Способ калибровки инерциального измерительного модуля по каналу акселерометров



Способ калибровки инерциального измерительного модуля по каналу акселерометров
Способ калибровки инерциального измерительного модуля по каналу акселерометров

 


Владельцы патента RU 2477864:

Открытое акционерное общество "Конструкторское Бюро Промышленной Автоматики" (RU)

Изобретение относится к области приборостроения бесплатформенных инерциальных систем ориентации и навигации летательных аппаратов, морских и наземных подвижных объектов, внутритрубных инспектирующих снарядов магистральных трубопроводов и других подвижных объектов. Технический результат - упрощение и повышение точности. Для этого при проведении калибровки инерциальный измерительный модуль (ИИМ) закрепляют на платформе поворотного стола низкой точности. Платформу поворотного стола разворачивают во всем диапазоне углов крена и тангажа относительно вектора ускорения свободного падения с фиксированным шагом. В каждом положении фиксируют показания акселерометров и углы поворотов. Численными методами проводят идентификацию математической модели каждого акселерометра. В процессе идентификации проводят минимизацию суммарной невязки показаний датчиков при варьировании смещений шкал датчиков углов поворотов платформы и угловых смещений осей поворотов платформы. Затем проводят привязку измерительного базиса акселерометров к осям ИИМ. Рассматриваемый способ не накладывает ограничений на число и расположение калибруемых акселерометров в составе ИИМ. 1 ил.

 

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 калибровки блока с неортогональной ориентацией осей чувствительности шести кварцевых маятниковых акселерометров (Бранец В.Н., Дибров Д.Н., Рыжков B.C., Калихман Л.Я., Калихман Д.М., Полушкин А.В., Нахов С.Н. Методика аттестации блока измерения линейного ускорения с неортогональной ориентацией осей чувствительности шести кварцевых маятниковых акселерометров и методика аттестации рабочих мест для контроля блока и акселерометров // ХIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. Сборник материалов. Под ред. акад. РАН В.Г.Пешехонова. - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор". С.226-232). Метод разработан для блока шести акселерометров с осями чувствительности, ориентированными через 60° по образующим конуса с углом полураствора 54,7356°. Выставляют стенд с прецизионной оптической делительной головкой, например OPTIGON, так чтобы ось вращения головки была строго перпендикулярна вектору силы тяжести. Прибор закрепляют на оси вращения прецизионной оптической головки так, чтобы плоскость, образованная осями чувствительности пары акселерометров, была перпендикулярна оси вращения оптической головки, и разворачивают прибор вокруг оси вращения головки на определенные углы. При этом на одном обороте вокруг оси вращения головки определяют смещения нулей, масштабные коэффициенты и углы наклона осей чувствительности акселерометров к опорной плоскости. Затем закрепляют прибор так, чтобы ось вращения оптической делительной головки была параллельна оси симметрии конуса, образованного осями чувствительности акселерометров, и разворачивают прибор вокруг оси вращения головки на определенные углы. При этом на одном обороте вокруг оси вращения головки определяют значения углов между проекцией оси чувствительности измерительного канала на опорную плоскость и упорной плоскостью. Недостатком данного способа является то, что для всех операций при выполнении калибровки требуется прецизионное оборудование.

