Оценивание и компенсация влияния линейных ускорений на выходной сигнал гироскопов инерциального микромеханического модуля

ЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

УДК 629.058

В.Б. Никишин, В.С. Шорин, П.Г. Чигирев, С.Ю. Панченко, С.А. Гривенев ОЦЕНИВАНИЕ И КОМПЕНСАЦИЯ ВЛИЯНИЯ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ НА ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ ГИРОСКОПОВ ИНЕРЦИАЛЬНОГО МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО МОДУЛЯ

Исследуется эффективность оценивания и компенсации

акселерометрических составляющих скоростей дрейфа современных микромеханических гироскопов. Предложено 2 способа калибровки коэффициентов влияния линейных ускорений на скорость дрейфа ММГ. По данным калибровки инерциального измерительного модуля ADIS16364 приведены результаты оценивания этих коэффициентов и компенсации, составляющих дрейфа ММГ.

Акселерометр, микромеханические гироскопы, информационноизмерительные комплексы, калибровка.

V.B. Nikishin, V.S. Shorin, P.G. Chigirev, S.J. Panchenko, SA. Grivenev EVALUATION AND COMPENSATION EFFECT LINEAR OUTPUT ACCELERATION GYRO INERTIAL MODULE MICROMECHANICAL

We study the efficiency of estimation and compensation of accelerometer drift velocity components of modern micro-mechanical gyroscopes. Proposed two ways to calibrate the influence coefficients of linear accelerations on the drift velocity of the MMG. According to the calibration of an inertial measurement unit ADIS 16 364 results of estimation of these coefficients and compensation components of the drift of MMG.

Accelerometer, micromechanical gyroscopes, information-measuring systems, calibration.

Применение микромеханических чувствительных элементов (ММЧЭ) позволяет создать информационно-измерительные комплексы, характеризующиеся малыми массой и габаритами, низким потреблением электроэнергии, существенно меньшей стоимостью, чем их традиционные аналоги для определения и регистрации параметров движения подвижных объектов. ММЧЭ нашли широкое применение в таких областях, как авиационная и автомобильная промышленность, робототехника, инклинометрия буровых скважин и профилемет-рия магистральных трубопроводов. Главной проблемой, препятствующей более эффективному использованию ММЧЭ в качестве основы систем ориентации и навигации, является достаточно высокий уровень инструментальных погрешностей. Вопросам калибровки инер-

131

циальных датчиков в научных публикациях последнее время уделяется большое внимание [1, 6], т.к. технические параметры чувствительных элементов среднего и низкого классов точности могут заметно изменяться во времени и требуют периодической проверки. Среди погрешностей ММГ следует особо выделить акселерометрические составляющие скоростей дрейфа гироскопов (АСДГ). В современных микромеханических гироскопах (ММГ) они, как правило, значительно превышают уровень вариаций скорости дрейфа в запуске. При этом отметим, что при быстром изменении ориентации подвижного объекта за счет АСГД быстро изменяются и суммарные скорости дрейфа ММГ, что затрудняет оценку и компенсацию нулевых сигналов. Таким образом, исследования достижимой точности оценивания и возможности эффективной компенсации АСГД в условиях подвижного основания являются актуальной задачей.

Целью данной работы является исследование стабильности коэффициентов влияния линейных ускорений на скорость дрейфа ММГ (G-sensitivity), возможности разделения зависящих и независящих от линейных ускорений составляющих скоростей дрейфа и последующей их компенсации при обработке сигналов ММГ.

В качестве ИИМ рассмотрим микросборку ADIS 16364, содержащую 3-х компонентный ММГ, 3-х компонентный микромеханический акселерометр (ММА).

Описание математических моделей ошибок ММЧЭ

Математическая модель, описывающая показания гироскопов, представляется в виде:

1 1 I

=

1 £ 1

1 + Sk

0

0

т1

0

1 + Scrn2 0

0

0

1 + Sk

D,

т

x1

т

т

+К

ж

x1

wv.

+

где Skwi — погрешность масштабного коэффициента

Ат1 I Wrn1

Ат2 + Wrn2

Ат3 _ Wrn3 _

го ММГ

C0S ам C0S вт1 Sin РтЛ — C0S вт1 sin ам ' 0 К12 К13 '

D т = — C0S Рт2 sin ат2 C0S ат2 C0S Рт2 Sin Рт2 , K = К 21 0 К 23

_ Sin в 6)3 — C0S вт3 Sin ат3 C0S ат3 C0S вт3 _ _К 31 К32 0

i = (1,3);

матрица, харак-

теризующая положение измерительных осей гироскопов относительно системы координат 0xix2x3, связанной с ПО и матрица коэффициентов G-sensitivity. Wxi - проекции вектора кажущегося ускорения ПО (показания i-го MMA, i = (1,3)); Ат - не зависящее от линейных ускорений смещение нуля i-го ММГ (i=(1,3)); woi - шумовая составляющая i-го ММГ.

