ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к области навигационного приборостроения, а именно к инерциальным измерительным модулям на интегральных микроэлектромеханических датчиках угловой скорости.
Известны одно-, двух- и трехосные микроэлектромеханические (МЭМС) датчики угловых скоростей с вибрирующей чувствительной массой, например, интегральные гироскопы LPR403AL фирмы STMicroelectronics (LPR403AL. Datasheet, ). Недостатком этих устройств является существенная зависимость выходного сигнала датчика угловых скоростей от воздействия линейных и вибрационных ускорений, а также временной и температурный дрейф нуля датчика и значительный собственный угловой шум, свойственный всем МЭМС-датчикам угловой скорости.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является инерциальный измерительный модуль, содержащий аналоговый дифференциальный вычислитель и два одинаковых МЭМС-датчика угловых скоростей, установленных на общем базовом основании со встречным расположением осей чувствительности (Распопов В.Я. Микромеханические приборы. -М.: Машиностроение, 2007 г., стр 250-263, 355-369.), выбранный в качестве прототипа.
а
1
1a
2
2a
иим
1
2
Известный инерциальный измерительный модуль содержит пару одинаковых МЭМС-датчика угловых скоростей, установленных на общем базовом основании со встречным расположением осей чувствительности и аналоговый дифференциальный вычислитель, причем выходы датчиков соединены с входами аналогового дифференциального вычислителя. Выходное напряжение каждого датчика состоит из двух составляющих: напряжения, обусловленного измеряемой угловой скоростью Uω, и напряжения, вызванного действием линейных и вибрационных ускорений Uω. Выходное напряжение первого датчика будет равно U=Uω+Uω, а второго U=-Uω+Uω, результирующий сигнал на выходе инерциального модуля будет равен U=U+U≈2Uω, т.е. сигналы, обусловленные действием линейных и вибрационных ускорений, будут исключены из полезного сигнала при условии равенства характеристик датчиков. Крутизна инерциального модуля, содержащего пару датчиков, на выходе аналогового дифференциального вычислителя возрастает в два раза, а собственный угловой шум в √2≈1,41 раз.
Недостатком данного устройства является ограниченная эффективность компенсации влияния ускорения из-за различия реальных амплитудных и частотных характеристик двух МЭМС-датчиков, а также временной и температурный дрейф нуля выходного сигнала инерциального измерительного модуля.
Целью предполагаемой полезной модели является повышение точности измерения угловой скорости и снижение собственного углового шума инерциального измерительного модуля.
Данная задача решается за счет того, что в инерциальный измерительный модуль, содержащий пару одинаковых МЭМС-датчиков угловых скоростей, установленных на общем базовом основании со встречным расположением осей чувствительности и аналоговый дифференциальный вычислитель, входы которого соединены с выходами датчиков угловых скоростей, дополнительно введены две пары МЭМС датчиков угловых скоростей, два аналоговых дифференциальных вычислителя, трехканальный аналого-цифровой преобразователь, вычислитель медианы, цифровой сумматор, датчик температуры, трехосный цифровой датчик линейных ускорений, микропроцессорный вычислитель и последовательно соединенные цифровой фильтр и последовательный интерфейс, причем выходы трех аналоговых дифференциальных вычислителей соединены с входами трехканального аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с первым, вторым и третьим входами цифрового сумматора и с входами вычислителя медианы, выход которого соединен с четвертым входом цифрового сумматора, причем выходы цифрового сумматора, датчика температуры и трехосного цифрового датчика линейных ускорений соединены с первым, вторым и третьим информационными входами микропроцессорного вычислителя, выход которого соединен с входом цифрового фильтра.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 показана структурная схема инерциального измерительного модуля.
Инерциальный измерительный модуль содержит три пары МЭМС датчиков угловых скоростей 1, 2 и 3, установленных на базовом основании 4, три аналоговых дифференциальных вычислителя 5, 6 и 7, трехканальный аналого-цифровой преобразователь 8, вычислитель медианы 9, цифровой сумматор 10, датчик температура 11, трехосный цифровой датчик линейных ускорений 12, микропроцессорный вычислитель 13,, цифровой фильтр 14 и последовательный интерфейс 15.
Указанные блоки представляют собой:
1,2,3 - три пары МЭМС-датчиков угловых скоростей, например, интегральные гироскопы LPR403AL фирмы STMicroelectronics;
4 - базовое основание - конструктивный элемент, например, печатная плата, на которую с двух сторон попарно установлены МЭМС датчики;
5, 6, 7 - аналоговые дифференциальные вычислители, например, на операционных усилителях типа AD8552ARZ (“Analog Devices”) с дифференциальным входом и масштабными резисторами;
8 - трехканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), например, встроенный 12-разрядный АЦП микроконтроллера семейства ARM Cortex-МЗ;
9 - вычислитель медианы (выбор среднего члена), например, реализуется программным методом на микроконтроллере;
10 - цифровой сумматор, например, реализуется программным методом на микроконтроллере;
11 - датчик температуры, например, встроенный термодатчик микроконтроллера;
12 - трехосный цифровой датчик линейного ускорения, например,типа LIS3DH (“STMicroelectronics”);
13 - микропроцессорный вычислитель, например, на 32-разрядном микроконтроллере семейства ARM Cortex-M3;
14 - цифровой фильтр, например, цифровой НЧ-фильтр Баттерворта, реализуется программным методом на микроконтроллере;
15 - последовательный интерфейс, например, встроенный цифровой интерфейс UART микроконтроллера.