Известен способ скалярной калибровки тракта измерения линейных ускорений в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы (Измайлов Е.А., Лепе С.Н., Молчанов А.В., Поликовский Е.Ф. Скалярный способ калибровки и балансировки бесплатформенных инерциальных навигационных систем // Юбилейная XV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. Сборник материалов. Под ред. акад. РАН В.Г.Пешехонова. - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор". С.145-154., Браславский Д.А., Поликовский Е.Ф., Якубович A.M. Способ калибровки трехосного блока акселерометра, заявка на авторское свидетельство №2422425/23 с приоритетом от 24 ноября 1976). Метод разработан для блока трех акселерометров с осями чувствительности, ориентированными ортогонально. Блок акселерометров устанавливается на платформу испытательного оборудования и разворачивается следующим образом. Все развороты делятся на три группы, в каждой из которых производится вращение вокруг одной из номинальных осей триады. Каждая группа содержит восемь поворотов на 45° из своего исходного положения вокруг соответствующей оси триады. Исходное положение первой группы - оси Х и Z перпендикулярны, а ось Y совпадает с вектором ускорения силы тяжести G. Вращение производится вокруг оси X. Исходное положение второй группы - оси Y и Z перпендикулярны, а ось Х совпадает с вектором ускорения силы тяжести G. Вращение производится вокруг оси Z. Исходное положение третьей группы - оси Х и Y перпендикулярны, а ось Z совпадает с вектором ускорения силы тяжести G. Вращение производится вокруг оси Y. Отличие этого способа от существующих состоит в применении в качестве эталона не вектора, а скаляра, функционально связанного с этим вектором. В качестве такого скаляра было предложено использовать скалярное произведение измеряемого вектора ускорения силы тяжести G на самого себя, то есть (в матричном виде) величины GT·G. Подобная замена позволяет значительно повысить точность калибровки триады акселерометров, снизить требования к погрешностям ориентации триады.

Недостатками данного изобретения является невозможность нахождения углов ориентации триады акселерометров относительно осей блока. Затруднение вызывает калибровка блока, содержащего более трех акселерометров, калибровку приходится проводить потриадно, а затем приводить в соответствие матрицы направляющих косинусов различных триад.

Известен способ калибровки параметров бесплатформенного инерциального 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 инерциального измерительного модуля). В предлагаемом способе используются двухосный гироскоп и дополнительно введенный однокомпонентный гироскоп, а также блок трех акселерометров, которые устанавливают на корпусе модуля. Далее последовательно устанавливают модуль в шесть фиксированных положений. При этом точность задания ориентации относительно вектора силы тяжести является определяющей точность калибровки. В результате определяют нулевые сигналы и масштабные коэффициенты акселерометров, углы неточной установки измерительных осей акселерометров. Данный способ принимается за наиболее близкий аналог изобретения.

Недостатком данного способа является то, что процедура нахождения нулевых сигналов акселерометров, погрешностей углов установки их измерительных осей, масштабных коэффициентов акселерометров требует применения высокоточного испытательного оборудования, способ предназначен только для калибровки ортогонально расположенных акселерометров, а также в процессе калибровки не находятся коэффициенты, описывающие перекрестные связи акселерометров.

Задачей данного изобретения является упрощение процедуры калибровки акселерометров ИИМ, повышение точности калибровки акселерометров ИИМ.

Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости процедуры калибровки, снижение требований к точности испытательного оборудования, расширение числа коэффициентов, определяемых в процессе калибровки ИИМ, в частности, описывающих перекрестные связи акселерометров для их последующего учета в алгоритмах работы ИИМ, возможность калибровки ИИМ с любым числом и ориентацией измерительных осей акселерометров.

Поставленная задача решается следующим образом.

1. ИИМ закрепляют на платформе поворотного стола. При этом необходимым требованием к поворотному кронштейну является возможность точного съема информации об относительных углах поворотов платформы поворотного кронштейна по углам тангажа ϑ и крена γ. Это достаточно просто реализуется с использованием либо лимбов, либо цифровых датчиков угла (энкодеров). Высоких требований к точности начальной выставки платформы, ортогональности осей поворотов стола не предъявляется. Примером может служить поворотный кронштейн КП-9.

2. Платформу поворотного стола разворачивают во всем диапазоне углов крена γ и тангажа ϑ относительно вектора ускорения свободного падения с фиксированным шагом, например 15°. В каждом положении фиксируют показания акселерометров и углы поворотов ϑ и γ.

