Сертификация систем позиционирования на основе микромеханических акселерометров

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

дачи видеоизображения работал безотказно на всем протяжении трассы. Погрешности определения местоположения при испытаниях навигационных систем в составе наземных транспортных средств составили не более 30 м (15).

Библиографический список

1. Ачильдиев, В.М. Дистанционно пилотируемый микролетательный аппарат для локального мониторинга лесных и урбосистем / В.М. Ачильдиев, Н.М. Иванов, В.А. Есаков и др. // Научн. тр. международной научно-технической конференции «Математические и физические методы в экологии и мониторинге природной среды». - М.: МГУЛ, 2001. - С. 290-294.

2. Абрамов, С.В. Мобильный комплекс для локального мониторинга урбоэкосистем на основе микролетательного аппарата / С.В. Абрамов, В.М. Ачильдиев, О.А. Мезенцев. - М.: МСТ, 2002. - № 10. - С. 21-25.

3. Ачильдиев, В.М., Абрамов, С.В., Воробушкин, В.В. и др. Портативный комплекс авианаблюдений и автономно пилотируемый летательный микроаппарат для него. Патент РФ № 2232104, 2003.

4. Ачильдиев, В.М., Терешкин, А.И., Юров, В.Ю и другие. Универсальный навигационный прибор управления движением на основе микромеханических чувствительных элементов и унифицированная бесплатформенная инерциальная навигационная система для этого прибора. Патент РФ № 2263283, 2004.

5. Ачильдиев В.М., Мезенцев А.П., Наумов А.Н. и др. Способ комплексных испытаний летательного микроаппарата с интегральной бесплатформенной инерциальной навигационной системой и устройства для его осуществления. Патент РФ № 2263283, 2004.

6. Мезенцев, А.П. Интегрированные навигационные системы для мобильных комплексов локального мониторинга урбоэкосистем на основе автономно пилотируемых летательных микроаппаратов /

A. П. Мезенцев, В.М. Ачильдиев, С.В. Абрамов // Сборник докладов X Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. - 2003. - С. 22-24.

7. Ачильдиев, В.М., Вишневский В.М., Терещенко Б.Н. и другие. Телекоммутационная воздушная платформа для беспроводных сетей для передачи информации. Патент РФ на полезную модель № 52296, 2006.

8. Ачильдиев, В.М., Вишневский В.М., Терещенко Б. Н. и другие. Method for foming regional wireless informanion transmittion networks and a teleswitching air - borne plartfom for carring out said method. PCT WO 2007/043908A1.

9. Ачильдиев, В.М. Бесплатформенные инерциальные блоки на основе микромеханических датчиков угловой скорости и линейного ускорения: монография / В.М. Ачильдиев. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. - 223 с.

10. Мезенцев, А.П. Результаты лабораторных испытаний летательного микроаппарата с интегрированной системой управления / А.П. Мезенцев,

B. М. Ачильдиев и др. // Сборник докладов X Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. - 2007.

11. Метрологический режим нижнего трехсотметрового слоя атмосферы. - М.: Гидрометеоиздат, 1984. - С. 81.

12. Колозезный, Э.А. Системы управления средств выведения космических аппаратов и их сертификация / Э.А. Колозезный, С.М. Вязов, В.М. Ачильдиев и др. - М.: МГУЛ, 2002.

СЕРТИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕрОМЕТрОВ

Н. А. БЕДРО, инженер ОАО «НПО Геофизика-НВ»

В последнее время возрастает интерес к системам позиционирования, чувствительными элементами которых являются микромеханические гироскопы и акселерометры. Очевидными преимуществами подобных систем являются относительно невысокая стоимость, малые габаритно-массовые размеры и низкое энергопотребление [1,2].

