Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ методов и средств испытаний инерциальных чувствительных элементов 10
1.1 Современное состояние микромеханических чувствительных элементов (ММЧЭ) и систем на их основе 10
1.2 Традиционные методы и схемы калибровки ММЧЭ
1.2.1 Описание систем координат и переходов между ними 18
1.2.2 Математические модели выходных сигналов ММА и ММГ 22
1.2.3 Стандартная.схема калибровки триад-ММА и ММГ 23
1.2.4 Обработка данных стандартной калибровки 1.2.4.1 Оценка параметров математической модели выходных сигналов триады ММА 24
1.2.4.2 Оценка параметров математической модели выходных сигналов триады ММГ 28
1.3 Анализ источников погрешностей стандартной калибровки ММЧЭ .30
1.3.1 Погрешность ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта 30
1.3.2 Инструментальные погрешности испытательного средства 37
1.3.3 Неадекватность математических моделей выходных сигналов триад ММА и ММГ 41
1.3.4 Погрешность аппроксимации данных, полученных при калибровке 44
1.4 Современное состояние средств испытаний инерциальных ЧЭ и систем на их основе 46
Выводы по главе 1 50
ГЛАВА 2 Методы калибровки ммчэ и систем на их основе 52
2.1 Метод калибровки триады ММА з
2.1.1 Анализ инструментальной погрешности калибровки триады ММА предложенным методом 55
2.2 Влияние линейного ускорения на показания триады ММГ 58
2.3 Метод калибровки триады ММГ 59
2.3.1 Алгоритм обобщенного фильтра Калмана (ОФК) 60
2.3.1.1 Общие сведения 60
2.3.1.2 Описание алгоритма работы 64
2.3.1.3 Модель погрешности алгоритма 67
2.3.1.4 Исследование случайных погрешностей 69
2.3.1.5 Математическое описание алгоритма 73
2.3.2 Анализ погрешности метода калибровки триады ММГ 75
Выводы по главе 2 77
ГЛАВА 3 Исследование погрешностей средства испьітанийммчз и систем на их основе 78
3.1 Традиционные способы аттестации двухосных установок 79
3.1.1 Методы оценки погрешности позиционирования (точности углов разворота) 79
3.1.2 Методы оценки погрешности задания угловой скорости и ее нестабильности в среднем за оборот 82
3.1.3 Методы.оценки отклонения от перпендикулярности осей стенда..85
3.2 Метод оценки отклонения от перпендикулярности осей 88
3.2.1 Анализ погрешности метода оценки отклонения от перпендикулярности осей 92
Выводы по главе 3 104
ГЛАВА 4 Результаты эксперементальных исследований ммчэ на двухосном автоматизированном стенде 105
4.1 Принцип построения и описание стенда двухосного автоматизированного 105
4.1.1 Структурная схема стенда 106
4.1.1.1 Механический агрегат 106
4.1.1.2 Электронный блок 112
4.1.2 Стенд двухосный автоматизированный. Внешний вид и технические характеристики 114
4.1.3 Программное обеспечение стенда 116
4.1.4 Результаты испытаний опытного образца стенда 123
4.2 Испытания ИИМ по предложенным методам калибровок 124
4.2.1 Объект испытаний 124
4.2.2 Испытания триады ММА 126
4.2.3 Испытания триады ММГ
4.2.3.1 Описание эксперимента 135
4.2.3.2 Результаты эксперимента 136
Выводы по главе 4 139
Заключение 140
Список используемой литературы
- Математические модели выходных сигналов ММА и ММГ
- Анализ инструментальной погрешности калибровки триады ММА предложенным методом
- Методы оценки погрешности задания угловой скорости и ее нестабильности в среднем за оборот
- Стенд двухосный автоматизированный. Внешний вид и технические характеристики
Введение к работе
Актуальность темы. Перспективы развития современных навигационных комплексов связаны с созданием инерциальных навигационных систем (ИНС), обладающих малыми массой, габаритными размерами, энергопотреблением и себестоимостью. Обеспечение требуемой точности таких систем достигается благодаря их комплексированию со спутниковыми системами навигации, магнитными компасами, датчиками пройденной дистанции и т.д. В качестве элементной базы могут рассматриваться, в первую очередь, микромеханические гироскопы (ММГ) и акселерометры (ММА). Интенсивность развития таких датчиков позволяет предполагать возможность достижения в ближайшее время точностных характеристик некоторых макроаналогов. Кроме того, ММГ и ММА разрабатываются и производятся в рамках технологии микросистемной техники, которая, в свою очередь, является одной из официально объявленных критических технологий Российской Федерации.