3. Численными методами на основе полученных в п.2 данных проводят идентификацию математической модели каждого акселерометра, например, следующего вида:

где i - номер ММА, - составляющие вектора линейного ускорения по осям ИИМ, , - нулевой сигнал и показания i-го ММА, - i-я строка матрицы , описывающей относительное расположение измерительных осей, перекрестные связи, масштабные коэффициенты акселерометров. В процессе идентификации проводится минимизация функционала качества (2) при варьировании смещений шкал датчиков углов поворотов платформы ϑ00 и угловых смещений осей поворотов платформы Δγ1,Δϑ2,Δψ2 (см. рис.1).

где i - номер ММА, j - номер съема данных, - i-я строка матрицы , - проекция вектора ускорения свободного падения на оси ИИМ.

где А' - матрица направляющих косинусов, учитывающая смещения шкал датчиков углов поворотов платформы и угловые смещения осей поворотов платформы, - вектор ускорения свободного падения.

4. Осуществляют привязку матрицы к осям ИИМ. Для этого на неподвижном основании последовательно закрепляют ИИМ в два различных положения относительно вектора ускорения свободного падения , за исключением положений, получающихся путем разворота ИИМ на 180° вокруг любой оси (желательно разворачивать в ортогональные положения). Точно определяют углы ориентации ИИМ относительно вектора ускорения свободного падения в обоих случаях закрепления ИИМ, например, с помощью оптического квадранта.

5. Определяют матрицу направляющих косинусов , обеспечивающую привязку матрицы к осям ИИМ, например методом векторного согласования:

где - нормированное значение соответствующего вектора , "1" и "2" - обозначения первого и второго положений ИИМ.

где ϑj, γj - точные значения заданных углов ориентации ИИМ, А - матрица направляющих косинусов.

6. Учитывают определенные ранее коэффициенты в алгоритмах работы ИИМ:

Изложенный способ калибровки параметров ИИМ позволяет с высокой точностью определить элементы матрицы, описывающей ориентацию измерительных осей, масштабные коэффициенты, перекрестные связи, нулевые сигналы акселерометров. Эти параметры являются основными для ИИМ. Их учет в алгоритмах работы ИИМ позволяет значительно повысить точность ИИМ. Рассматриваемый способ не накладывает ограничений на число и расположение калибруемых акселерометров в составе ИИМ. За счет предъявления точностных требований к измерению ориентации только на завершающем этапе калибровки снижаются требования к испытательному оборудованию, снижается трудоемкость процедуры калибровки. За счет учета большего числа коэффициентов в алгоритмах работы ИИМ повышается его точность.

Способ калибровки инерциального измерительного модуля (ИИМ) по каналу датчиков линейного ускорения, отличающийся тем, что предварительная калибровка проводится путем задания различных ориентации ИИМ относительно вектора ускорения свободного падения на грубом поворотном столе, при этом определяют нулевые сигналы и матрицу, описывающую относительное расположение измерительных осей, перекрестные связи, масштабные коэффициенты акселерометров, затем проводят привязку матрицы, описывающей относительное расположение измерительных осей, перекрестные связи, масштабные коэффициенты акселерометров к осям ИИМ, для чего точно определяют ориентацию ИИМ в двух различных положениях относительно вектора ускорения свободного падения , за исключением положений, получающихся путем разворота ИИМ на 180° вокруг любой оси, при этом рассматриваемый способ не накладывает ограничений на число и расположение калибруемых акселерометров в составе ИИМ, затем учитывают определенные ранее коэффициенты в алгоритмах работы ИИМ.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при изготовлении маятниковых компенсационных акселерометров (МКА). .

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к измерительной технике, и может быть использовано для оценки амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик датчиков угловых скоростей при необходимости их использования в навигационных приборах и других приборах управления.

Изобретение относится к технике электрической связи и может быть использовано в системах контроля, управления и защиты грузоподъемных машин. .

