Способ калибровки датчиков угловой скорости бесплатформенного инерциального измерительного модуля
Владельцы патента RU 2447404:
Открытое акционерное общество "Конструкторское Бюро Промышленной Автоматики" (RU)
Изобретение относится к средствам ориентации и навигации объектов, подвижных в тех или иных средах, в частности летательных аппаратов. Бесплатформенный инерциальный измерительный модуль (БИИМ) устанавливается на стендовое оборудование, обеспечивающее приблизительно горизонтальное задание вектора угловой скорости с фиксированным направлением в пространстве. С помощью стендового оборудования вращают БИИМ последовательно как минимум по двум непараллельным осям в базисе калибруемого БИИМ. Во время вращения записывают показания БИИМ по каналу датчиков линейного ускорения (ДЛУ), показания датчиков угловой скорости (ДУС). По сигналам ДЛУ определяют угловую скорость БИИМ в базисе ДЛУ. Идентифицируя математическую модель ДУС, определяют нулевые сигналы ДУС, матрицу, описывающую масштабные коэффициенты, перекрестные связи, ориентацию осей чувствительности ДУС в БИИМ. При этом автоматически обеспечивается привязка осей ДУС к измерительному базису ДЛУ. Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости процедуры калибровки ДУС, значительное снижение требований к точности испытательного оборудования, расширение числа коэффициентов, определяемых в процессе калибровки БИИМ. Рассматриваемый способ не накладывает ограничений на число и расположение калибруемых ДУС в составе БИИМ.
Изобретение относится к области бесплатформенных инерциальных систем ориентации и навигации летательных аппаратов, морских и наземных подвижных объектов, внутритрубных инспектирующих снарядов магистральных трубопроводов и других подвижных объектов.
Известен способ определения (юстировки) положения измерительных осей космического платформенного комплекса, представляющего собой совокупность трехстепенной стабилизированной платформы с камерами научной аппаратуры и блоком датчиков угловой скорости (ДУС) (Зубенко Г.И., Молоденков А.В., Челноков Ю.Н. Управление движением космического платформенного комплекса. II. Алгоритмы ориентации, программного управления и наведения. // ИАН. Теория и системы управления, 2001, №5, с.159-167). Платформа помещена в трехосный обращенный торсионный карданов подвес и установлена на выходном звене трехзвенного манипулятора с вращающимися сочленениями, который с помощью выносного рычага крепится на борту космического аппарата. При юстировке каждой кинематической оси манипулятора сообщается разворот вокруг соответствующей оси, относительные положения остальных звеньев при этом "замораживаются". Угловые положения всех звеньев и положение платформы каждый раз определяется по показаниям соответствующих датчиков углов и блока ДУС или навигационной камеры, установленной на платформе. Затем применяется либо аналитический разностный алгоритм, либо алгоритм регуляризации А.Н.Тихонова, либо численный алгоритм на основе метода Ньютона-Рафсона. В результате для каждого из трех звеньев манипулятора определяются по два угла неточной установки соответствующей оси вращения и по одному углу сбоя нуля датчика каждого звена манипулятора. Недостатком данного способа является то, что сам блок ДУС при этом недоступен юстировке.
Известен способ калибровки гироинерциальных измерителей бесплатформенной инерциальной навигационной системы ориентации космического аппарата (Патент РФ №2092402, кл. В64G 1/24, 1997. Авторы: Дюмин А.Ф. и др. Способ калибровки гироинерциальных измерителей бесплатформенной инерциальной навигационной системы ориентации космического аппарата), блок гироинерциальных измерителей, составленный из однокомпонентных датчиков угловой скорости. Способ основан на обработке измерений ошибок бесплатформенной системы ориентации, производимых с помощью системы астродатчиков перед и после каждого из трех плоских вращений космических аппаратов, совершаемых вокруг его связанных осей на углы, не кратные 360°, например 90° или 180°. В результате оценивается мультипликативная погрешность гироинерциальных измерителей, вызванная погрешностями их масштабных коэффициентов и ошибками положения осей чувствительности.
Недостатком данного изобретения является невозможность произвести калибровку параметров бесплатформенного инерциального измерительного модуля (БИИМ) на неподвижном относительно Земли основании из-за невозможности использования астродатчиков в закрытом помещении.
