WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 |

«Дао Ван Ба ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯПОГРЕШНОСТЕЙ ТРИАДЫ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ 05.11.03 – Приборы навигации Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических ...»

-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

На правах рукописи

Дао Ван Ба

ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯПОГРЕШНОСТЕЙ

ТРИАДЫ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ

05.11.03 – Приборы навигации



Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., доцент Боронахин А.М.

Санкт-Петербург – 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

Обзор инерциальных датчиков 1.1 1.1.1 Инерциальные датчики и системы 1.1.2 МЭМС инерциальные датчики 1.1.3 Области применения акселерометров. 14 1.1.4 Микромеханические акселерометры в задачах навигации 17 Традиционные методы и схемы испытания акселерометров 1.2 1.2.1 Статический режим испытания акселерометров 21 1.2.2 Динамические методы испытания акселерометров 25 Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОГО МЕТОДА

ИССЛЕДОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ТРИАДЫ

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ 31

2.1 Системы координат и ускорение триады при сложном движении 2.1.1 Системы координат и матрицы поворотов 31 2.1.2 Входные воздействия на акселерометры при угловых колебаниях на двухосном стенде испытаний 35

2.2 Динамический метод исследования погрешностей триады микромеханических акселерометров 38 2.2.1 Алгоритм выработки кинематических параметров триады микромеханических акселерометров 38 2.2.2 Блок-схема алгоритма выработки кинематических параметров 50 2.2.3 Методическая погрешность 55 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ВЫРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К СРЕДСТВУ

ИСПЫТАНИЙ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ДИНАМИЧЕСКОГО МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ

ПОГРЕШНОСТЕЙ ТРИАДЫ ММА 57

Выработка требований к средству испытаний 57 3.1 3.1.1 Инструментальные погрешности средства испытаний 57 3.1.2 Требования к средству испытаний 58 3.1.3 Выбор времени съема данных 63

3.2 Имитационное моделирование динами

–  –  –

ВВЕДЕНИЕ

Области применений микромеханических

Актуальность темы:

инерциальных датчиков непрестанно расширяются. Благодаря своим малым габаритным характеристикам, энергопотреблению и себестоимости, формируется новый сегмент рынка миниатюрных бесплатформенных инерциальных навигационных систем Микромеханические (БИНС).

акселерометры (ММА) обеспечивают широкий диапазон измерений и точностные характеристики ИНС среднего класса. Однако требования к точностям инерциальных датчиков и систем на их основе при решении задач навигации и ориентации с каждым днем ужесточаются, что приводит к необходимости совершенствования методов их испытаний с целью получения достоверных математических моделей погрешностей, учитывающих динамические характеристики и условия дальнейшей эксплуатации.

Наиболее используемыми на сегодняшний день методами испытания акселерометров являются: методы с использованием вращающихся платформ поворотов в гравитационном поле Земли, линейно (центрифуг), перемещающихся платформ [1], скоростной метод [2], скалярный метод испытаний 3-х осных блоков взаимно ортогональных (триад) акселерометров [3, 4] и т.д. К их основным недостаткам следует отнести: 1) сложность конструкции; 2) жесткие требования к начальной выставке; 3) в ряде случаев отсутствие возможности оценивания углов взаимной неортогональности измерительных осей триады; 4) значительное время подготовки и проведения испытания.

Следует отметить, в первую очередь, тот факт, что триады ММА широко применяются на высокоманевренных объектах, характерной особенностью которых является непостоянство положения центра качения в приборной системе координат. Помимо этого, в большинстве случаев взаимное расположение ММА в триаде таково, что их оси чувствительности не пересекаются в одной точке, кроме того, в случае использования трехосного ММА, эта точка отстоит от начала приборной системы координат измерительного блока. Данные конструктивные особенности, характеризуемые радиус-векторами, должны оцениваться на стадии испытаний и учитываться в дальнейшем в алгоритмах БИНС.





Выше сказанное позволяет утверждать, что актуальным является разработка новых динамических методов исследований погрешностей триады ММА, предполагающих проведение испытаний в условиях, близких к реальному режиму движения объекта. При этом необходимо без потери точности характерной для традиционного метода поворотов в гравитационном поле Земли сократить время испытаний, что в свою очередь позволит снизить требования к точности начальной выставки стенда.

Целью работы является разработка динамического метода исследований погрешностей триады микромеханических акселерометров.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализ существующих методов испытаний акселерометров;

2. Разработка динамического метода исследования погрешностей триады ММА, учитывающего взаимное расположение осей чувствительности акселерометров, позволяющего сократить время испытания и тем самым снизить требования к выставке стенда;

3. Выработка требований к испытательному стенду;

4. Проверка эффективности предложенного метода путем имитационного моделирования;

5. Экспериментальные исследования динамического метода исследования погрешностей триады ММА на двухосном стенде.

Методы исследований:

При решении поставленных задач в работе использовались основные положения теоретической и аналитической механики, векторной и матричной алгебры, методов математического и имитационного моделирования, теории статистической обработки экспериментальных данных.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Исследования погрешностей акселерометров в режиме колебательных угловых движений позволяют сократить время испытаний, благодаря динамическому изменению входных воздействий;

2. Динамический метод, в отличие от статических, позволяет снизить погрешность калибровки за счет учета взаимного расположения акселерометров в триаде;

3. Совместная обработка показаний испытуемой триады микромеханических акселерометров и датчиков углов позволяет оценить погрешность начальной выставки стенда и тем самым скорректировать ее влияние на результаты калибровки.