Существенным недостатком подобных систем является относительно невысо-

glmnems@geo-nv. ru кая точность измерения параметров, а также существенная зависимость этой точности от изменения температуры и нестабильности напряжения питания чувствительных элементов. Существуют алгоритмы компенсации погрешностей, позволяющие на основании постоянно измеряемой температуры и напряжения питания вносить поправки в значения, измеряемые микроакселерометрами ускорений [3]. Определение коэффициен-

34

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

тов чувствительности для этих алгоритмов и калибровка точностных параметров осуществляются в процессе сертификации [4].

Согласно существующей практике сертификация систем позиционирования в процессе изготовления предполагает прохождение следующих испытаний:

- калибровка точностных параметров;

- определение коэффициентов чувствительности к значимым возмущающим факторам (температура, напряжение питания и др.);

- ресурсные;

- температурно-влажностные;

- вибрационные;

- ударные;

- точностные.

Испытания на воздействие вибрационных и ударных нагрузок проводятся с помощью различных виброударных стендов, в то время как для точностных параметров и для проведения ресурсных испытаний используются вращательные стенды. В настоящей статье рассматривается возможность совмещения всех видов испытаний с использованием одного лишь вращательного стенда AC 1120S V2.3 [5]. Используя известные соотношения между угловой скоростью, линейным, тангенциальным и угловым ускорениями, приводится математическое обоснование возможности обеспечения воздействия на чувствительный элемент линейного ускорения как постоянного, так и периодического (вибрация), при расположении системы позиционирования таким образом, чтобы ось чувствительного элемента располагалась ортогонально оси вращения стенда. Такой подход позволяет сократить количество оборудования при сертификации микромеханических акселерометров и систем позиционирования на их основе.

При нахождении испытуемого прибора на поворотной платформе, вращающейся с угловым ускорением, на него действуют нормальное и тангенциальное ускорения (рис. 1).

Нормальное ускорение пропорционально угловой скорости, а тангенциальное ускорение пропорционально угловому ускорению поворотной платформы

ат

Рис. 1. Воздействие на испытуемый прибор нормального и тангенциального ускорений; an - нормальное ускорение, пропорциональное угловой скорости вращения поворотной платформы; ат - тангенциальное ускорение, пропорциональное угловому ускорению поворотной платформы; е - угловое ускорение поворотной платформы; R -расстояние от оси вращения до испытуемого прибора

а = q2R, а = eR,

где ап - нормальное ускорение, пропорциональное угловой скорости вращения поворотной платформы; ат - тангенциальное ускорение, пропорциональное угловому ускорению поворотной платформы; ш - угловая скорость вращения поворотной платформы;

е -угловое ускорение поворотной платформы;

R - расстояние от оси вращения до испытуемого прибора.

Ускорение как функция времени определяется соотношением

a(t) = A •sin (2nvt), где a(t) - вибрационное ускорение;

A - амплитуда виброускорения; v - частота виброускорения.

Согласно соотношению (1), функциональная зависимость углового ускорения от времени приобретает вид

e(t) = £-sm(2n;v-t),

E = A / R,

где e(t) - угловое ускорение;

E - амплитуда углового ускорения; v - частота углового ускорения.

Угловая скорость и угол в зависимости от времени

t

ш(t) = | е(т) d т = Q • cos(2nv • t);

0

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

35

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

n \g]

T [сек]

Рис. 2. Модель удара; n - перегрузка; Т - время

Q =---------;

R х 2nv

t

ф(?) = j G>(x)d т = Ф • sin(2nv • t);

0 Ф A

Ф =-----------

R • 4n2v2

Модель удара можно представить в виде половины периода синусоиды (рис. 2).

В связи с тем, что проведение испытаний приборов на ресурс, который может достигать сотни тысяч часов, весьма затруднительно из-за технических и экономических факторов, требуется разработка методики ускоренных испытаний.

Ускоренные испытания микромеханических акселерометров и систем позиционирования на их основе позволяют при помощи увеличения одной или нескольких нагрузок на прибор определить реальную интенсивность отказов за относительно короткое время и с использованием малого количества образцов.