Известен способ калибровки ДУС в составе БИИМ (Биндер Я.И., Пандерина Т.В., Анучин О.Н. Калибровка датчиков угловой скорости с механическим носителем вектора кинетического момента в составе бесплатформенных инерциальных измерительных модулей. // Гироскопия и навигация, 2003, №3, с.3-16), при этом ДУС калибруются по сигналам двухкомпонентного ДУС и трех однокомпонентных датчиков линейного ускорения (ДЛУ), т.е. блока ДЛУ, входящих в состав БИИМ, коэффициенты модели угловой скорости дрейфа каждого ДУС, зависящего и не зависящего от линейных перегрузок, а также углы отклонений двух его осей чувствительности и оси кинетического момента от их номинальных направлений, материализуемых установочной плоскостью и базовым направлением на корпусе ДУС. Суть способа состоит в том, что с помощью кронштейна и поворотной установки БИИМ устанавливают в трех различных фиксированных положениях по зенитному углу (θ=0°; θ=|90°|), при этом установку углов зенита производят по сигналам ДЛУ и в каждом из них разворачивают ИИМ на азимутальные углы, близкие к значениям 0°, 90°, 180°, 270°. Во всех фиксированных положениях определяют сигналы ДУС по двум компонентам вектора измеряемой угловой скорости вращения Земли, запоминают их, а потом складывают и вычитают результаты одноименных измерений по каждому измеряемому компоненту угловой скорости и по соответствующим алгоритмам определяют коэффициенты моделей угловых скоростей дрейфа, а также углы неточной установки осей чувствительности и вектора кинетического момента ДУС. При этом сигналы блока ДЛУ используются для определения угла зенита и угла установки отклонителя.
Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает режимы калибровки масштабных коэффициентов, не полностью обеспечивает определение углов неточной установки измерительных осей однокомпонентных ДУС на основе волоконно-оптических, волновых твердотельных и других типов ДУС, трех ДЛУ, а также не позволяет определять углы непараллельности соответствующих одноименных измерительных осей ДУС и ДЛУ.
Известен способ калибровки параметров бесплатформенного инерпиального измерительного модуля (патент РФ №2269813, кл. G05D 1/00, G01C 21/12, В64G 1/28, 2006. Авторы: Синев А.И., Чеботаревский Ю.В., Плотников П.К., Никишин В.Б. Способ калибровки параметров бесплатформенного инерпиального измерительного модуля). В предлагаемом способе используются двухосный ДУС и дополнительно введенный однокомпонентный ДУС, а также блок трех ДЛУ, которые устанавливают на корпусе модуля. Сначала оси модуля совмещают с осями горизонта и направлением на географический север, определяя и запоминая осредненные нулевые сигналы ДУС и блока ДЛУ. Затем модулю задают ограниченные повороты на углы курса, крена и тангажа, измеряя и запоминая в повернутых положениях сигналы указанных датчиков. Далее последовательно устанавливают модуль в шесть фиксированных положений. В результате определяют угловую скорость дрейфа ДУС и углы неточной установки их измерительных осей, масштабные коэффициенты этих датчиков и блока ДЛУ, а также сдвиги нулей и углов неточной установки измерительных осей ДЛУ. Определяют также непараллельность трех измерительных осей датчиков соответствующим трем осям блока ДЛУ.
Данный способ принимается за наиболее близкий аналог изобретения.
Недостатком данного способа является то, что процедура нахождения угловой скорости дрейфа ДУС, погрешностей углов установки их измерительных осей, масштабных коэффициентов ДУС требует применения сложного высокоточного испытательного оборудования, дополнительного БИИМ, а также в процессе калибровки не находятся коэффициенты, описывающие перекрестные связи ДУС и зависимость сигналов ДУС от действующего линейного ускорения.
Задачей данного изобретения является упрощение процедуры калибровки ДУС БИИМ, повышение точности калибровки ДУС БИИМ.
Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости процедуры калибровки, снижение требований к точности испытательного оборудования, расширение числа коэффициентов, определяемых в процессе калибровки БИИМ, в частности, описывающих перекрестные связи ДУС и зависимость сигналов ДУС от действующего линейного ускорения, для их последующего учета в алгоритмах работы БИИМ.
Поставленная задача решается следующим образом:
1. ДЛУ, входящие в состав БИИМ, предварительно откалиброваны и выдают оценки составляющих кажущегося ускорения в базисе БИИМ.
2. БИИМ устанавливается в кронштейн, обеспечивающий закрепление на платформе испытательного оборудования в три приблизительно ортогональных положения, с некоторой погрешностью совпадающих с осями измерительного базиса БИИМ. Высоких требований к точности изготовления кронштейна не предъявляется.
3. Кронштейн с блоком устанавливается на платформу одноосной поворотной установки с неподвижной в пространстве осью вращения (например, УПГ-48). Ось вращения установки ориентируется приблизительно горизонтально. К точности ориентации оси вращения и закрепления кронштейна жестких требований не предъявляется.
4. Задаются угловые скорости вращения БИИМ. Записываются показания каждого ДУС и ДЛУ во время вращения БИИМ. К точности выдерживания угловой скорости жестких требований не предъявляется.
5. Кронштейн с БИИМ переставляется на платформе испытательного оборудования во второе положение. Повторяют п.3.
6. Кронштейн с БИИМ переставляется на платформе испытательного оборудования в третье положение. Повторяют п.3.
7. По записанным показаниям ДЛУ определяют вектор угловой скорости ϖ в осях измерительного базиса ДЛУ следующим образом:
7.1. Определяют ось базиса ДЛУ, ближайшую к оси вращения. Исходя из критерия минимальности СКО сигнала ДЛУ по оси, ближайшей к оси вращения.
7.2. Определяют вектор угловой скорости вращения БИИМ на каждом шаге записанных массивов данных по следующей формуле:
где 
- вычисленный вектор угловой скорости; 
- показания ДЛУ;
t - время; n, n+1, n-1 - обозначение номера шага вычислений;
Wcp - осредненное за несколько периодов вращения значение показаний ДЛУ по ближайшей к оси вращения оси БИИМ; 
- модуль вектора ускорения свободного падения.
8. Численными методами проводят идентификацию математической модели каждого ДУС ИИМ, например, следующего вида:
где ωd - показания ДУС; - вектор показаний ДЛУ; - вектор угловой скорости, определенный в п.6.; 
- матрица-строка, описывающая ориентацию измерительной оси ДУС в базисе ДЛУ, его масштабный коэффициент, перекрестные связи; ω0 - нулевой сигнал ДУС;
- матрица-строка, описывающая влияние линейного ускорения на показания ДУС.
Математическая модель может отличаться в зависимости от особенностей конкретного типа ДУС.
9. Учитывают идентифицированные коэффициенты в алгоритмах работы БИИМ.
Изложенный способ калибровки параметров БИИМ позволяет с высокой точностью определить элементы матрицы, описывающей ориентацию измерительных осей ДУС, масштабные коэффициенты, перекрестные связи, нулевые сигналы ДУС, элементы матрицы, описывающей влияние линейного ускорения на показания ДУС. Эти параметры являются основными для БИИМ. Их учет в алгоритмах работы БИИМ позволяет значительно повысить точность БИИМ. Рассматриваемый способ не накладывает ограничений на число и расположение калибруемых ДУС в составе БИИМ.
Способ калибровки датчиков угловой скорости бесплатформенного инерциального измерительного модуля (БИИМ), отличающийся тем, что эталонное значение вектора угловой скорости при вращении БИИМ вокруг приблизительно горизонтальной оси определяют по показаниям датчиков линейного ускорения (ДЛУ), проводят идентификацию математических моделей датчиков угловой скорости (ДУС), при этом определяют нулевые сигналы ДУС, матрицу, описывающую масштабные коэффициенты, перекрестные связи, ориентацию осей чувствительности ДУС в БИИМ, матрицу, описывающую влияние линейного ускорения на показания ДУС, а затем учитывают идентифицированные коэффициенты в алгоритмах работы БИИМ, при этом не накладывают ограничений на число и расположение калибруемых ДУС в составе БИИМ.