Научная новизна:

В процессе проведения исследовании получены новые научные результаты:

1. Разработан динамический режим испытания акселерометров, в отличие от стандартного метода, предполагающий колебательное движение;

2. Разработан алгоритм испытания акселерометров, учитывающий геометрическое местоположение триады акселерометров от центра качания;

3. Предложена схема комплексирования показаний ММА с показаниями датчиков углов, позволяющая оценить погрешности выставки стенда в плоскости горизонта.

Практическая ценность работы:

1. Разработанный метод испытания по сравнению со статическим методом позволяет сократить время испытаний ММА на порядок;

2. Программное обеспечение, разработанное в среде Matlab, позволяет имитировать показания триады микромеханических акселерометров в режиме угловых колебаний и может быть использовано в учебном процессе для исследования погрешностей инерциальных навигационных систем;

3. Предложенный алгоритм позволяет снизить требования к выставке средства испытаний.

Реализация и внедрение результатов работы:

Результаты, полученные в работе, внедрены в учебный процесс СанктПетербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) на кафедре лазерных измерительных и навигационных систем, а также использованы при проведении научных исследований при финансовой поддержке НИР в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности № 8.1068.2014/K (теоретические исследования) и ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы», проект 14.541.21.0043 (экспериментальные исследования).

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

международной научно-практической конференции

1. VIII «Современные проблемы машиностроения» СПМ – 2014, 16 –18 октября 2014 г., Томск, Россия;

2. Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава университета, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт Петербург, Россия (2011,2013 и 2015 г.).

Публикации:

Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 7 публикациях, среди которых 2 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 1 статья в другом издании, 4 – в научных сборниках и трудах российских и международных конференций.

Содержание диссертации:

В первой главе выполнен обзор современного состояния микромеханических инерциальных датчиков, а также рассмотрены области применения микромеханических акселерометров. Так, например, показано, что на высокоманевренных объектах отстояние акселерометров от изменяющегося в приборной системе координат центра качания приводит к возникновению дополнительных составляющих ускорений, которые должны оцениваться в алгоритмах инерциальных навигационных систем. Поэтому необходимо уже на стадии испытаний учитывать данное отстояние, вплоть до взаимного расположения акселерометров в триаде конструктивные характеристики.

Проведен анализ существующих на сегодняшний день методов испытаний акселерометров, который показал актуальность разработки динамического метода исследования погрешностей, обладающего достоинствами и исключающего недостатки традиционных методов.

Во второй главе приведено описание предлагаемого динамического метода исследований погрешностей акселерометров на двухосном стенде в режиме квазигармонических угловых движений. Приведена схема совместной обработки показаний триады ММА и датчиков углов стенда, в основе которой используется оптимальный фильтр Калмана. Предложены к оцениванию следующие дополнительные параметры: погрешности выставки стенда в плоскости горизонта, систематические погрешности датчиков угла, погрешность радиус-вектора, характеризующего положения акселерометров в приборной системе координат относительно центра качания (учитывается взаимное расположение акселерометров в триаде).

В третьей главе сформулированы требования к средству испытаний и смоделирована работа алгоритма, реализующего динамический метод исследования погрешностей акселерометра. Исследовались влияния таких погрешностей как погрешности начальной выставки стенда в плоскости горизонта, систематические погрешности датчиков угла стенда и погрешности радиус-вектора. Результаты показали, что с помощью предложенного метода можно оценивать эти погрешности и корректировать их вклады в оценки коэффициентов математической модели триады акселерометров. Это позволило снизить требования к точности задания ориентации как средства испытания, так и самой триады относительно плоскости горизонта. Кроме этого, предложенный метод позволил оценить положения триады акселерометров в приборной системе координат.

В четвертой главе приведены результаты серии экспериментальных исследований погрешностей триады микромеханических акселерометров:

1) с использованием стандартного метода испытаний в режиме угловых позиционирований относительно вектора ускорения свободного падения; 2) с использованием предложенного динамического метода в режиме динамического квазигармонического углового движения. Сравнительный анализ показал эффективность полученных в диссертационной работе решений.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙМИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

1.1 Обзор инерциальных датчиков 1.1.1 Инерциальные датчики и системы На сегодняшний день инерциальные технологии применяются не только в системах навигации и управления движением, но и для решения задач в таких областях как геодезия, топография, гравиметрия, метрология, логистика и др. [5].

В последние годы можно выделить три основные технологии в разработке инерциальных датчиков: кольцевой лазерный гироскоп, волоконно-оптический гироскоп и микроэлектромеханические датчики и системы (МЭМС). Лазерные гироскопы применяются во многих задачах благодаря высокой стабильности масштабного коэффициента и незначительной g-чувствительности. Волоконно-оптические гироскопы были разработаны как более дешевая альтернатива лазерных гироскопов и используются в аналогичных лазерным гироскопам задачах.

Инерциальные датчики характеризуются широким диапазоном по точности. Технические характеристики инерциальных датчиков различных классов точности показаны в таблице Современные МЭМС 1.1.

инерциальные датчики полностью охватывают низкий класс точности [6-9].