Проектирование ИНС предполагает исследование инструментальных погрешностей трехосного блока ее чувствительных элементов. Анализ используемого на сегодняшний день испытательного оборудования выявил ряд его существенных недостатков. Во-первых, большинство стендов сориентировано, прежде всего, на проведение испытаний и калибровки макроаналогов миниатюрных ИНС и не удобны для задания некоторых режимов, обусловленных особенностями систем на микромеханических датчиках. Во-вторых, функциональность стендов определена рекомендациями международной организации IEEE по калибровке инерциальных датчиков, предполагающих либо позиционирование, либо вращение с постоянной за оборот угловой скоростью. Однако более эффективным с точки зрения качества калибровки является реализация режимов движения, свойственных объекту, для которого разрабатывается ИНС. При этом искомые параметры определяются с использованием оптимальных методов обработки, например, с помощью обобщенного фильтра Калмана (ОФК), предполагающего формирование вектора измерений по данным об угловой ориентации, задаваемой средством испытаний.
Исследование погрешностей чувствительных элементов, входящих в состав ИНС, должно быть реализовано независимо от погрешности начальной установки средства испытаний относительно плоскости горизонта, что позволило бы исключить необходимость установки такого оборудования на «развязанный фундамент».
Целью работы являются разработка и исследование методов испытаний микромеханических инерциальных модулей.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:
Анализ современного состояния рынка ММГ и ММА и систем на их основе, а также методов и средств их испытаний;
Разработка методов, позволяющих исключить ряд источников погрешностей, свойственных традиционным методам и схемам калибровки инерциальных датчиков, а также повысить точность и достоверность результатов испытаний ММА и ММГ;
Исследование методов оценки контролируемых характеристик средств испытаний;
Разработка метода оценки отклонения от перпендикулярности осей средства испытаний;
Разработка опытного образца двухосного стенда для испытаний микромеханических чувствительных элементов (ММЧЭ) и ИНС на их основе;
Экспериментальные исследования достоверности полученных результатов.
Методы исследований включают в себя методы математического анализа и линейной аппроксимации, методы статистической обработки экспериментальных данных, методы математического и имитационного моделирования. Метрологическое обеспечение основано на бесконтактных методах контроля. Кроме того, решение поставленных задач базируется на основных положениях теории инерциальной навигации и принципах разработки и построения механических приборов и систем (технологии приборостроения).
На защиту выносятся:
Метод калибровки триады ММА, предполагающий определение ее параметров независимо от погрешности начальной установки средства испытаний относительно плоскости горизонта, позволяет повысить достоверность и точность результатов испытаний объекта и исключить необходимость использования «развязанного фундамента»;
Метод калибровки триады ММГ, предполагающий динамическое изменение задаваемых угловых скоростей и совместную обработку выходных сигналов объекта испытаний и датчиков угла (ДУ) средства испытаний, позволяет в дополнение к стандартной схеме калибровки уточнять параметры соответствующих чувствительных элементов;
Метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей, основанный на использовании оптических (бесконтактных) средств измерений повышает достоверность определения инструментальных погрешностей двухосного средства испытаний.
Научная новизна. В процессе проведения работы получены новые научные результаты:
С целью повышения достоверности и точности результатов испытаний объекта разработан метод калибровки триады ММА, который позволяет определять параметры соответствующих чувствительных элементов независимо от погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта;
С целью уточнения параметров ММГ разработан метод калибровки, который предполагает совместную обработку выходных сигналов объекта испытаний и ДУ средства испытаний;
Для повышения достоверности определения контролируемых характеристик двухосного стенда разработан метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей, основанный на использовании оптических (бесконтактных) средств измерений.