При разработке методики ускоренных испытаний необходимо:

- выбрать воздействующие факторы, которые могут быть использованы в качестве форсирующих;

- выбрать уровень форсирующего воздействия, ускоряющего процесс старения, при котором физическая картина старения не меняется;

- найти функциональную зависимость между показателями надежности в нормальном и форсированном режимах;

- установить параметры и критерии годности опытных образцов микромеханических акселерометров;

- разработать программу ускоренных испытаний микромеханических акселерометров, определяющую объем испытаний и сочетание уровней воздействующих факторов.

Для микромеханических акселерометров, которые, как правило, находятся в герметичном корпусе, применение в качестве форсирующих факторов увеличения влажности и давления нецелесообразно, так как они не соответствуют реальным условиям эксплуатации.

В соответствии с [6, 7] рекомендовано в качестве ускоряющих факторов использовать температуру и напряжение.

Увеличение напряжения питания и плотности тока может привести к изменению физики отказов по причине возникновения нелинейных эффектов, связанных с возрастанием напряженности поля, критичным для малых толщин изоляции и зазоров между электродами.

Так как скорость протекания процессов деградации значительно зависит от температуры, наиболее приемлемым ускоряющим фактором является повышенная температура испытаний [7].

Предельно допустимую температуру ускоренных испытаний, согласно ОСТ 92-9509-81, можно определить по формуле [6]

Т = Т - Т

фи пред перегр’

где Тфи - температура форсированных испы-

таний;

Т - температура перегрева ММА и

перегр

ММГ;

Тпред - предельно допустимая температура чувствительного элемента по ТУ.

Температура перегрева соединения при его сопротивлении 10-5... 10-3 Ом и максимальном токе питания 0,2 А не должна превышать 10 °С. Отклонения температуры при климатических испытаниях могут составлять от tmin до tmax. Таким образом, предельно допустимая температура испытаний составит T = |t . | + |t |.

пред 1 min 1 max1

Для испытаний макетов в корпусном исполнении предельно допустимая в настоящее время температура испытаний составит 125°С, так как максимальная температура, при которой работоспособны микросхемы ОС, составляет 125°С. Таким образом, предельно допустимая температура испытаний

36

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

для микромеханических акселерометров составляет 125°С.

В качестве универсальной модели теплового старения для изделий электронной техники пользуются зависимостью Аррениуса, которую в общем виде можно выразить уравнением

Ln(0=A‘V+в

где t - время испытаний, за которое нарушается нормальная работа чувствительного элемента;

Тфи - температура форсированных испытаний;

А, В - константы.

Построив график этой зависимости по нескольким точкам для различных температур испытаний (рис. 3) и проведя экстраполяцию ее в области температур эксплуатации Т можно определить ресурс их непрерывной работы:

t1 - время наработки на отказ при температуре Тр

t2 - время наработки на отказ при температуре Т2;

t3 - прогнозируемое время наработки на отказ при температуре эксплуатации Тэ

В качестве параметров-критериев годности микромеханических акселерометров выберем, например, точностные характеристики.

Для проведения испытаний должны быть использованы опытные образцы.

Перед постановкой на испытания микромеханические акселерометры должны быть проверены на соответствие требованиям нормативно-технической документации, действующей на предприятии. Микромеханические акселерометры подвергаются испытаниям до наработки на отказ при различных температурах: от -t до +t

А J А mm max.

Затем строится зависимость Ln(t) = = A-T"1 + B и определяется время наработки на отказ (для образцов без нагрузки).

Параметры-критерии годности микромеханических акселерометров в ходе испытаний нужно контролировать. Если параметры имеют устойчивый временной дрейф, то на основе полученных зависимостей можно спрогнозировать время отказа микромеханических акселерометров при определенной температуре испытаний.

Ln

Рис. 3. Зависимость логарифма времени испытаний от температуры форсированных испытаний; T - температура; t - время

Построив в дальнейшем график зависимости времени отказа микромеханических акселерометров от температуры испытаний согласно [3] и рассчитав коэффициенты А и В, можно будет определить срок сохраняемости и время наработки на отказ микромеханических акселерометров.

