНС является применение в качестве чувствительных элементов ИИМ микромеханических гироскопов и акселерометров.

В связи со сложным конструктивным исполнением и микро-размерами производство микромеханических датчиков и ИИМ требует применения высоких технологий, поэтому производить их могут только страны с развитой промышленностью. В настоящее время многие компании-разработчики систем автоматизации и управления занимаются выпуском подобных модулей. Лидерами в этой области являются американские фирмы производители: Analog Devices Inc., Honeywell Int., Goodrich Corp.

Несмотря на низкие точностные характеристики, указанные датчики обладают низким энергопотреблением, малыми размерами, массой и стоимостью, поэтому интерес к их применению высок. Для повышения точности инерциальных датчиков в различных режимах эксплуатации появляется потребность в проведении соответствующей процедуры калибровки.

Настоящая работа посвящена результатам разработки и вопросам калибровки инерциального измерительного модуля ОАО “Концерн “ЦНИИ “Электроприбор”, выполненного на базе микромеханических чувствительных элементов.
Инерциальный измерительный модуль разработки

ЦНИИ “Электроприбор”
Разработка микромеханического гироскопа (ММГ) ведется в ЦНИИ «Электроприбор» с 2001 г. На основе одной из последних модификаций ММГ [2], с 2011 г. ведется разработка инерциального измерительного модуля (рис. 1), предназначенного для широкого применения.



Рис. 1.
Конструкция инерциального измерительного модуля


Чувствительными элементами ИИМ являются три одноосных микромеханических гироскопа разработки ЦНИИ “Электроприбор”, выполняющих функции датчиков угловой скорости и два двухосных микромеханических акселерометра (ММА) ADIS16006 фирмы “Analog Devices, Inc” [1], являющихся датчиками линейных ускорений. Кроме того каждый из инерциальных датчиков содержит внутренний датчик температуры.

ММГ представляет собой микромеханический гироскоп RR-типа, действующий как преобразователь угловой скорости вращения основания в цифровой код, пропорциональный действующему значению угловой скорости вдоль его оси чувствительности. Диапазон измерения угловых скоростей ±100°/с.

ММА является преобразователем линейного ускорения в цифровой код, пропорциональный действующему значению линейного ускорения вдоль его оси чувствительности. Диапазон измерения линейных ускорений ± 5g.

Принцип работы в виде схемы представлен на рисунке 2.



Рис. 2. Функциональная блок схема ИИМ

С выходов ММА и ММГ информация о параметрах движения места установки ИИМ и величины температур по каждому инерциальному датчику последовательно через SPI интерфейс поступают в микроконтроллер TMS320F2808 фирмы “Texas Instruments”, в котором происходит преобразование кода в угловую скорость и линейное ускорение. После чего осуществляется фильтрация и обработка информации, поступающей от инерциальных датчиков. В блоке CRC-16 происходит проверка достоверности данных, передаваемых между модулем и потребителем. Питание осуществляется от источника постоянного тока 5 В. Потребляемая мощность 2 Вт. Выдача потребителю текущих значений трех проекций линейного ускорения и угловой скорости движения объекта обеспечивается по протоколу RS-232 с частотой до 100 Гц. Диапазон рабочих температур 0…40°C.
Калибровка инерциального измерительного модуля
В условиях массового производства ММГ и ММА имеют значительный (до 20% и более) разброс паспортных данных по масштабным коэффициентам и смещениям нулевого сигнала. Способ сборки инерциальных модулей на микромеханических приборах (распайка на печатной плате) не позволяет обеспечить ортогональность осей чувствительности в модуле точнее 1 градуса. В то же время стабильность этих параметров на порядок лучше, чем разброс номинальных параметров от образца к образцу [4].

Для обеспечения высокой точности БИНС необходимо иметь высокоточную информацию от измерителей, что может быть обеспечено только при учете указанных особенностей. Для этого необходимо сначала составить адекватную модель выходных сигналов чувствительных элементов, после чего определить параметры этой модели. Процедуру определения параметров называют калибровкой.

Использованная процедура калибровки включает в себя определение следующих характеристик микромеханических инерциальных датчиков:

- масштабных коэффициентов,

- смещений нулевого сигнала,

- ориентации осей чувствительности относительно посадочных поверхностей ИИМ, а также зависимости указанных параметров от внешних возмущающих воздействий:

- температуры,

- угловой скорости вращения основания,

- линейного ускорения основания.