Достоверность научных и практических результатов подтверждается использованием современных научных методов, апробацией результатов в практических условиях, критическим обсуждением результатов работы на научно-технических конференциях. Метрологическое обеспечение прошло предварительную экспертизу в ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Практическая ценность работы
Разработан опытный образец стенда для испытаний ММЧЭ и ИНС на их основе;
Разработан и апробирован метод калибровки триады ММА, методическая погрешность которого составляет порядка 0,01 м/с , при инвариантности к погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта;
Разработан и апробирован метод калибровки триады ММГ, позволяющий обеспечить наблюдаемость и оценку всех параметров модели нескомпенсированных погрешностей соответствующих датчиков;
Разработан и реализован метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей стенда с точностью 3".
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты исследований использовались при выполнении научно-исследовательских работ: 2009-2011 гг. № У-2009-2/4 и № У-2010-3/5 «Разработка двухосного автоматизированного стенда для испытаний микромеханических модулей» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере; 2007-2011 гг. №6558/ЛИНС-48 «Разработка автоматизированных средств исследования метрологических характеристик инерциальных навигационных систем»; 2008-2009 гг. №6815/ЛИНС-58 «Двухосный автоматизированный стенд для испытания
микромеханических модулей»; 2010-2011 гг. ЛИНС-62 «Стенд автоматизированный для испытания микромеханических модулей».
Результаты, полученные в работе, могут быть использованы в учебном процессе в соответствующих образовательных учреждениях, а также при проведении работ в научно-исследовательских институтах, конструкторских бюро и т.п.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, Россия, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009, 2010, 2011 гг.);
XVIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, Россия, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2011гг.);
Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), (2009, 2010, 2011 гг.), Санкт-Петербург, Россия;
3-я Всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» «СУДОМЕТРИКА-2010», Санкт-Петербург, Россия;
Петербургской технической ярмарке (2011 г.), Санкт-Петербург, Россия.
Публикации
Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 9 публикациях, среди которых 4 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.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 48 наименований. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, включает 71 рисунок и 19 таблиц.
Математические модели выходных сигналов ММА и ММГ
Тенденции резкого уменьшения размеров и стоимости инерциальных датчиков (ИД) вместе с возможностью использования информации от спутниковых навигационных систем (СНС) определили перспективу дальнейшего развития бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС). Другими словами, перспективы развития современных навигационных комплексов связаны с созданием инерциальных систем, обладающих малыми массой, габаритными размерами, энергопотреблением и себестоимостью. При этом характеристики- инерциальных навигационных систем (ИНС) среднего класса точности [1] обеспечиваются благодаря комплексированию с СНС, магнитными компасами, датчиками пройденной дистанции и т.д. В качестве чувствительных элементов (ЧЭ) ИНС применяются миниатюрные ги-роскопы и акселерометры, выполненные в рамках технологии микросистемной техники.
В результате, даже в случае использования сравнительно грубых ИД обеспечивается высокая-точность всех выходных параметров БИНС при использовании информации от СНС, а также сохранение этой- точности при кратковременной потере сигналов от спутников.
По прогнозам, сделанным в 2003 году [2], рынок всех микромеханических инерциальных датчиков к 2009 г. должен был вырасти до 1,35 млрд. долл. США (рис. 1.1). При этом сегмент рынка микромеханических гироскопов (ММГ) увеличился бы до 718 млн. долл. США за счёт роста потребностей автомобильной промышленности (производство средств безопасности), а объём продаж микромеханических акселерометров (ММА) - до 626 млн. долл. США, как за счет автомобильной промышленности, так и за счет производства потребительских товаров.