Таблица 1.1 Классы точности инерциальных датчиков Характеристика Характеристика Класс точности гироскопа акселерометра

–  –  –

Инерциальные навигационные системы (ИНС) в автономном режиме, из-за погрешностей чувствительных элементов и (гироскопов акселерометров) и погрешностей модели поля силы тяжести, обладают недостаточной точностью определения местоположение объекта. Эти погрешности приводят к растущим во времени погрешностям выработки местоположения. Для объектов с коротким временем движения такие погрешности могли бы быть приемлемыми, но для транспортных средств, имеющих более длинную продолжительность движения, обычно необходимо обеспечить периодические обновления навигационной информации. При этом показания инерциальной системы обновляются максимально часто, такие системы называются комплексированными навигационными системами. Они реализуют принцип избыточности, когда один и тот же навигационный параметр измеряется несколькими навигационными системами. В таких системах ИНС играют роль основной системы, а в качестве дополнительной системы выступают спутниковые навигационные системы (СНС), компасы, лаг, одометр и т.д. [10]. При этом ИНС должна обеспечить автономную навигационную информацию во время потери сигнала от СНС.

Анализ тенденции развития технологии ИНС/СНС систем показал, что комбинация приемника СНС и недорогостоящей инерциальной системы в будущем обеспечит глобальную точную навигационную систему. На рисунке 1.1 показаны стоимости ИНС или ИНС/СНС в зависимости от типа технологий инерциальных датчиков и их характеристик. Стоимость приемника СНС обычно незначительна. Системы классифицированы как:

системы на лазерных гироскопах или волокно-оптических гироскопах, содержащие различные типы акселерометров; кварцевые системы с кварцевыми гироскопами и кварцевыми акселерометрами; МЭМС с системами интегральной оптики. Сплошная линия указывает диапазон ожидаемой стоимости. Системы на волоконно-оптических гироскопах потенциально могут иметь более низкую стоимость, чем системы на лазерных гироскопах. Однако до настоящего времени этого не произошло, потому что лазерные гироскопы находятся в относительно крупном производстве на благоустроенных фабриках, а волоконно-оптические гироскопы в настоящее время не производятся в сопоставимых масштабах.

МЭМС с системами интегральной оптики предполагают самую низкую стоимость. Окончательно низкая стоимость становится возможной только при массовом производстве (миллионы экземпляров). Это может быть достигнуто только с концентрацией многоосных датчиков и электроники в одной микросхеме или в смежных микросхемах [11].

–  –  –

1.1.2 МЭМС инерциальные датчики Расширение области применения инерциальных датчиков приводит к тенденции создания приборов, имеющих уменьшенные показатели по весу, размеру, энергопотреблению и себестоимости при безусловном выполнении целевой функции с заданной точностью. Поэтому МЭМС датчики угловой скорости и линейных ускорений в комплексе со встроенной электроникой получают все более широкое распространение [12].

МЭМС датчики являются ключевой развивающей технологией для миниатюрных инерциальных навигационных систем. Они также характеризуются высокой прочностью и могут выдержать большие ударные нагрузки. Эти характеристики привели к быстрому расширению областей применения. МЭМС технология создала новый сегмент рынка для инерциальной навигации, а именно, навигация беспилотных летательных аппаратов, автомобилестроение, миниатюрные СНС-интегрированные персональные навигаторы и т.д.

Достижение в области микроэлектроники привело к появлению микромеханических устройств, выполненных с использованием технологий электронной промышленности. Применение таких устройств для измерения параметров движения подвижных объектов различного назначения ознаменовало значительные изменения в инерциальной технике [13, 14].

По данным исследователей из лаборатории имени Чарльза Старка Дрейпера (Charles Stark Draper), США, в 2008 году было произведено 752 млн. единиц МЭМС акселерометров и гироскопов, МЭМС датчики доминируют на рынке автомобильной и бытовой электроники. Также приводятся данные, что доля инерциальных датчиков МЭМС на рынке электроники в 2013 году составила $3 млрд. [15 - 18].

Переход на МЭМС технологии, прежде всего, продвигает развитие МЭМС гироскопов. Их низкая стоимость может быть достигнута только за счет усиления доли промышленного производства для массового потребления, что обеспечит инфраструктуру для поставки МЭМС датчиков в чрезвычайно больших количествах (порядка миллионов штук).

Электромеханические датчики широко используются не только в силу относительно невысокой для обеспечиваемых характеристик стоимости, но и вследствие отсутствия альтернативных технологий, за исключением кварцевых резонаторов, которые используются в областях с менее жесткими требованиями по точности. Однако МЭМС датчики еще не заняли серьезное место на рынке, но тенденция к этому очевидна, особенно в областях применения для массового потребителя.

В ближайшем времени ожидается, что в сегменте акселерометров низкой точности будут представлены в основном микромеханические датчики. Как и для гироскопов, для акселерометров рынок будет требовать развития датчиков для применений в «умных» приложениях. В сегментах датчиков более высокой точности продолжат использовать механические акселерометры и, возможно, резонансные акселерометры, основанные на кварце или кремнии. Кварцевые резонансные акселерометры широко распространились в коммерческих применениях. Кремниевые микромеханические резонансные акселерометры также разрабатываются. У обеих технологий есть возможные пути улучшения характеристик датчиков.

Ожидается, что МЭМС технология и технология интегральной оптики могут доминировать в сегментах датчиков низкой и средней точности.

Объясняется это тем, что, во-первых, за последние десятилетия характеристики МЭМС устройств значительно улучшились, и прогнозируется сохранение данной тенденции. Ожидание дальнейшего усовершенствования технологий является весьма оправданным. Во-вторых, уже продемонстрированы прототипы систем, где все шесть датчиков размещены в одной или двух микросхемах, и это является единственным способом достигнуть поставленной цели – уменьшение стоимости до 1000 долл. за систему ИНС/СНС. При этом вероятно, что технологические решения для акселерометра будут реализованы на несколько лет раньше, чем для гироскопа.