Основываясь на приведенных выше рассуждениях была использована следующая математическая модель:

  • блок акселерометров:



где - значения выходных сигналов блока акселерометров, [м/с2]; - значения проекций кажущегося ускорения на оси чувствительности ММА [м/с2]; - значения масштабных коэффициентов каждого акселерометра в зависимости от действующей температуры ; - значения смещений нулевого сигнала ММА в зависимости от ; - углы, определяющие положение осей чувствительности каждого из ММА относительно базовых осей ИИМ (рис. 3) , [рад]; - шумы измерения ММА.



Рис. 3. Положение осей чувствительности блока ММА относительно базовых осей ИИМ.

  • блок гироскопов:



где - значения выходных сигналов блока гироскопов, [°/с]; - значения проекций абсолютной угловой скорости на оси чувствительности ММГ [°/с]; - значения масштабных коэффициентов каждого ММГ в зависимости от действующей температуры и направления вращения ИИМ с угловой скоростью ; - значения смещений нулевого сигнала ММГ в зависимости от ; - углы, определяющие положение осей чувствительности каждого из ММГ относительно базовых осей ИИМ, [рад]; - коэффициенты чувствительности к ускорениям; - шумы измерения ММГ.

В основу калибровки акселерометров положено сравнение их показаний с эталонным значением силы тяжести в месте проведения калибровки. В настоящей работе при калибровке опытного образца вокруг каждой из осей ИИМ задавались статические наклоны в диапазоне углов от 0° до 360° с шагом 18 градусов.

Сутью калибровки гироскопов является сравнение их показаний с эталонным значением угловой скорости. Калибровка смещений нулевых сигналов, которые зависят от проекций абсолютного ускорения на оси чувствительности ММГ, предполагает статические наклоны вокруг оси чувствительности каждого из чувствительных элементов. В основу калибровки неортогональностей осей ММГ и осей, связанных с корпусом ИИМ, и масштабных коэффициентов положено задание постоянной угловой скорости. Вращение производится равномерно и последовательно вокруг трех осей ИИМ. Задаваемый в работе диапазон угловых скоростей составляет ±76°/с с переменным шагом.

Для определения параметров модели, зависящих от изменения температуры (масштабных коэффициентов и смещений нулевого сигнала инерциальных датчиков) необходимо проведение, так называемой, температурной калибровки, которая заключается в определении параметров модели при серии различных, фиксированных значениях температуры. Зависимости параметров от температуры имеют сложный характер, потому что зависят от многих факторов: используемые материалы, конструкция, типы соединений и т.д. Изучение таких зависимостей позволяет определить рабочий диапазон изделия.

При температурной калибровке опытного образца задавалась серия температур в диапазоне от 0 до +42°C. На рис.4а-г приведены зависимости смещений нулевого сигнала и масштабных коэффициентов инерциальных датчиков, входящих в состав ИИМ, от температуры.



а)



б)



в)

Рис. 4. Зависимости смещений нулевого сигнала а) одного акселерометра в) гироскопа и масштабных коэффициентов б) акселерометра, и соответствующие полиномы.

Результаты
Для калибровки ИИМ использовался стенд фирмы Acutronic: трехосный поворотный стенд AC3367-TCN с термокамерой с газовым охлаждением и электрическим нагревом. Стенд обеспечивает точность задания углов поворота до 2 угловых секунд.

Ошибки показаний акселерометров при вращении вокруг оси Х представлены на рисунке 5. Для вращения вокруг осей Y, Z результаты аналогичны.



Рис. 5. Ошибки показаний акселерометров при вращении вокруг оси Х
Заключение
Перспективы дальнейшей разработки микромеханического инерциального измерительного модуля:

  • совершенствование алгоритмов калибровки,

  • оценка возможностей повышения точности за счет использования избыточного числа датчиков,

  • переход на использование более точных акселерометров, а также гироскопов отечественной разработки, в частности ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».

Перспективными направлениями использования ИИМ рассматриваются высокодинамичные объекты и объекты с повышенным уровнем вибрации.

