Способ калибровки параметров бесплатформенного инерциального измерительного модуля

Способ калибровки параметров бесплатформенного инерциального измерительного модуля

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области бесплатформенных инерциальных систем ориентации и навигации внутритрубных инспектирующих снарядов магистральных трубопроводов, кораблей, самолетов, автомобилей 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 гироскопов [1]. 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 гироскопа или навигационной камеры, установленной на платформе [1]. Затем применяется либо аналитический разностный алгоритм, либо алгоритм регуляризации А.Н.Тихонова, либо численный алгоритм на основе метода Ньютона-Рафсона [2]. 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 гироскопов при этом недоступен юстировке.

Известен способ калибровки гироинерциальных измерителей бесплатформенной инерциальной навигационной системы ориентации космического аппарата [3], 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.

Недостатками данного изобретения являются:

- отсутствие в составе бесплатформенного инерциального измерительного модуля (БИИМ) акселерометров, что не обеспечивает полного состава БИИМ, в силу чего навигацию подвижного объекта (ПО) нельзя осуществить;

- невозможность произвести калибровку параметров БИИМ на неподвижном относительно Земли основании из-за непригодности астродатчиков функционировать в закрытом помещении.

Известен способ калибровки гироскопических датчиков угловой скорости (ДУС) в составе бесплатформенных инерциальных измерительных модулей (БИИМ) [4], при этом калибруются по сигналам двухкомпонентного ДУС'а и трех однокомпонентных акселерометров, т.е. блока акселерометров, входящих в состав БИИМ, коэффициенты модели угловой скорости дрейфа каждого ДУС'а, 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 ИИМ устанавливают в 3 различных фиксированных положениях по зенитному углу (θ=0°; θ=/90°/), при этом установку углов зенита производят по сигналам акселерометров и в каждом из них разворачивают ИИМ на азимутальные углы, близкие к значениям 0°, 90°, 180°, 270°. Во всех фиксированных положениях определяют сигналы ДУС'ов 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'а. При этом сигналы блока акселерометров используются для определения угла зенита и угла установки отклонителя.

Данный способ принимается за наиболее близкий аналог изобретения.

Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает режимы калибровки масштабных коэффициентов, не полностью обеспечивает определение углов неточной установки измерительных осей однокомпонентных ДУС'ов на основе волоконно-оптических, волновых твердотельных и других гироскопов, трех акселерометров, а также не позволяет определять углы непараллельности соответствующих одноименных измерительных осей ДУС'ов и акселерометров.

Задачей данного изобретения является расширение функциональных возможностей способа калибровки параметров БИИМ за счет обеспечения возможности калибровки масштабных коэффициентов ДУС'ов и акселерометров, углов неточной установки измерительных осей трех ДУС'ов и трех акселерометров относительно корпуса БИИМ, а также углов непараллельности соответствующих одноименных измерительных осей ДУС'ов и акселерометров.

Технический результат изобретения состоит в том, что изменяется конструкция БИИМ, т. к. вводится еще один ДУС, а определенные при калибровке параметры БИИМ, а именно величины масштабных коэффициентов ДУС'ов и акселерометров, угловые скорости дрейфов ДУС'ов, сдвиги нулей акселерометров, углы неточной установки измерительных осей ДУС'ов и акселерометров, используются в алгоритмах функционирования бесплатформенной системы ориентации и навигации - БИСОН. За счет учета параметров в алгоритмах функционирования БИСОН повышается ее точность.

