КОМПЛЕКТ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ИЗБЫТОЧНОГО БЛОКА МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ

Полезная модель относится к обучающей системе по исследованию принципа действия, конструкции и алгоритмов обработки информации инерциальных датчиков, а именно, к разработанному в рамках этой системы для технических вузов комплекту оборудования для лабораторного практикума по исследованию избыточного блока микромеханических акселерометров.
Известны блоки инерциальных датчиков, такие как:
- бесплатформенный инерциальный измерительный блок (патент РФ №2162203, МПК G01C 21/00),
- бесплатформенный инерциальный блок с избыточным количеством чувствительных элементов («Разработка конфигурации бесплатформенного инерциального блока с избыточном количеством чувствительных элементов» /Цуцаева Т.В. 2001, УДК 629.7.058.82),
- инерциальный измерительный блок (Водичева Л.В. «Повышение надежности и точности бесплатформенного инерциального измерительного блока при избыточном количестве измерителей» // Гироскопия и навигация. -1997. -1(16). -С.55-67.),
- универсальный навигационный прибор (патент РФ №226328821). Использование указанных выше устройств в качестве оборудования для обучающей системы затруднено в виду сложности конструкции, отсутствия возможности исследования влияния взаимной ориентации осей чувствительности акселерометров, уровня шумов датчиков и измерительных шумов, алгоритмов обработки информации на точность определения трех компонент вектора кажущегося ускорения, математического моделирования работы избыточных блоков разной конфигурации и сопоставления теоретических и экспериментальных результатов, отсутствие устройств визуализации процессов.
Наиболее близким аналогом является блок бесплатформенной системы ориентации и включающая его система визуализации и регистрации движения подвижных объектов (патент РФ №2336496 С1, 2008 г.), содержащая три измерительных блока, каждый из которых содержит микромеханические гироскопы и акселерометры, расположенные в измерительном блоке на отдельных печатных платах, измерительные оси акселерометра параллельны плоскости печатной платы и соответствующим осям опорной системы координат, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, микроконтроллер, интерфейсную плату, устройство коммутации, вычислительное устройство, блок системы сбора и передачи данных, систему визуализации и регистрации движения объектов, беспроводную локальную вычислительную сеть.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются микромеханические акселерометры, расположенные на отдельных печатных платах, аналого-цифровые преобразователи, коммутатор, вычислительное устройство и система визуализации и регистрации.
Недостатки этого устройства при использовании его в качестве обучающей системы состоят в том, что в нем реализована одна возможная схема построения блока датчиков, при которой измерительные оси трех акселерометров параллельны соответствующим осям опорной системы координат, что делает невозможным обучение схемам построения избыточных блоков акселерометров с учебным исследованием влияния степени избыточности и углов взаимной ориентации осей чувствительности акселерометров в блоке и по отношению к осям опорной системы координат на точность определения трех компонент вектора кажущегося ускорения в опорных осях.
Задачей полезной модели является создание возможности для изучения схем современных избыточных инерциальных измерительных блоков, для учебного исследования влияния степени избыточности и взаимной ориентации осей чувствительности акселерометров на точность блока, возможности исследовать влияние уровня шумов датчиков и алгоритмов обработки избыточной информации на точность определения трех компонент вектора кажущегося ускорения и визуализации результатов исследования.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание блока акселерометров, в котором имеется возможность изменения углов взаимной ориентации осей чувствительности датчиков (угла полураствора "конуса") для исследования влияния их на точность измерения трех компонент вектора кажущегося ускорения, возможность исследования влияния степени резервирования, уровня шумов и алгоритмов обработки на точность блока.
Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается комплект лабораторного оборудования для исследования избыточного блока микромеханических акселерометров, включающий поворотный стол, на платформе которого установлен исследуемый блок микромеханических акселерометров, многоканальный конвертер с аналого-цифровым преобразователем и буферной памятью, а также вычислительное устройство с системой визуализации результатов. Измерительный блок установлен на основании, выполненном в виде правильной шестигранной призмы, на боковых гранях которой закреплены печатные платы с акселерометрами, причем измерительные оси каждого акселерометра параллельны плоскости его печатной платы и соответствующей грани основания. Печатные платы закреплены на гранях с помощью крепежных устройств, обеспечивающих возможность изменения углов поворота плат при установке их на гранях вокруг осей, перпендикулярных плоскостям граней призмы. Выходы акселерометров соединены со входами многоканального конвертера, а выход последнего подключен к вычислителю с системой визуализации результатов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами: на фигуре 1 показано расположение печатных плат с акселерометрами на основании измерительного блока; на фигуре 2 приведена кинематическая схема; на фигуре 3 приведена функциональная схема комплекта; на фигуре 4 изображена плоскость боковой грани основания с крепежными отверстиями.