Вопреки прогнозам, быстроразвивающийся глобальный рынок микромеханических чувствительных элементов (ММЧЭ)к 2010 г. превысил 9 млрд. долл. США [3]. Системы- на основе ММЧЭ получили широкое распространение в различных областях, некоторые из которых приведены на рисунке 1.2 [4]. На сегодняшний день, одной» из. самых передовых областей применения МЭМС являются»космические системы и аппараты [3]!. По точностным характеристикам ММГ пока проигрывают традиционным ЧЭ и относятся к категории грубых (рис. 1.3). Но, несмотря на это, они широко используются в гражданской и военной промышленности и предназначены. для применения в тех устройствах, где интервалы автономной работы гироскопа, как правило, малы, то есть коррекция,производится достаточно1 часто или непрерывно.
Однако, прогноз состояния гироскопии до 2020 г. [5] (рис. 1.4) предполагает, что ММГ точность ММГ достигнет 0,01» /час, что будет соответствовать высокому (навигационному) классу точности.
По принципу измерения акселерометры делятся на приборы прямого и компенсационного измерения. Первые непосредственно передают информацию об ускорениях, действующих на их инерционные массы..В этом случае все погрешности измерительной цепи присутствуют в выходном сигнале акселерометра. В акселерометрах компенсационного измерения сила, вызванная измеряемыми ускорениями, действующая на ЧЭ, частично или полностью уравновешивается с помощью цепи отрицательной обратной связи, реализующей силовую разгрузку ЧЭ с помощью выходного сигнала, поступающего на устройство компенсации. В этом случае точность измерительной цепи зависит в основном от преобразователя силы [4, 6]. Оборонная пром. 9%
Электрокар дгосткиздаяторы с встроенным ММ А. Интеллектуальные системы протезирования с функциями контроля (ММА иММГ) за пространственный положение я и перемещением исполнительных органов. «Сенсорная» перчатка с программой обработки данных, позволяющая кохтролировать положение руки и каждого пальца.
Навигационное обеспечение инкпикометрик (контроль к управление бурением глубоких и сверхглубоких скважин). Навигационное обеспечение систем контроля за состоянием геометрии трубопроводов на больших, в том числе трансконтинентальных расстояниях. Вибродиагкостика на базе ММА состояния компрессоров на станциях перекачки нефтепродуктов. Автомобилестро ение Системы навигации иа ММА иММГ. Системы безопасности на базе ММА и ММГ, исключающие занос автомобиля при торможении (ABS) и обеспечивающие- срабатывание подушек безопасности.
Смете мы курсовой устойчивости (ESP) и распределения тормозных усилий (EBD), антящзобукссвочные системы (ASR) и т.д.
Прикладное состояние ММЧЭ Достигнутый уровень разработки ММА и ММГ позволил многим производителям таких датчиков перейти к созданию инерциальных измерительных модулей (ИИМ) и систем. Рассмотрим некоторые модели ИИМ и ИНС на базе ММЧЭ, внешний вид которых представлен на рисунке 1.7, производства-ведущих отечественных и зарубежных компаний [8, 9, 10, 1Г, 12, 13].
Все представленные разработки являются законченными продуктами, будь то интегрированные навигационные системььназемного и авиационного применения производства российских компаний, ООО «ТеКнол» и ОАЄИ «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», или ИИМ на ММЧЭ (производства как отечественных, так и зарубежных компаний).1
Анализ инструментальной погрешности калибровки триады ММА предложенным методом
Для калибровки одноосных акселерометров и гироскопов используются, как правило, одноосные испытательные стенды. В конструкции любого одноосного стенда присутствуют обычно такие элементы, как прецизионные, предварительно нагруженные подшипники, планшайба с плоской поверхностью с отверстиями для установки испытуемой системы, коллектор для подвода и снятиягсигналов с нагрузки, высокоточные датчики угла [19].
Все стенды приводятся в движение электродвигателем. Обычно это мо-ментный щеточный или бесконтактный двигатель переменного-или постоянного тока с прямым приводом. Он обеспечивает высокий крутящий момент и плавность вращения-в широком диапазоне угловых скоростей. Двигатели переменного тока обеспечивают высокую динамику, а двигатели постоянного тока — большую плавность. Также возможно применение шаговых двигателей, когда отсутствует необходимость в неограниченном угле поворота и требуется сверхвысокая точность позиционирования [20].