В настоящей статье описаны структура и принцип работы инерциального измерительного модуля, реализованного на базе микромеханических гироскопов разработки ЦНИИ «Электроприбор». Представлена методика калибровки ИИМ, проводившаяся в испытательном центре технических средств навигации и связи предприятия ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» и определены параметры модели выходных сигналов чувствительных элементов.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что точностные характеристики инерциального измерительного модуля позволяют отнести его к приборам коммерческого класса точности, и использовать его в составе систем стабилизации и навигации.
ЛИТЕРАТУРА


  1. Analog Devices ADIS16006 Data Sheet // Analog Devices Inc. 2006-2012.

  2. Peshekhonov V.G. Test Results for RR-Type Micromechanical Gyroscope. / Peshekhonov V.G., Nekrasov Ya.A., Pfluger P., Kergueris C., Haddara H., Elsayed A. // Gyroscopy and navigation, 2010. - №4. - С.350-358.

  3. Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. (под общей ред. акад. РАН В.Г.Пешехонова). Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. - СПб., 2003. -415.

  4. Мелешко В.В. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы // Мелешко В.В., Нестеренко О.И. – Кировоград: Полимед- Сервис 2011г.



Похожие:

Инерциальный измерительный модуль разработки ОАО «концерн «цнии «электроприбор». Методика калибровки и результаты испытаний iconТематика конференции
Конференция будет проводиться в гнц РФ оао «Концерн «цнии «Электроприбор» по адресу: Россия, Санкт-Петербург, ул. Малая Посадская,...
Инерциальный измерительный модуль разработки ОАО «концерн «цнии «электроприбор». Методика калибровки и результаты испытаний iconА. В. Сумцов (оао «Концерн «цнии «Электроприбор», Санкт-Петербург) Сравнительный анализ элементов интерфейса и процедур обработки данных для системы автоматизированного формирования документации в статье представлен краткий обзор
Тизации: цели её создания и решаемые задачи. Описан процесс работы внедренного в систему инструмента для подбора аналогичных комплектов....
Инерциальный измерительный модуль разработки ОАО «концерн «цнии «электроприбор». Методика калибровки и результаты испытаний iconПрограмма конференции Вторая конференция молодых ученых и специалистов «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» маг-2011
Васильев И. Н. – инженер 2 категории ОАО «Концерн «Океанприбор», Костюченко А. А. – начальник научно-исследовательского сектора ОАО...
Инерциальный измерительный модуль разработки ОАО «концерн «цнии «электроприбор». Методика калибровки и результаты испытаний iconВ. А. Гучмазов (1990) (гнц РФ цнии «Электроприбор», с-петербург). Имитатор сигналов датчика индукционного лага

Инерциальный измерительный модуль разработки ОАО «концерн «цнии «электроприбор». Методика калибровки и результаты испытаний iconПортрет предприятия: ОАО "Кондитерский концерн "Бабаевский" Общие сведения о компании Полное наименование компании: ОАО «Кондитерский концерн «Бабаевский»
Юридический адрес: 107140, Российская Федерация, г. Москва, ул. Малая Красносельская
Инерциальный измерительный модуль разработки ОАО «концерн «цнии «электроприбор». Методика калибровки и результаты испытаний iconЭталон сравнения для калибровки растровых электронных и атомно-си­ловых микроскопов в на­нометровом диапазоне ОАО «Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума» (оао «ницпв»)
Эталон сравнения для калибровки растровых электронных и атомно-си­ловых микроскопов в на­нометровом диапазоне
Инерциальный измерительный модуль разработки ОАО «концерн «цнии «электроприбор». Методика калибровки и результаты испытаний iconМеры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов методика калибровки
Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-фз "О техническом регулировании"
Инерциальный измерительный модуль разработки ОАО «концерн «цнии «электроприбор». Методика калибровки и результаты испытаний iconМетодика расчетной оценки управляемости и устойчивости автомобиля на основе результатов полигонных испытаний
Методика оценки параметров управляемости на основе обработки результатов полигонных испытаний
Инерциальный измерительный модуль разработки ОАО «концерн «цнии «электроприбор». Методика калибровки и результаты испытаний iconМетодика обучения темам курса информатики, имеющим интеграцию с математикой
Модуль Методика формирования готовности учащихся начальной школы к применению средств и ресурсов информационной образовательной среды...
Инерциальный измерительный модуль разработки ОАО «концерн «цнии «электроприбор». Методика калибровки и результаты испытаний iconМетодика обучения темам курса информатики, имеющим интеграцию с математикой
Модуль Методика формирования готовности учащихся начальной школы к применению средств и ресурсов информационной образовательной среды...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org