Приведем основные технические характеристики ММГ, входящих в состав микросборки ADIS 16364:

- G-sensitivity, СКО - 0.05%/g;

- нестабильность нулевых сигналов в запуске, СКО - 0.007о/с;

- нелинейность масштабных коэффициентов, СКО - 0.1%;

- систематические составляющие нулевых сигналов, не более - 3о/с;

- погрешности выставки измерительных осей датчиков относительно объектового трехгранника - 0.5о.

Aнализ данных параметров наглядно показывает, что для микросборки ADIS 16364 ACДГ могут 7.. .15 раз превышать нестабильность нулевых сигналов в запуске.

Калибровка ММГ и анализ результатов

Калибровка ММГ производилась двумя способами:

- кантованием ММЧЭ, установленных на технологический кронштейн (рис 1);

- вращением ММЧЭ на поворотном стенде (рис 2).

Установка для калибровки гироскопов способом кантования включает в себя стол 1 (рис. 1), на котором установлено калибровочное основание 2, выставленное по горизонту с

помощью квадранта б с погрешностью не более ±5'. На калибровочное основание 2 устанавливается кронштейн 3, на котором закреплен MMЧЭ 4 ADIS 16364BMLZ фирмы Analog Devices с погрешностью не более ±5'. При калибровке способом вращения кронштейн 3 с MMЧЭ закреплялся на платформе поворотной установки 7 (рис. 2).

Методика калибровки базируется на использовании в качестве калибровочного воздействия силы тяжести. В ходе калибровки MMЧЭ изменяет свою ориентацию по отношению к направлению воздействия силы тяжести в результате:

1) кантования технологического кронштейна - последовательных переустановок кронштейна на разные грани; 2) непрерывного вращения технологического кронштейна вокруг горизонтальной оси с помощью поворотной установки.

В первом случае регистрируются в состоянии покоя нулевые сигналы всех MMT в каждом из установочных значений кронштейна, а во втором случае регистрируются при вращении основания сигналы MMT с осями чувствительности ортогональными с осью вращения.

Калибровка способом кантования была повторена б раз, с полным циклом переустановок на все грани кронштейна. Продолжительность во времени процесса калибровки составила около 4 часов. В табл. 1 и на рис. 3 приведены результаты оценивания коэффициентов G-sensitivity при калибровке способом кантования, на рис.4 приведены оценки скоростей дрейфов гироскопов до и после калибровки. Проанализировав полученные данные (табл. 1, рис. 3), следует отметить, что доверительный интервал (с вероятностью 95%) для среднего значения ошибок оценивания коэффициентов G-sensitivity MMT составляет ±0.01 %/g, что в 10...15 раз меньше допустимых значений этих коэффициентов по паспортным данным.

Для калибровки вторым способом кронштейн с HMM вращался поочередно вокруг каждой из осей в течение 10 мин. с угловой скоростью ~б°/с. В табл. 2 приведены результаты оценивания коэффициентов G-sensitivity при калибровке способом вращения.

На рис 4 изображены выходные сигналы гироскопа СОА и акселерометра Wx2 при вращении платформы вокруг оси Ох3. На рис.5 приведены графики низкочастотных составляющих дрейфа MMT до и после компенсации АСДГ и сдвига нуля.

По графикам Wx2 (рис. 4) и 1 (рис. 5) можно наблюдать корреляцию сигналов акселерометра и MMT до калибровки. По графику 2 (рис. 5) видно, что после калибровки и компенсации АСДГ указанная выше корреляция отсутствует - СКО низкочастотных составляющих уменьшилось в 3 раза (с 0.078 до 0.025 °/с).