Контроль движения испытательного стенда осуществляется- замкнутой системой управления сервомотора, состоящей из щеточного моментного двигателя, датчика углового положения w сервоусилителя со встроенным контроллером движения. Во время работы сервоусилитель постоянно контролирует параметры силовых цепей и данные, получаемые с датчика положения двигателя, в реальном-времени адаптируя параметры управления к изменяющимся условиям и обеспечивая, высокие динамические характеристики и качество управления.
В качестве примера рассмотрим несколько одноосных стендов (рисунок 1.15) ведущих мировых фирм-производителей [21, 22, 23, 24]:
Современное производство ММЧЭ; как было показано выше, ориентировано на двух или трехосные датчики или трехосные ИИМ, состоящие из триад ММА и ММГ. При калибровке таких систем использование одноосных испытательных средств является нецелесообразным (см. рис. 1.9, 1.10), так как для реализации традиционных методов и схем испытаний требуется переустановка оси стенда в различные плоскости, что, в свою очередь, влияет как на достоверность получаемого результата, так и на трудозатраты оператора.
Поэтому в целях автоматизации процесса калибровки, понижения трудозатрат и повышения достоверности результата испытаний целесообразнее использовать двухосные стенды, например (рис. 1.16): главе представлены основные сведения о современном состоянии и тенденции развития ММЧЭ и систем на их основе. Рассмотрены традиционные методы, и схемы калибровки ММА; и ММЕ.. Обзор и анализ рынка средств испытаний показал, что для реализации калибровки ММЧЭ и систем на их основе; целесообразнее использование двухосных,стендов; Однако при калибровке триад ММА и ММГ с,помощью двухосного стенда по традиционным, методам имеет место ряд погрешностей, источники и анализ которых показали: на результат калибровки ММЧЭ оказывает влияние погрешность ориентации стенда относительно плоскости горизонта. Полученные численные значения погрешностей оценок параметров; мате 51 магических моделей выходных сигналов триад ММА и ММГ (1.5, 1.6) превышают соответствующие значения для датчиков среднего класса точности (табл. 1.1 и 1.2). Это обстоятельство приводит к довольно жестким требованиям по выставке стенда в плоскости горизонта и оснащении лаборатории «развязанным» фундаментом, что не всегда экономически целесообразно; результаты калибровки ММЧЭ и систем на их основе зависят от инструментальных погрешностей средства испытаний, что накладывает требования на технические характеристики двухосного стенда. Таким образом, необходимо разработать новые методы калибровки ММЧЭ, способные обеспечивать оценку параметров ИД на уровне среднего класса точности. Такие методы должны исключать влияние погрепшости ориентации испытательного средства относительно плоскости горизонта на результаты калибровки, что позволит отказаться от оснащения испытательных лабораторий на производстве дорогостоящим «развязанным» фундаментом.
Кроме того, необходимо разработать миниатюрный двухосный стенд для апробации предлагаемых методов. Технические и эксплуатационные характеристики установки должны соответствовать уровню современного испытательного приборостроения, а также обеспечивать реализацию калибровки датчиков среднего класса точности.
Методы оценки погрешности задания угловой скорости и ее нестабильности в среднем за оборот
В машино- и приборостроении наиболее часто используются два метода определения отклонения от перпендикулярности двух осей [35]: а) с: помощью коленчатой оправки с прибором для измерения длин и? контрольной оправки (рис. 3.4); б) спомощью рамного уровняй контрольных оправок (рис. 3;5). Рассмотрим принцип измерения обоими методами;. В первом случае коленчатую: оправку Iі,. несущую на плече заданной длины / измерительный прибор 2, укрепляютна рабочем органе -3, вращающемся вокруг одной из проверяемых осей. Вторую проверяемую ось 4- воспроизводят контрольной;оправкой 5; Измерительный прибор укрепляют так, чтобы; его: чувствительный элемент. (наконечник); касался образующей!этой? оправки и был: перпендикулярен: ей; Коленчатую оправку разворачивают на 180.