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для калибровки термоанемометрических датчиков скорости потока жидкости и может быть использовано для повышения информативности геофизических исследований скважин, проводимых с применением термоанемометрических датчиков.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может применяться для поверки класса измерителей скорости (ИС) движения транспортных средств (ТС), использующих видеокамеру.

Изобретение относится к способу и устройству для возбуждения волн в стержнях с целью калибровки датчиков ускорения и датчиков силы, в частности, с большими амплитудами.

Изобретение относится к малогабаритным вибрационным датчикам угловой скорости (ДУС), в частности к производству и технологии балансировки пьезоэлектрического балочного биморфного чувствительного элемента ДУС.

Изобретение относится к способу калибровки масштабного коэффициента осесимметричного вибрационного гиродатчика угловой скорости, работающего при подаче сигнала (СА) управления амплитудой и сигнала (СР) управления прецессией на вибратор (1), совершающий колебания с заданной частотой.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения нелинейности выходной характеристики акселерометров. .

Изобретение относится к измерительной технике и технике воздухоплавания, а именно к измерителям параметров полета летательного аппарата (ЛА), и может быть использовано в летных испытаниях летательного аппарата для определения действительных значений воздушных параметров и оценки средств определения воздушных параметров ЛА.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, предназначенным для установки и предварительной оценки заявленных технических характеристик приборов для измерения угловой скорости и углового положения. Технический результат - создание с минимальными затратами устройства для крепления и предварительной оценки параметров измерительного прибора, предназначенного для использования в различных областях техники с целью измерения, контроля угловой скорости вращения и углового положения в инерциальном пространстве, с обеспечением требуемой минимальной точности осевого перемещения. Достигается тем, что устройство для крепления и предварительной оценки параметров измерительного прибора содержит неподвижное основание, оборудованное устройством горизонтирования, на котором установлено основание, выполненное в виде вертикальной рамочной стойки, оснащенной плоской установочной площадкой, плоскость прилегания которой совпадает с осью симметрии основания, которая в свою очередь совпадает с осью симметрии измерительного прибора. В нижней части стойки жестко закреплен стержень в виде оси, оснащенной в своей центральной части упорным буртиком, а в верхней части стойки 3 выполнено установочное отверстие для размещения угломерного оптического прибора и перпендикулярно ему - резьбовое отверстие для винтового фиксатора. Упорный буртик в нижней части оснащен фаской, имеющей аналогичный профиль с фаской, выполненной в установочном отверстии неподвижного основания. 3 ил.