Загрузка...

1.1.3 Области применения акселерометров.

Рисунок 1.2 иллюстрирует требования к стабильности смещения нуля и масштабного коэффициента акселерометра для различных применений, а также типы акселерометров, соответствующие данным требованиям [11].

Важнейшим исходным положением для планирования испытаний датчиков навигационных приборов, комплексов и систем является необходимость ориентироваться на определенные области применения, для которых совершенно различны значимые параметры и характеристики датчиков [12]. Основными параметрами акселерометра являются диапазон измеряемых ускорений, чувствительность (масштабный коэффициент), выражаемая обычно как отношение сигнала в вольтах к ускорению, нелинейность от полной шкалы в процентах, шумы, температурные дрейфы нуля (смещения) и масштабного коэффициента.

В ряде случаев существенной характеристикой оказывается собственная частота колебаний сенсора 0 или резонансная частота 0, определяющая рабочую полосу частот датчика. В большинстве применений важны температурный диапазон и максимально допустимые перегрузки характеристики, связанные с условиями эксплуатации датчиков.

–  –  –

температурные), а также шумы датчика, ограничивающие порог разрешения устройства. Чувствительность датчика зависит от резонансной частоты механической подсистемы, а также качества электронного преобразователя.

Акселерометры можно использовать в любом устройстве, работа которого связана с перемещением, наклоном, вибрацией. Приведем некоторые типичные применения акселерометров [19 - 21]:

Автомобилестроение. Одно из наиболее массовых приложений для акселерометров в настоящее время. Датчики ускорения используются в данном случае в целях безопасности при превышении максимально допустимого ускорения срабатывает система безопасности (подушки безопасности). Кроме этого они используются в противоугонных системах как измерители угла наклона и вибраций. В первом случае используются датчики диапазона порядка и выше, во втором более 35–50g – чувствительные (1–5g); измерение высокочастотных вибраций также может потребовать несколько больший диапазон. Акселерометры могут использоваться для кратковременной навигации при отсутствии СНСсигнала, а также для диагностики автомобиля.

Авионика. Датчики ускорения широко используются в системах управления летательными аппаратами, а также в космических системах.

Измеряются и вибрации, и квазистатические ускорения.

Широчайшее поле для использования Промышленность.

акселерометров. Любой транспорт, подъемное оборудование, устройства безопасности, системы стабилизации положения, тестовые стенды и многое другое. Применяются датчики любого диапазона.

Бытовая техника. Акселерометры применяются и могут значительно больше применяться во многих видах бытовой техники. Например, для уменьшения вибраций (стиральной машины и др.).

Резкое изменение ускорения Системы защиты от падения.

наблюдается сразу после начала падения, что дает возможность перевести систему в наиболее безопасное состояние. Типичный пример защита жесткого диска в ноутбуках или других мобильных устройствах. Во время падения происходит парковка магнитной головки жесткого диска.

Акселерометры применяются в системах Медицина и спорт.

диагностики, тренажерах, шагомерах и др.

Устройства ввода информации. Датчики ускорения используются в наладонниках, устройствах ввода для компьютерных игр, мобильных телефонах и т. д.

Главными источниками ошибок в инерциальной навигационной системе являются погрешности инерциальных датчиков и (гироскопов акселерометров), погрешности начальной выставки навигационной системы и неточности в модели силы тяжести, используемой в вычислениях. Но в настоящее время во всех инерциальных навигационных системах самые большие ошибки происходят именно из-за погрешностей инерциальных датчиков.

1.1.4 Микромеханические акселерометры в задачах навигации

На сегодняшний день МЭМС датчики открывают возможность создания миниатюрных инерциальных навигационных систем для высокоподвижных объектов, таких как беспилотные летательные аппараты (БПЛА), быстроходные суда и т.д. Область применения БПЛА весьма обширна: от сельского хозяйства и строительства до нефтегазового сектора и сектора безопасности. Они могут использоваться в работе служб по чрезвычайным ситуациям (контроль пожарной безопасности); предприятий сельского хозяйства (наблюдение за посевами), лесничества и рыболовства (лесоохрана и контроль рыбного промысла); полиции (патрулирование зон); институтов географии и геологии; компаний нефтегазового сектора (мониторинг нефтегазовых объектов); компаний, занимающихся геодезией (картографирование); строительных предприятий (инспектирование строек);

средств массовой информации (аэрофото- и видео съемка) и др. Перечень некоторых версий БПЛА современных копаний в мире представлен разработками: SkyPatrol-100 от ООО "Техноком Групп"; Т23 «Элерон»

завершена в 2003 году компанией «ЭНИКС»; DELTA-M от ООО НПП "Автономные аэрокосмические системы – Гео Сервис" (Россия); General Atomics ALTUS компании General Atomics Aeronautical Systems (США);

Aerosonde компании Aerosonde Ltd (США); серия БПЛА LP960, LV580, LM450 компании Lehmann Aviation (Франция); Aerostar (Рисунок 1.3) компании Aeronautics Defense Systems и Firebird 2001 (Израиль) и т.д. [22, 23].

Рисунок 1.3 БПЛА Aerostar Для вышеперечисленных применений требуются малые габариты и энергопотребление бортовых инерциальных навигационных систем, что является определяющим при выборе систем на МЭМС датчиках.