Тогда:отклонение от перпендикулярности осей будетнравно алгебраиче-скошразностишоказаний измерительного прибора: В этом случае в результат измерения входит осевое биение рабочего органа 3. Кроме того, воспроизведение осей стенда коленчатыми- оправками накладывает определенные требования к изготовлению таких инструментов;
Метод определения, отклонения ют перпендикулярности осейс помощью рамного уровня реализуется следующим образом. Оси, как и, в первом случае, воспроизводят коленчатыми оправками 1 и- 2, к которым поочередно прижимают рамный уровень 3..
Метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей с помощью рамного уровня и контрольных оправок Отклонение от перпендикулярности осей на длине / стороны уровня равно алгебраической разности его показаний. Полученный результат в единицах угла пересчитывают с учетом длины / в единицы длины.
Представленные методы имеют ряд принципиальных ограничений, связанных, прежде всего, с особенностями применяемых контактных средств измерений и контроля, таких как рамные уровни и контрольные оправки: Кроме того; при определении?исследуемого: параметра, согласно-данным?методам, необходима одновременная- физическая доступность к обеим осям уст тановки; что не всегда возможно.
Проведя анализ известных методов оценки; контролируемых в процессе аттестации? характеристик, двухосного? стенда,, можно сформулировать следующие положения: для оценки погрешности«позиционирования по обеим осям стенда может быть применим традиционный;метод, реализуемый с помощью автоколлиматора: (или подобного устройства); и оптического полигона. для определения погрешности? задания угловой скорости и\ ее нестабильности.: в среднем? за одиш оборот, может быть использован метод фиксированного угла;, в качестве которого используется полный оборот, который характеризуется нуль метками датчиков углов стенда. известные методы определения отклонения от перпендикулярности осей стенда не могут быть применены в силу наличия ограничений по доступности к осям установки. Кроме того, не учитываются технологические и конструктивные особенности принципов построения подобных средств испытаний (осевое биение и т.п.).
Таким образом, необходимо разработать и апробировать новый метод оценки отклонения от перпендикулярности, не требующий одновременной физической доступности к осям стенда и способный обеспечивать точность определения искомого параметра в пределах ±10" (см. п. 2.1.1). 3.2 Метод оценки отклонения от перпендикулярности осей
На рисунке 3.6 представлена схема реализации предлагаемого метода, суть которого заключается в формировании осями стенда опорной плоскости, и в определении искомого параметра по изменению угловой ориентации малой оси при ее развороте вокруг большой оси на 180. Для организации угловых измерений предлагается использовать автоколлимационные устройства, расположенные в вершинах пространственного треугольника, лежащего, в свою очередь, в опорной плоскости. В качестве последней целесообразно выбрать плоскость горизонта. Для передачи положения малой оси предлагается использовать отражающую поверхность, например, грань многогранной призмы [41] (или оптическое зеркало).
Призму в оправке или зеркало 4 (см. рис. 3.6) располагают на малой оси стенда и юстируют положение отражающей поверхности с помощью автоколлимационного устройства следующим образом: производят разворот планшайбы на -90 относительно горизонта вокруг большой оси установки и выставляют зрительную трубу средства.измерения ТІ так, чтобы в автоколлимационном режиме работы прибора визуально наблюдать отраженное от рабочей поверхности призмы или зеркала изображение. Далее реализуют развороты планшайбы на 180 вокруг обеих осей установки и выставляют зрительную трубу средства измерения Т2 аналогично ТІ. Прибор ТЗ должен обеспечивать оптическую связь между всеми средствами измерений, при этом, они должны быть отгоризонтированны и сориентированы по высоте друг относительно друга с точностью:
Стенд двухосный автоматизированный. Внешний вид и технические характеристики
Согласно методике поверки, представленной в главе 3, было проведено исследование контролируемых параметров стенда, в том числе апробирован предложенный метод оценки отклонения от перпендикулярности его осей (таблица 4.5).
Как видно из таблиц 4.4 и 4.5 стенд полностью»удовлетворяет требованиям, представленным-в пп. 1.1 (таблицы 1.1-1.3) и 2.1, и может быть использовано как для реализации традиционных схем калибровки ММЧЭ.(п.1.2.3), так и для методов, представленных в главе 2.