Изобретение относится к коррекции систематических ошибок в сенсорном устройстве. Сущность изобретения заключается в том, что производится коррекция систематической ошибки сенсорного устройства, имеющего множества акселерометров, сконфигурированных для измерения ускорения силы тяжести. В способе осуществляют: вращение множества акселерометров вокруг первой оси; получение первой группы калибровочных измерений от множества акселерометров в результате вращения вокруг первой оси; определение первой систематической ошибки для каждого из множества акселерометров с использованием первой группы калибровочных измерений; и исключение первой систематической ошибки из измерений сенсорного устройства для коррекции систематической ошибки. Технический результат - устранение или корректирование систематических ошибок в сенсорных устройствах. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам и устройствам для определения чувствительности пьезоэлектрических акселерометров на низких частотах. Сущность способа градуировки пьезоэлектрического акселерометра на низких частотах заключается в том, что акселерометр поворачивают в гравитационном поле Земли с помощью поворотной платформы и измеряют с помощью измерительной цепи выходное напряжение акселерометра, при этом предварительно устанавливают на поворотную платформу акселерометр с его осью чувствительности в вертикальной плоскости под любым углом к горизонтальной оси, совмещают центр масс инерционного элемента акселерометра с осью вращении, меняя частоту вращения, поворачивают акселерометр на угол более 360° на каждой частоте, определяют максимальные значения выходных сигналов на каждой из частот, по которым определяют коэффициенты преобразования для построения амплитудно-частотной характеристики акселерометра в области низких частот. Поворотная установка содержит основание, на котором установлена посредством опор вращения платформа, которая состоит из вала и насадки, имеющей горизонтальную площадку для крепления испытуемого акселерометра, при этом насадка установлена с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси вала, на торцевых поверхностях вала нанесена координатная сетка для фиксации их взаимного положения в плоскости сопряжения. Технический результат: уменьшение погрешности калибровки, вызванной действием центробежных сил. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к испытательной технике и предназначено для испытаний и градуировок акселерометрических датчиков и другой навигационной аппаратуры, определяющей параметры движения различных по назначению объектов. Центрифуга содержит платформу в виде консольной балки с площадкой для изделия на свободном конце, смонтированной другим концом на вращаемом шпинделе. Консольная балка выполнена телескопической. Подвижная часть консольной балки, несущая площадку, связана с другой частью посредством гибкой связи. Достигается разделение радиальных и поперечных нагрузок, воспринимаемых платформой, между двумя ее элементами: гибкой связью и телескопической балкой. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к струнным акселерометрам для автономного определения параметров движения летательных аппаратов и может быть использовано при производстве струнных акселерометров. Сущность изобретения достигается тем, что способ настройки струнного акселерометра, содержащего струну прямоугольного сечения и консольно-закрепленный пластинчатый подвес с грузом, включающий закрепление концов струны между двух плоскостей, предварительно механически обработанных в двух взаимно перпендикулярных направлениях поперек и вдоль струны, и отличается тем, что струну выставляют по оси симметрии подвеса перпендикулярно его плоскости, закрепляют последовательно концы струны на грузе и корпусе при совмещении поверхностей крепления в одну плоскость, сравнивают частоту автоколебаний струны с заданной и при необходимости корректируют длину струны, исходя из выражения: Δ l = ( f − f 0 ) f   l l 2 y + 1 , где Δl - изменение длины струны; f и f0 - фактическая и заданная частота колебаний струны; l и y - длина струны и прогиб подвеса при расположении струны в одной плоскости, при этом вновь механически обрабатывают поверхности крепления до расположения их в одной плоскости, причем длину струны уменьшают, если частота меньше заданной, и увеличивают, если больше, затем прикладывают к грузу в месте крепления струны усилие, плавно изменяющее натяжение струны в рабочем диапазоне частот, и оценивают изменение амплитуды сигнала со струны, добиваясь точной установкой струны попадания частоты и амплитуды сигнала в заданный допуск, после чего проводят термомеханическое старение акселерометра. Изобретение позволяет сократить длительность стабилизации параметров, время сборки и увеличить выход годных струнных акселерометров при изготовлении. 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения динамических характеристик датчиков угловой скорости в условиях воздействия на них статических ускорений. Способ основан на использовании двойной центрифуги с независимыми приводами двух платформ - ротора и установленного на нем поворотного стола. Исследуемый датчик угловой скорости устанавливается на поворотный стол таким образом, что ось вращения малого стола совпадает с осью чувствительности датчика угловой скорости. При задании скорости вращения ротора для обеспечения воздействия статического ускорения и скорости вращения поворотного стола, изменяющейся по гармоническому закону, в направлении, противоположном направлению вращения ротора центрифуги, на исследуемый датчик угловых скоростей будет поступать модулированный сигнал угловой скорости заданной частоты. Определение амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик датчика производится путем последовательного изменения частоты задаваемой гармонической угловой скорости, а также сравнения сигналов на входе и выходе исследуемого датчика. Технический результат заключается в возможности оценки динамических характеристик датчиков угловой скорости при воздействии на них статических ускорений.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения параметров кварцевых маятниковых акселерометров. Согласно заявленному способу в одну из точек замкнутого контура акселерометра подают синусоидальные, калиброванные сигналы Uг. Для всего требуемого диапазона частот и амплитуд сигналов Uг измеряют выходной сигнал смещения Uсм и выходной сигнал Uвых устройства обратной связи и по отношению их амплитуд к амплитуде сигнала Uг определяют динамические характеристики акселерометра. По первому варианту подают сигнал Uг в датчик силы либо через эталонную нагрузку, либо через дополнительный вход усилителя мощности цифрового устройства обратной связи, соединяя свободный вывод эталонной нагрузки с общей шиной, а сигналы Uсм и Uвых измеряют соответственно со стороны выходов следующих элементов цифрового устройства обратной связи: усилителя-преобразователя и интегро-дифференциирующего усилителя. По второму варианту подают сигнал Uг в датчик силы через эталонную нагрузку, а сигнал Uвых измеряют со стороны выхода интегро-дифференциирующего усилителя устройства обратной связи и подают на активный фильтр, с выхода которого измеряют выходной сигнал U в ы х * . Сигнал Uсм измеряют со стороны выхода усилителя-преобразователя устройства обратной связи. Технический результат - повышение точности измерения динамических характеристик акселерометра. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, и может быть использовано для определения параметров кварцевых маятниковых акселерометров. Согласно способу акселерометр располагают в первом положении на подвижном основании, при котором ось чувствительности пластины акселерометра лежит в плоскости горизонта перпендикулярно горизонтальной оси вращения основания, при этом подают калиброванные по уровню и знаку электрические сигналы Uсм на первый вход устройства обратной связи, для каждого сигнала Uсм измеряют сигнал Uвых на выходе и сигнал U с м ∗ смещения на втором входе устройства обратной связи и определяют зависимость Uвых от U с м ∗ , (статическую характеристику акселерометра «выходной сигнал» - «сигнал смещения»), поворачивают основание на малый угол и повторяют указанные действия, затем вычисляют параметры акселерометра. Техническим результатом является возможность прогнозирования стабильности положения оси чувствительности при смещении центра масс чувствительного элемента из-за дрейфа нуля со стороны входа устройства обратной связи, а также уровня выходного сигнала акселерометра в отсутствие ускорения силы тяжести. 4 ил.