В зависимости от решаемых задач БПЛА, в их составе имеются триады инерциальных датчиков (микромеханических гироскопов и акселерометров), а также барометрический высотомер и трехосный магнитометр.

Комплексируя показания этих датчиков с данными приемника СНС, в том числе используя для коррекции датчики температуры и влажности, система вырабатывает полное навигационное решение по координатам и углам ориентации. Обобщенная функциональная схема БИНС для БПЛА приведена на рисунке 1.4.

Гироскопы и акселерометры вместе с сервисной электроникой объединяются в инерциальный измерительный модуль (ИИМ), являющийся источником первичной навигационной информации. Информация с гироскопов в виде проекций вектора абсолютной угловой скорости c на связанные с БПЛА оси вводится в алгоритм определения ориентации, который основан на решении кинематических уравнений, записанных относительно искомых параметров ориентации. В качестве параметров ориентации могут быть использованы углы Эйлера-Крылова, направляющие косинусы, кватернионы и др. Наиболее часто в алгоритмах БИНС используются кватернионы, которые для передачи на регистрирующие устройства пересчитываются в традиционные углы рыскания, тангажа и крена. В алгоритме определения ориентации также формируется матрица С, с помощью которой осуществляется пересчет информации из связанной системы координат в горизонтную (географическую). Для определения матрицы С необходимым является привлечение информации об абсолютной угловой скорости горизонтного трехгранника Информация с g.

акселерометров в виде проекций вектора кажущегося ускорения nс на оси связанной системы координат передается в блок пересчета, с помощью которого осуществляется перепроектирование проекций кажущегося ускорения nс, измеренных акселерометрами, на оси горизонтной системы координат ng. Информация о проекциях кажущегося ускорения на оси горизонтной системы координат поступает в навигационный алгоритм, где вырабатываются координаты местоположения объекта X, Y, Z и скорость V.

Здесь же определяется абсолютная угловая скорость g горизонтной системы координат, поступающая в алгоритм определения ориентации [24].

Такие высокоподвижные объекты характеризуются высокой динамикой маневрирования, качкой и непостоянством центра качания в приборной системе координат. Другими словами, они участвуют в сложном движении относительно центра качания. Отстояние акселерометров от изменяющегося центра качания приводит к дополнительному ускорению. При решении задачи навигации для таких объектов необходимо оценить текущее отстояние датчиков от центра качания вплоть до учета местоположения акселерометров внутри инерциального модуля, т.е. необходимо учитывать конструктивные характеристики.

Рисунок 1.4 Функциональная схема БИНС для БПЛА Точность работы навигационных систем в значительной степени зависит от качества выполнения исследований адекватности математических моделей погрешностей инерциальных измерительных модулей, используемых в алгоритмах бортового вычислителя.

Требования к точностям инерциальных датчиков и систем на их основе при решении задач навигации и ориентации с каждым днем ужесточаются. Это приводит к необходимости совершенствования методов и средств испытаний таких систем с целью получения достоверных математических моделей их погрешностей.

Традиционные методы и схемы испытания акселерометров 1.2 Изучение литературы по испытанию акселерометров [1 - 4, 25 - 38] показало, что в настоящее время используется значительное количество методов испытаний, которые по режимам проведения условно можно разделить на статические и динамические.

1.2.1 Статический режим испытания акселерометров

Существуют следующие методы калибровки акселерометров в статическом режиме:

а) Стандартный метод испытаний метод поворотов в гравитационном поле Земли [1, 27, 30, 35, 39]. Этот способ является наиболее распространенным, что обусловлено простотой его реализации.

Измерительная ось акселерометра должна быть направлена по составляющей ускорения свободного падения. Для этого добиваются, чтобы измерительная ось акселерометра была расположена под некоторым углом к местной вертикали (см. рисунок 1.5). Здесь OS – географическая система координат, OS – местная вертикаль. В идеальном случае ускорение по измерительной оси а = gcos. Для реализации этого метода надо знать значение g и определить направление ускорения свободного падения в точке испытаний, от этого направления ведут отсчет угла.

Для испытаний акселерометра, в первую очередь, должно быть известно значение ускорения свободного падения в точке градуировки, которое в настоящее время определено с достаточно высокой точностью. Для реализации метода могут быть использованы две разновидности устройств – поворотные платформы с одной или двумя взаимно перпендикулярными осями поворота.

–  –  –

Рисунок 1.5 – К описанию стандартного метода испытаний акселерометров При реализации данного метода в общем случае формируется массив данных, а с использованием МНК получают гармоническую зависимость задаваемого ускорения от угла позиционирования (рисунок 1.

6).

–  –  –

, [°] Рисунок 1.6 – Зависимость действующего ускорения от угла позиционирования После чего получают выходную характеристику датчика. При этом возникает вопрос, по какому правилу задавать угол позиционирования.

Кроме того сталкиваются с проблемами определения величины действующего ускорения, вызванными наличием уклонения отвесной линии и погрешностью расположения датчика относительно оси поворота средства испытания.

б) Скалярный метод (шестипозиционный метод) используется для калибровки 3-х перпендикулярных акселерометров [3, 4, 25, 32, 40, 42]. Этот метод основан на том, что независимо от ориентации осей чувствительности датчиков в локальной системе координат при отсутствии внешних воздействий, сумма квадратов показаний трех перпендикулярных датчиков g x, g y, g z равна квадрату опорного воздействия g (ускорения свободного падения для акселерометров).