Инерциальный измерительный модуль работает следующим образом.
a
Выходное напряжение каждого МЭМС датчика угловых скоростей 1, 2 и 3 состоит из двух составляющих: напряжения, обусловленного измеряемой угловой скоростью Uω, и напряжения, вызванного действием линейных и вибрационных ускорений Uω. Датчики установлены попарно на общем базовом основании 4 со встречным расположением осей, поэтому полезная составляющая, обусловленная измеряемой угловой скоростью Uω, у каждой пары будет иметь разные знаки. Результирующие сигналы на выходе каждого из аналоговых дифференциальных вычислителей 5, 6 и 7 будут равны ≈2Uω, т.е. сигналы, обусловленные действием линейных и вибрационных ускорений, будут частично исключены из полезного сигнала, при этом происходит параллельное измерение угловой скорости тремя парами датчиков с практически независимыми погрешностями.
Трехканальный аналого-цифровой преобразователь 8 осуществляет оцифровку выходных сигналов аналоговых дифференциальных вычислителей 5, 6 и 7 и передает их в вычислитель медианы 9 и одновременно на три входа цифрового сумматора 10. Вычислитель медианы осуществляет выбор среднего члена через операции математической логики с помощью минимаксных схем
Med(ω1, ω2, ωЗ) = max [min ω1 ω2; min ωI ω3; min ω2 ω3], где (ω1, ω2, ω3) - результирующие сигналы угловых скоростей.
Вычисление реализуется программным методом на микропроцессорном вычислителе 13, вычисленное значение медианы поступает на четвертый вход цифрового сумматора 10.
Цифровой сумматор 10 осуществляет суммирование четырех сигналов, при этом сигнал среднего значения суммируется с коэффициентом два, сигналы крайних значений с коэффициентом один, при этом крутизна сигнала угловой скорости на выходе сумматора 10 возрастает в 8 раз, а собственный угловой шум инерциального модуля с 6-ю датчиками в √6=2,45 раз. Суммирование сигналов реализуется программным методом на микропроцессорном вычислителе 13.
Цифровой микропроцессорный вычислитель 13 осуществляет прием данных о температуре с датчика 11 и значений линейного ускорения с трехосного цифрового датчика линейных ускорений 12.
Наличие данных о температуре, поступающих с датчика температуры 11, позволяет компенсировать температурные уходы нулей датчиков из составляющей угловой скорости.
x
у
z
На выходе сумматора 10 формируется усредненный сигнал первичного измерения угловой скорости, в котором наряду с полезным сигналом присутствует сигнал ошибки измерения от неполной компенсации линейного ускорения на выходах аналоговых дифференциальных вычислителей 5, 6 и 7. Наличие данных линейного ускорения по осям X, Y и Z(a, а и a) с трехосного датчика линейных ускорений 12 используется для вычисления компенсированного значения угловой скорости по формуле:
Σ
Ωx
x
Ωу
у
Ωz
z
Ω=Ω-K·a-K·а-K·a,
х
у
z
где - а, а и a. значения ускорений по осям X, Y и Z;
Ωх
Ωу
Ωz
- K, K и K - масштабные коэффициенты влияния ускорения по осям X, Y и Z.
Ωх
Ωy
Ωz
Масштабные коэффициенты K, K и K определяются экспериментальным путем при калибровке инерциального модуля и заносятся в энергонезависимую память микропроцессорного вычислителя 13.
Цифровой фильтр 14 осуществляет фильтрацию данных с учетом требования к фазо-частотным характеристикам и выдает их потребителю через последовательный интерфейс 15. Потребитель, в зависимости от условий применения инерциального измерительного модуля, может задавать по двухстороннему цифровому последовательному интерфейсу 15 оптимальную полосу пропускания цифрового фильтра 14.
Введение избыточного количества МЭМС датчиков угловой скорости, датчика температуры и цифрового трехосного датчика линейного ускорения, а так же цифровой обработки сигналов измерения микропроцессорным вычислителем позволяет значительно повысить точность инерциального измерительного модуля за счет снижения уходов нулей и собственного углового шума датчиков, так как при суммировании сигналов “n” датчиков крутизна возрастает в “n” раз, а шумы в √”n” раз, что улучшает соотношение “сигнал-шум”. Введение температурной компенсации и усреднения данных шести датчиков позволяет минимизировать уходы нулей выходного сигнала инерциального измерительного модуля, а введение компенсации влияния ускорения по данным датчика линейных ускорений позволяет минимизировать влияние линейных и вибрационных ускорений. Реализация полезной модели инерцильного измерительного модуля на широкодоступных дешевых МЭМС - датчиках угловой скорости «грубой» точности позволяет получить технические характеристики, соизмеримые с характеристиками инерциальных измерительных модулей на дорогих электромеханических датчиках с динамически настраиваемыми или волоконно-оптическими гироскопами.