Оси Oxyz - опорная система координат, связанная с основанием блока;
Oξηξ - горизонтальный географический сопровождающий трехгранник;
1,2,…,6 - акселерометры, установленные на платах, оси чувствительности которых обозначены как xi, (i=1…6); α -установочный угол поворота плат вокруг осей, перпендикулярных плоскостям граней.
Осуществление полезной модели
Полезная модель представляет собой комплект в составе измерительного блока (фигура 1), состоящего из микромеханических акселерометров 1…6 типа ADXL-203, закрепленных на основании 7, выполненном из текстолита в виде правильной шестиугольной призмы, установленной на платформе поворотного стола КПА-5 (поз.8 на фиг.3). Печатные платы с акселерометрами закреплены на боковых гранях призмы так, что оси чувствительности xi (i=1…6) (фигура 2) параллельны плоскостям соответствующих печатных плат и граней призмы, с помощью крепежных устройств, например винтов, для чего на гранях призмы выполнены отверстия (фигура 4), обеспечивающие возможность изменения углов а поворота плат при установке их на гранях призмы вокруг осей, перпендикулярных плоскостям граней. Выходы акселерометров соединены со входами многоканального конвертера 9, например В-480, имеющего в своем составе 16-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь и буферную память на 64 Кслов. Выход конвертера подключен к последовательному порту персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ) (поз.10, фиг.3), играющей роль вычислителя и системы визуализации результатов.
Методика работы с установкой
На первом этапе на поворотном столе производится калибровка параметров акселерометров в поле тяготения. Для этого исследуемый блок поочередно устанавливается на платформе поворотного стола в положения, когда каждая пара граней основания перпендикулярна оси разворота платформы поворотного стола КПА-5. Преобразованные в цифровую форму сигналы с акселерометров вводятся в ПЭВМ, где вычисляются математические ожидания, дисперсии, значения корреляционных функций и спектральные характеристики акселерометров. После чего угол наклона платформы, а следовательно, и осей чувствительности акселерометров xi по отношению к местной вертикали, изменяют и повторяют измерения и обработку сигналов.
Таким образом строят статические характеристики акселерометров, определяют масштабные коэффициенты, нулевые сигналы и статистические характеристики каждого акселерометра.
На втором этапе исследуется влияние взаимной ориентации осей чувствительности акселерометров в блоке на точность определения трех компонент вектора кажущегося ускорения. Для этого платы с акселерометрами устанавливаются на боковых гранях основания под равными углами α по отношению к оси z призмы основания. При этом оси чувствительности акселерометров "укладываются" на образующие конуса с полууглом α при вершине. Далее платформа поворотного стола КПА-5 поворачивается на два угла φ и θ относительно системы координат Oξηξ, создавая три компоненты вектора кажущегося ускорения  на оси xyz основания, которые вычисляются в соответствии с выражениями
Сигналы с акселерометров вводятся в компьютер, где вычисляются оценки  вектора кажущегося ускорения по формулам
Выражения (1), (2) соответствуют методу наименьших квадратов и методу максимального правдоподобности.
В этих выражениях:
N - матрица направляющих косинусов осей чувствительности xi акселерометров i=1,2,…,6 по отношению к опорным осям x, у, z блока.
p
K-ковариационная матрица ошибок акселерометров, элементами которой являются дисперсии показаний акселерометров, определенные на первом этапе.
Выражение (3) соответствует построению блока акселерометров без использования избыточности. Матрица M[3×3] имеет вид:
Далее вычисляются оценки среднеквадратических погрешностей
Где  - математические ожидания соответствующих компонент вектора кажущегося ускорения, n - количество измерений.
После этого печатные платы с акселерометрами устанавливаются под другими углами а и процесс измерения и обработки повторяется. Таким образом получается зависимость ΔW(α), которая теоретически имеет минимум при α=54,75° (Водичева Л.В. «Повышение надежности и точности бесплатформенного инерциального измерительного блока при избыточном количестве измерителей» //Гироскопия и навигация. -1997. -1(16). -С.55-67).
Влияние степени избыточности блока акселерометров на его точность проверяется обработкой этой же информации по алгоритму (1), в котором поочередно обнуляется одна, две или три строки матрицы N, это соответствует блокам из пяти, четырех или трех акселерометров. Погрешности оценок вычисляются аналогично.
p
Влияние уровня шумов акселерометров на погрешности оценок компонент вектора кажущегося ускорения исследуется изменением величины диагональных элементов матрицы K и повторением обработки информации по алгоритму (2).
По окончании обработки результаты демонстрируются в виде таблиц и графиков.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет на современном научно-техническом уровне, в наглядной форме обеспечить изучение студентами схем построения инерциальных измерительных модулей, методике их испытаний и исследований с компьютерной обработкой и визуализацией результатов.