При обработке результатов измерений методом наименьших квадратов коэффициенты А и В определяются из выражений

A =

n 1 n n

Z x,yt —Z x Z y

i=1 П i=1 i=1

n 1 n

Zx2 - -

i=1 n i =1

2

B

-

n

II II

Z y Z x2i

i =1 i =1

1 n n

-Z X Z ytx

n i =1 i =1

Z= xi2

i=1

-

n

2

i=1

где y. = Ln tp x. = (T- 1)i ;

i = 1, 2, 3... n - число точек измерения температуры.

Стандартом устанавливается шесть режимов форсирования: 75°С, 125°С, 150°С, 200°С, 300°С и 400°С, а продолжительность испытаний определяется по диаграмме, представленной на рис. 4.

В связи с особенностями используемого оборудования, наиболее удобного для длительных испытаний, определяем температуру ускоренных испытаний, равную 75 °С.

Если после проведения форсированных испытаний параметры критерия годности остаются в допустимых по КД пределах, то микромеханические акселерометры считаются выдержавшими испытания.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

37

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 4. Фотография автоматизированного комплексного стенда фирмы «Acutronic»

Количество образцов, подвергаемых испытаниям, выбирается в соответствии с ГОСТ 20.57.304-76.

После проведения ускоренных испытаний определяют время появления отказа испытуемых приборов и вычисляют время наработки на отказ по формуле

— N t

t =V _™L • а =

но N ’ йо \

^

,=1 N

где t - время появления отказа i-го прибо-

_ ра;

tm - математическое ожидание времени наработки на отказ;

oteQ - среднеквадратичное отклонение времени наработки на отказ;

N - количество образцов.

Малые габаритно-массовые характеристики и низкое энергопотребление бесплатформенных инерциальных блоков на основе микромеханических кремниевых чувствительных элементов делает возможным создание универсального испытательного многофункционального стенда, обеспечивающего совмещение различных видов испытаний отмеченных приборов, в том числе при одновременном задании нескольких факторов, влияющих на характеристики испытываемого прибора, то есть создать условия, эквивалентные услови-

ям работы приборов на объектах, одновременно для сокращения времени испытаний.

Фотография автоматизированного комплексного стенда фирмы «Acutronic» приведена на рис. 4.

Использование предлагаемых способов и стенда фирмы «Acutronic» позволяет выполнять следующие типы испытаний:

1. Калибровка точностных параметров микромеханических гироскопов и акселерометров в составе УФСП, в том числе масштабного коэффициента и нулевого сигнала, в температурном диапазоне эксплуатации.

2. Функционирование УФСП, т. е. измерение точностных параметров в диапазоне эксплуатационных температур и влажности.

3. Ускоренные ресурсные испытания.

4. Температурные испытания.

5. Вибрационные испытания.

Таким образом, КИА на основе стенда AC 1120S обеспечивает проведение комплексных испытаний как по калибровке точностных характеристик микромеханических гироскопических чувствительных элементов УФСП, так и ускоренных ресурсных испытаний УФСП в широком температурном, скоростном диапазоне с наложением вибрационных воздействий и линейных перегрузок, что приводит к значительному (на порядок) снижению времени и стоимости проведения испытаний.

Разработанная КИА в сочетании с техническими возможностями комплексного стенда обеспечивает:

- высокую достоверность контроля параметров прибора в соответствии с требованиями технической документации;

- исключение «ручного обсчета» контролируемых параметров и возможности субъективных погрешностей при оценке параметров;

- сокращение в 2-3 раза времени калибровки УФСП предложенной конфигурации в сравнении со временем калибровки УФСП «обычной» конфигурации;

- проведение эксперимента, обработку данных, получение точностных паспортных характеристик прибора согласно методике [5], а также паспортизацию этих параметров.

Таким образом, предлагаемый комплексный измерительный стенд, обеспечиваю-

38

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009