Изобретение относится к области пьезотехники, а конкретно к измерению параметров пьезоэлектрических акселерометров, вибродатчиков, сейсмодатчиков и других устройств, реагирующих на ускорение (вибрацию). Измерительный стенд для определения коэффициента преобразования пьезокерамических акселерометров состоит из рабочей поверхности с размещенными на ней калибруемым и калибровочным акселерометрами и источника основного внешнего воздействия - заданных ее вибраций, а также из контрольно-измерительного рабочего места, размещенного на остальной его части, для определения отношения коэффициентов преобразования калибруемого и калибровочного акселерометров, при этом калибруемый и калибровочный акселерометры размещены в рабочем объеме камеры дополнительных внешних воздействий, размещенной на рабочей поверхности стенда, а в качестве калибровочного акселерометра использован акселерометр с известной зависимостью коэффициента преобразования от дополнительных внешних воздействий. Технический результат - расширение функциональных возможностей стенда. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения погрешностей инерциальных измерительных приборов, в частности лазерных гироскопов и маятниковых акселерометров, при стендовых испытаниях на ударные и вибрационные воздействия. Технический результат - повышение точности. Для этого измерение показаний инерциальных измерительных приборов производят в три этапа с одинаковой продолжительностью по времени при различной для каждого из этапов пространственной ориентации инерциальных измерительных приборов, причем на первом этапе производят измерение показаний инерциальных измерительных приборов для определения начальной ориентации и интегрирования уравнения навигации, на втором этапе производят измерение показаний инерциальных измерительных приборов для интегрирования уравнений навигации, когда инерциальные измерительные приборы подвергают ударным и/или вибрационным воздействиям, а на третьем этапе производят измерение показаний инерциальных измерительных приборов для начальной ориентации и интегрирования уравнения навигации после ударных и/или вибрационных воздействий. 10 ил.
Наверх