–  –  –

Отличие этого способа от других состоит в применении в качестве эталона не вектора, а скаляра, функционально связанного с этим вектором.

Подобная замена позволяет значительно повысить точность калибровки триады акселерометров. В результате точность выработанных коэффициентов математической модели не зависит от погрешностей ориентации триады в плоскости горизонта. Основной недостаток данного метода невозможно оценивать углы неортогональностей.

в) Испытание акселерометров методом гравитационного притяжения.

Позволяет задавать значения действующих ускорений значительно меньших, чем в первом способе. Данный метод не применим для испытания микромеханических акселерометров [1].

г) Испытание акселерометров на орбите искусственного спутника Земли

– метод испытания акселерометров в отсутствии гравитационного поля или при компенсации его в локализованной области. Разработка данного метода вызвана необходимостью устранения составляющих ускорений помех и свободного падения, направленных по измерительной оси акселерометра [1].

д) Метод испытания акселерометров путем компенсации гравитационного поля полем сил инерции движущегося объекта. Для реализации данного метода используется камера, в которой при изменении давления на падающий акселерометр воздействует различная по величине сила сопротивления воздуха, а, следовательно, и ускорение. Данный метод не нашел широкого применения из-за трудностей его реализации и из-за сложности аппаратуры [1].

е) Метод испытания акселерометров при равноускоренном поступательном перемещении платформы с прибором. Метод имитирует близкие к реальным условиям работы большинства приборов. Хотя это обстоятельство является существенным преимуществом метода в отличие от всех остальных, но серьезные трудности реализации испытательного стенда препятствуют его широкому использованию [1].

ж) Испытание акселерометров методом задания Кориолисова ускорения.

Способ был предложен с целью задания малых постоянных ускорений.

Основные трудности реализации метода связаны с необходимостью устранять вредное влияние ускорения свободного падения [1].

з) Воспроизведение ускорения с помощью ротационных платформ [1, 43]. Только этот метод (метод центрифуги) является единственным практическим средством для воспроизведения ускорений, превышающих ускорение свободного падения. Метод с использованием одной ротационной платформы, вращающейся вокруг вертикальной оси OS, используется для воспроизведения постоянного ускорения. В этом случае акселерометр установлен на ротационной платформе на расстоянии R от центра вращения.

Чувствительная ось акселерометра расположена горизонтально и направлена к центру вращения (Рисунок. 1.7).

–  –  –

центрифугой ускорение может быть представлено выражением a ц = R.

Центрифуги предназначены для испытаний и калибровки акселерометров и различного вида инерциальных приборов (микромеханические системы для инерциальных приборов, недорогие в изготовлении кварцевые датчики, или датчики из кремния, кольцевые лазерные гироскопы, волоконно-оптические гироскопы, предохранительные устройства и другие датчики).

Основными источниками погрешности калибровки этим методом являются: отклонение чувствительной оси от горизонтальной плоскости, погрешность задания и измерения угловых скоростей вращения платформы и погрешность из-за изменения длины плеча центрифуги.

На сегодняшний день испытания ММЧЭ и систем на их основе реализуются с использованием традиционных методов и средств по общепринятым стандартам [44]. В качестве средств испытаний используют одно- и двухосные IЕЕE поворотные столы и центрифуги. Для испытаний триады ММА обычно достаточно выполнить серию позиционирований в гравитационном поле Земли [1]. При этом входной величиной является проекция гравитационного ускорения Земли g на оси чувствительности триады ММА. Количество положений триады относительно вектора g должно быть достаточным для оценки всех параметров математической модели.

1.2.2 Динамические методы испытания акселерометров На практике в общем, а в навигационной задаче в частности, ускорение объекта, параметры движения которого необходимо измерять, не является постоянным, а меняется со временем. Для решения навигационной задачи необходимо иметь датчики с относительно нешироким частотным диапазоном (от постоянных ускорений до десятков, реже сотен герц), но с достаточно высокой точностью измеряющих мгновенное или среднее за определенный интервал времени значение соответствующего параметра. Как правило, динамические погрешности при измерении ускорений являются доминирующими. Поэтому более эффективным с точки зрения качества испытаний является реализация режимов движения, свойственных объекту, для которого разрабатывается ИНС [45], Методы с использованием ускорения свободного падения В методах с использованием ускорения свободного падения, при необходимости воспроизведения переменного ускорения, можно задать изменение направления чувствительной оси акселерометра в поле гравитационной силы тяжести Земли, что приводит к изменению проекции ускорения на эту ось. Данный метод позволяет воспроизводить относительно большие амплитуды ускорения на низких частотах, но не больше g.

а) Метод с помощью физического маятника [1].

Физический маятник, жестко связанный с платформой и акселерометром 3, поворачивается относительно горизонтальной оси (Рисунок 1.8).

По измерительной оси акселерометра направлено ускорение:

–  –  –

Недостатки данного метода:

- сложность определения l;

- невозможность достижения достаточно больших (или малых) значений ускорения;

- затухание колебаний маятника.

б) Метод с помощью центрифуги с наклонной осью вращения [1].

Центрифуга с наклонной осью вращения аналогична обычной центрифуге (см. Рисунок 1.9). Воспроизводимое ускорение определяется по следующей формуле:

a = g sin sin t + 2 R, где – угол отклонения оси вращения центрифуги от вертикали.