При реализации предложенных методов на стенде в качестве объекта испытаний был использован миниатюрный ИИМ «LINS IMU», внешний вид-которого приведен на рисунке 4.14. В состав модуля входят три ММА ADXL203 и три ММГ ADXRS401, производства компании Analog Devices, основные технические характеристики которых приведены.в таблицах 4.6 и 4.7 соответственно.
Внешний вид стенда с закрепленным измерительным модулем показан на рисунке 4.15. Стендом предусмотрена возможность синхронизации показаний микромодуля и ДУ стенда с их последующей записью в единый текстовый файл. Частота съема данных составляет 1кГц. 125
Целью экспериментальных исследований является апробация4 предложенного метода калибровки триады ММА, входящей в состав испытуемого ИИМ. Метод подразумевает реализацию алгоритма оценки элементов математической модели выходных сигналов триады ММА (2.1), инвариантного к погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта. Как показано на рисунке 1.11 погрешность ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта описывается тремя углами Д\/,Д0,Ак, причем значения углов Д\/ и А0, характеризующих отклонение большой оси стенда от горизонта и малой — от вертикали места соответственно, определяются средствами контроля (уровни, квадранты и т.п.).
Для реализации предложенного метода необходимо выполнить следующую последовательность действий:
Wyo 8213,64 8213,63 wz0 8192,00 8186,38 В таблице 4.9 представлены результаты оценки элементов математической модели (2.1) до и после изменения угла AG соответственно. Таблица 4.9 - Результаты калибровки триады ММА по предложенному мето ду. Параметры Обозначение Величина (до изм. угла Аб) Величина(послеизм. углаАЭ) Размерность Коэффициенты пропорциональности кх -336,6967 -336,6872 ед.съема/м/с2 Кг 0,1454 0,1667 к3 -0,6406 -0,6051 к4 -0,1168 -0,7032 к5 336,6609 336,6391 к6 -0,7196 -0,7712 к, 4,3371 4,3241 к, 1,1667 1,2557 к9 335,0220 334,9572 1 Продолжение таблицы 4.9 Параметры Обозначение Величина (до изм. угла А0) Величина(после изм.угла АЭ) Размерность Смещения нулей wx0 7912,69 7912,52 ед.съема Wy0 8215,39 8214,31 wz0 8192,51 8191,45 -1-І w7 \WA шщ + Wy0 W? ко J Для оценки методической погрешности Д (а,Р) по стандартной схеме и предложенному методу необходимо проекции линейного ускорения на оси приборной системы координат выразить через выходные сигналы триады ММА, т.е. представить выражения (1.5) и (2.1) в следующем виде, соответственно:
На; рисунке 4; 16 представлены графики: погрешности аппроксимации экспериментальных, данных, полученных-по- стандартной схеме: калибровки триады;ММА (при позиционировании вокруг оси .Ох) (а)\ — до изменения: угла Д0, б) — после изменения угла А0). Видно, что;погрешность аппроксимации экспериментальных данныхщо изменения утла AG в 4 раза меньше, чемшосле искусственно: внесенной: погрешности ориентации стенда относительно плоскости горизонта, т.е. погрешность угла АЭ (как было показано в п. 13;1) напрямую? оказывает влияние на:результаты оценки параметров математической модели (1.5).
По представленным на рисунке 4.17 соответствующим графикам видно, что изменения погрешности; аппроксимации экспериментальных данных (при позиционировании вокруг осю Ох); до (а)ш после (б) изменения угла Д0; оста-ются на одном уровне 0$Г м/с .Из этого следует, что предложенный метод инвариантен к погрешности ориентации средства испытаний, на котором калибруется объект, относительно плоскости горизонта: (см. п. 2.1);
Нарисунках 4.18- 4.21 показаны аналогичные рисункам 4.16 и 4.17 результаты эксперимента при позиционировании испытуемого объекта в гравитационном поле Земли вокруг осей Оу и Oz соответственно. На графиках видна повторяемость полученных результатов.