Рис. 1. Калибровочный стенд для калибровки способом кантования

Рис. 2. Калибровочный стенд для калибровки способом вращения

Рис. З. Оценка коэффициентов G-sensitivity ММГ

Рис. 4. Сигналы гироскопа ох1 и акселерометра 'х2 при вращении платформы вокруг оси Ох3

Рис. 5. Низкочастотная составляющая скорости дрейфа ММГ: 1 (2) - до (после) компенсации

Таблица 1

Изменение коэффициентов О-вепвШу^у ММГ от измерения к измерению

Этапы эксперимента К12 К13 Кз1 К32 К21 К23

Последовательное вращение вокруг осей Ох3, Ох1; Ох2 -0.101 -0.013 -0.098 -0.151 0.146 0.044

-0.096 -0.011 -0.087 -0.155 0.143 0.049

-0.096 -0.011 -0.095 -0.139 0.144 0.065

Последовательное вращение вокруг осей Ох3, Охь Ох2 после часового перерыва -0.105 -0.015 -0.093 -0.157 0.130 0.055

-0.088 -0.004 -0.084 -0.143 0.141 0.064

-0.097 -0.014 -0.083 -0.149 0.140 0.060

Среднее значение -0.097 -0.011 -0.090 -0.149 0.140 0.056

СКО 0.005 0.004 0.0063 0.007 0.005 0.008

Таблица 2

Коэффициенты О-вепвШу^у ММГ полученные способом кантования

Вращение вокруг оси К12 К13 К31 К32 К21 К23

0x1 - - - -0.16 - 0.05

0X2 - -0.01 -0.09 - - -

О X со -0.11 - - - 0.14 -

Кроме этого скомпенсирована и систематическая составляющая скорости дрейфа ММГ, не зависящая от с точностью до нестабильности нулевого сигнала в запуске - смещение нуля уменьшилось с 0.185 до 0.012 °/с •

По результатам проведенных экспериментов, основанных на различных способах определения коэффициентов О^ешШуку ММГ, были получены сопоставимые значения (см. табл. 1 и табл. 2).

Выводы

Экспериментальные исследования стабильности во времени коэффициентов G-sensitivity ММГ показал, что на 4-х часовом временном интервале доверительный интервал (с вероятностью 95%) для среднего значения ошибок оценивания коэффициентов G-sensitivity ММГ составляет ±0.01%/g, что в 10...15 раз меньше допустимых значений этих коэффициентов по паспортным данным. Оценивание коэффициентов G-sensitivity ММГ позволяет компенсировать до 75% АСГД ММГ, что одновременно улучшает условия оценивания и компенсации низкочастотных составляющих дрейфа ММГ, не зависящих от g.

ЛИТЕРАТУРА

1. Распопов В.Я. Микромеханические гироскопы и акселерометры в системах управление движением / В.Я. Распопов // Рефераты докладов XXVII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. С. 1-16.

2. Вавилова Н.Б. Калибровка бескарданной инерциальной навигационной системы в сборе на грубых одностепенных стендах / Н.Б. Вавилова, А. А. Голован, Н.А. Парусников, И.Ю. Сазонов // XVII СПб. межд. конф. по интегрированным навигационным системам. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». 2010. С. 64-65.

3. Федоров А.Е. Стендовая калибровка инерциального измерительного блока БИНС при ограничениях по углам наклона / А.Е. Федоров, Д. А. Рекунов // XVII СПб. межд. конф. по интегрированным навигационным системам. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». 2010. С. 66-74.

4. Емельянцев Г.И. Об особенностях калибровки бескарданного инерциального модуля на волоконно-оптических и микромеханических гироскопах в составе интегрированной системы в условиях орбитального полета космического аппарата / Г.И. Емельянцев, Л.П. Несенюк, Б. А. Блажнов, А.П. Степанов // Гироскопия и навигация. 2008. № 2. С. 39-53.

5. Олейник Л.Н. Исследование характеристик инерциального модуля на базе микромеха-нических чувствительных элементов фирмы ANALOG DEVICES / Л.Н. Олейник, А.Н. Ткаченко // Навигация и управление движением : материалы докладов IX конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» / науч. редактор д.т.н. О.А. Степанов. : под общ. ред. акад. РАН Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». 2007. С. 319-325.

6. Патент РФ №2269813. Способ калибровки параметров бесплатформенного инерциального модуля // А.И. Синев, Ю.В. Чеботаревский, П.К. Плотников, В.Б. Никишин. 2004.

Никишин Владимир Борисович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Приборостроение» Саратовского государственного технического университета, руководитель группы «Навигационные технологии» ЗАО «Г азприборавтоматикасервис»

Чигирев Петр Григориевич -

инженер группы «Навигационные технологии» ЗАО «Газприборавтоматикасервис» им. Гагарина Ю.А. Панченко Сергей Юрьевич -

студент кафедры «Приборостроение» Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А.

Шорин Виталий Сергеевич -

ассистент кафедры «Приборостроение» Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А.

Гривенев Сергей Анатольевич -

студент кафедры «Приборостроение» Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А.

Статья поступила в редакцию 10.07.11, принята к опубликованию 21.11.11