Значение определяет амплитуду воспроизводимого ускорения, а скорость вращения – ее частоту.

Недостатком этого метода является сложность в достижении требуемой точности при достаточно больших малых) ускорениях из-за (или ограничений конструкции.

Для воспроизведения ускорения с амплитудой большей g, используют методы с использованием вращающих платформ [1], перемещающихся по криволинейной траектории. Основным достоинством этих методов является возможность испытания датчика с большим ускорением на низких частотах.

–  –  –

Эти методы реализуются либо центрифугами с изменяющимся расстоянием от оси вращения до центра инерции чувствительного элемента исследуемого акселерометра, либо двойными центрифугами. При реализации метода центрифуги с изменяющимся расстоянием R возникают трудности, связанные с неравномерностью поля ускорения по длине чувствительного элемента акселерометра и необходимостью создания прецизионных устройств, обеспечивающих с требуемой точностью воспроизведение закона изменения радиуса. Поэтому этот метод практически не применяется.

Метод воспроизведения ускорения с использованием двойных центрифуг имеет те же погрешности, что у центрифуги. Принципиальная схема приведена рисунке 1.10.

Существуют еще методы линейно перемещающейся платформы с прибором. В этих методах платформа с установленным на ней испытуемым прибором перемещается возвратно-поступательно по определенному закону.

Тогда ускорение имеет ту же частоту, по которому перемещается платформа.

Методы реализуются с помощью либо электромеханических, либо электродинамических вибраторов. Основные недостатки – невозможность достижения достаточно больших ускорений на низких частотах, так как амплитуда ускорения зависит от частоты перемещения. Увеличение только амплитуды перемещения вызывает большие трудности в реализации. Кроме того необходимо обеспечить однонаправленность перемещения платформы.

В противном случае, ускорение свободного падения будет влиять на результат измерения.

Рисунок 1.10 Двойная центрифуга

Все перечисленные методы динамической калибровки акселерометров, кроме недостатков конструкции, имеют также жесткое требование к выставлению платформы в горизонте и контролю ориентации платформы в географической системе координат. В случае воспроизведения ускорений с помощью центрифуги с наклонной осью вращения, осуществление поворота всей вращающейся системы на произвольные углы связано с серьезными техническими трудностями. Воспроизводить малые значения ускорений с помощью центрифуги с наклонной осью вращения затруднительно. Кроме того, при увеличении частоты ускорения, т.е. частоты вращения, центростремительная составляющая ускорения начинает играть значительную роль.

Основные достоинства и недостатки наиболее часто используемых на практике методов испытания акселерометров сведены в таблицу 1.2:

Таблица 1.2

–  –  –

Выводы по главе 1 В главе проведен анализ современного состояния и тенденций развития ММЧЭ и систем на их основе преимущества МЭМС привели к быстрому расширению области их применения в низком классе точности. Однако требования к точностям с каждым днем ужесточаются, что приводит к необходимости совершенствования не только технологий производства, но и методов испытаний таких систем с целью получения более достоверных математических моделей описаний их сигналов.

Микромеханические инерциальные датчики, в том числе и ММА, нашли применения на высокоподвижных объектах. При решении задачи навигации и ориентации для таких объектов необходимо учитывать отстояние датчиков до текущего центра качания;

Существующие широко используемые на практике методы испытаний имеет свои достоинства, а главное недостатки (см. табл. 1.2):

- зависимость от погрешности выставки средства испытаний;

- сложностью конструкции средства испытаний;

- не полнота оцениваемых параметров математической модели;

- значительное временя испытаний, что существенно, учитывая температурную чувствительность МЭМС.

Таким образом, актуальной представляется разработка нового метода испытаний триады акселерометров на ротационной платформе с двумя степенями свободы (двухосном испытательном стенде), который позволит задавать криволинейное движение триады акселерометров (при установке на априорно известном удалении от центра вращений). Такой динамический метод должен обладать достоинствами существующих методов, а благодаря реализации схемы совместной обработки (оптимального фильтра Калмана) показаний триады ММА и датчиков углов испытательного стенда, позволить снизить степень влияния недостатков (табл. 1.2), сократить трудоемкость, а главное время испытаний.

31

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОГО МЕТОДА

ИССЛЕДОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ТРИАДЫ

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ

Как было отмечено в главе 1, у каждого из существующих методов испытаний имеются свои достоинства и недостатки (табл. 1.2). В дополнение к этим методам предлагается разработать динамический метод исследования погрешностей акселерометров, предполагающий совместную обработку показаний ИИМ и ДУ двухосного испытательного стенда. При этом тестовые воздействия формируются в режиме квазигармонических угловых колебаний по обеим осям, что должно обеспечить непрерывное изменение проекции ускорения на оси чувствительностей в диапазоне ±g. В случае отстояния инерциального модуля от центра качения, это будет приводить к его участию в сложном движении, что должно обеспечить наблюдаемость не только коэффициентов математической модели акселерометров, но и их взаимного расположения в триаде, а также погрешностей выставки стенда относительно плоскости горизонта[46 - 51].

2.1 Системы координат и ускорение триады при сложном движении В данной работе будет рассмотрен динамический режим исследования погрешностей триады ММА с учетом ее отстояния от центра качания, задаваемого двухосным стендом.

2.1.1 Системы координат и матрицы поворотов

Введем следующие системы координат:

OS – горизонтальная система координат, ось OS направлена по линии местной вертикали;

OSxSySzS система координат, связанная со стендом;

OSx1y1z1 система координат, связанная с наружной осью стенда;

OSy1 наружная ось стенда;

OSx1 – внутренняя ось стенда (ось вращения планшайбы);

OSx2y2z2 система координат, связанная с внутренней осью стенда;

Oxyz – приборная система координат, связанная с испытуемой триадой акселерометров;

О – место расположения триады акселерометров.

Оси системы координат Oxyz должны быть сонаправлены с осями системы координат OSx2y2z2;

, погрешности выставки стенда (т.е. плоскости планшайбы OSySzS) относительно плоскости горизонта (OS) (Рисунок 2.1).

Переход от горизонтальной системы координат OS к OSxSySzS может быть записан как последовательность разворотов на плоские углы:.

–  –  –

В идеальном случае, т.е. без погрешностей выставки стенда в плоскости горизонта ( = = 0), система координат OSxSySzS будет совпадать с горизонтальной системой координат OS.

–  –  –

угловые скорости стенда по наружной и внутренней осям, так и угловые ускорения 1, 2.

Матрица переходов от OSx1y1z1 к OSxSySzS имеет следующий вид:

–  –  –

Рисунок 2.3 – Начальное положение триады акселерометров на стенде испытаний Как отмечено выше, триада акселерометров участвует в сложном движении.

За переносное движение принимается угловое колебание вокруг наружной оси, а за относительное – колебание вокруг внутренней оси.

Движение триады в горизонтальной системе координат является абсолютным [52].

2.1.2 Входные воздействия на акселерометры при угловых колебаниях на двухосном стенде испытаний

–  –  –

положение измерительных осей акселерометров относительно осей Oxyz [рад].

Wi – входное воздействие.

В статическом (стандартном) методе испытаний, в качестве входного воздействия выступает проекции вектора ускорения свободного воздействия:

W=g.

В отличие от существующих методов, в данной работе предлагается метод исследования триады ММА в режиме угловых колебаний. При этом, в проекциях вектора действующего ускорения на оси приборной системы координат присутствуют проекции вектора ускорения свободного падения и проекции вектора ускорения, вызванного качанием на отстоянии R.

Если задается колебание только вокруг одной оси, то триада акселерометров вместе с планшайбой стенда участвует во вращательном движении. Траектория движения триады – дуга окружности. Абсолютное ускорения точки О в этом случае определяется вектором а (Рисунок 2.4) [52]:

a = an + a, где: a n нормальное ускорение, которое характеризует изменение скорости по направлению; a касательное ускорение, которое характеризует изменение скорости по величине.

–  –  –

где:

– нормальные ускорения при переносном и относительном a e n, a rn движениях триады, соответственно;

a e, a r – касательные ускорения при переносном и относительном движениях триады, соответственно;

ас – ускорение Кориолиса.

Составляющие абсолютного ускорения, входящие в (2.2), определяются по формулам:

–  –  –

также входит триада датчиков угловой скорости, то при задании значений периодов должны учитываться максимальные значения измеряемых угловых скоростей.

2.2 Динамический метод исследования погрешностей триады микромеханических акселерометров 2.2.1 Алгоритм выработки кинематических параметров триады микромеханических акселерометров На рисунке 2.5 приведена схема совместной обработки показаний триады ММА и ДУ испытательного стенда.

В блоке Б1 вычисляются кинематических параметров триады по показаниям ММА и ДУ. Из выражения (2.3) следует:

a = W+ g..

–  –  –

Рисунок 2.5 Схема комплексирования показаний триады ММА с показаниями ДУ При пересчете показаний акселерометров на оси системы координат OS, используя данные об угловых положениях с ДУ стенда, будут получены проекции вектора кажущегося ускорения.

Вычитая из последних ускорение свободного падения, получим проекции ускорения движения триады на оси OS. В идеальном случае:

–  –  –

С другой стороны, координаты триады ММА в системе координат OS могут быть рассчитаны по показаниям ДУ как проекции радиус-вектора R=OSO на оси системы координат OS.



Pages:   || 2 | 3 |
 
Похожие работы:

«Асташенкова Ольга Николаевна ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ В ТОНКОПЛЁНОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЯХ МИКРОМЕХАНИКИ Специальность: 05.27.06 – Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук...»

«Нгуен Нам Минь ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ САПР БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Специальность: 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования (промышленность) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Г.Д. Дмитревич Санкт-Петербург – 2015 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1....»

«Саламонова Ирина Сергеевна АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СПИРОГРАММ ПРИ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЁГКИХ 05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Немирко Анатолий Павлович Санкт-Петербург – 2014 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. СПИРОГРАММА....»

«Орехов Дмитрий Львович РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОМЫШЛЕННЫХ РЕАКТОРОВ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ Специальность: 05.27.06 Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов...»

«Боровицкий Дмитрий Сергеевич Выбор сигнальных форматов для перспективных СРНС и их гидроакустических функциональных дополнений Специальность 05.12.14 «Радиолокация и радионавигация» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Ипатов Валерий Павлович Санкт-Петербург – 2015 СОДЕРЖАНИЕ СПИСОК...»

«АЛЯМКИН ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНО – ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСОВ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ Специальность 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор технических наук, профессор...»

«Горелая Алина Владимировна ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗАИМНОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ В ЗАДАЧАХ ДИАГНОСТИКИ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, доцент Венедиктов В.Ю. СанктПетербург ОГЛАВЛЕНИЕ...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.