Поставленная задача решается тем, что в способе калибровки параметров бесплатформенного инерциального измерительного модуля, заключающемся в том, что на корпусе модуля устанавливают двухкомпонентный гироскопический датчик угловой скорости и блок акселерометров - измерителей трех взаимно перпендикулярных компонентов вектора кажущегося ускорения, причем первые и вторые измерительные оси гироскопического датчика угловых скоростей и блока акселерометров соответственно параллельны, на корпусе модуля изготавливают базовую поверхность с выделением азимутального направления, базовой поверхности задают исходное горизонтальное положение, азимутальное направление этой поверхности, совпадающее с осью отсчета угла крена, устанавливают на географический север, выдерживают в исходном положении бесплатформенный инерциальный модуль, задают повороты корпусу модуля, во всех положениях запоминают выходные сигналы гироскопических датчиков угловых скоростей и блока акселерометров, определяют коэффициенты модели угловых скоростей дрейфов и углы неточной установки измерительных осей гироскопического датчика угловой скорости по отношению к корпусу модуля, отличающийся тем, что измеряют третий компонент угловой скорости корпуса модуля через посредство дополнительно введенного однокомпонентного гироскопического датчика угловой скорости, после чего для определения масштабных коэффициентов гироскопических датчиков угловых скоростей корпус модуля из исходного положения путем задания плоских поворотов разворачивают вначале на угол курса до значения -ψ_m, запоминая все время выходные сигналы, выдерживают при угле -ψ_m, затем с постоянной угловой скоростью разворачивают корпус модуля до значения ψ_m, производят при этом выдержку и осреднение во времени выходных сигналов, после чего возвращают в исходное положение, из которого последовательно поворачивают корпус модуля с выдержками такими же, как по углу курса, на углы крена -γ_m, γ_m, а потом - на углы тангажа -θ_m, θ_m, после каждого из плоских поворотов возвращают корпус модуля в исходное положение и по запомненным сигналам определяют по следующим алгоритмам

масштабные коэффициенты гироскопических датчиков угловой скорости, где - осредненное во времени значение компонента выходного сигнала угловой скорости; а затем определяют оценки углов неточной установки (i, s=1, 2, 3) их измерительных осей по отношению к корпусу модуля по следующим алгоритмам:

, - табличные значения угловой скорости Земли и широты места,

где t₂, t₃ - время начала и окончания поворота, после этого из исходного положения ψ=θ=γ=0 поворачивают корпус модуля в каждое из трех угловых положений с фиксированными в каждом из них двумя установками на углы крена γ и тангажа θ:

1. ψ=0, θ(1)=0, γ(1)=0, а затем θ(2)=0, γ(2)=180°

2. ψ=0, θ(1)=180°, γ(1)=0; а затем θ(2)=180°, γ(2)=180°

3. ψ=0, θ(1)=0, γ(1)=90°, а затем θ(2)=0; γ(2)=-90°;

где (1), (2) - индексы углов первой и второй установок в каждом положении, запоминают сигналы трех акселерометров и по следующим алгоритмам определяют сдвиги нулей акселерометров:

по следующим алгоритмам определяют масштабные коэффициенты акселерометров

после этого для тех же фиксированных значений углов поворотов корпуса модуля ±ψ_m; ±θ_m; ±γ_m, которые были заданы для гироскопических датчиков угловой скорости при их масштабировании, запоминают выходные сигналы блока трех акселерометров и по следующим алгоритмам

определяют углы неточной установки их измерительных осей, осей - табличное значение силы тяжести, а - оценка сигнала акселерометра в исходном горизонтальном положении, после этого определяют оценки углов непараллельности измерительных осей соответствующих гироскопов и акселерометров по алгоритму:

На фиг.1 изображена кинематическая схема инерциального измерительного модуля (БИИМ). На фиг.2, 3, 4 представлены схемы поворотов измерительных осей трех гироскопов OV₁, OV₂, OV₃ относительно корпуса БИИМ, на фиг.5 - положение географического трехгранника на земной поверхности, а также повороты трехгранника относительно географического; на фиг.6 - графики изменения углов курса ψ, тангажа θ и крена γ БИИМ.

В качестве объекта испытаний выступает БИИМ, кинематическая схема которого изображена в упрощенном виде на фиг.1, где приняты следующие обозначения: правая ортогональная система координат, связанная с гранью корпуса 1 БИИМ три линии этой позиции ведут: левая линия - к наружной грани, параллельной плоскости средняя линия - к грани правая - к наружной грани, параллельной плоскости . В качестве опорной для гироскопов и акселерометров поверхности выступает грань 2, параллельная плоскости , две линии этой позиции ведут к двум ребрам, принадлежащим грани . На опорной поверхности 2 имеются устройства для крепления корпуса 1 БИИМ гранью 2 к подвижному объекту, которые не показаны. На трех других гранях 3 и 4 установлены три однокомпонентных гироскопических датчика угловой скорости ДУС'а (гироскопа) 5, 6, и 7 с измерительными осями V₁, V₂ и V₃ соответственно. На этих же гранях установлены три измерителя кажущихся ускорений (акселерометра) 8, 9 и 10 с измерительными осями N₁, N₂ и N₃ соответственно. Они составляют блок акселерометров. На фиг.1 эти оси пересекаются в одной точке О, эта же точка является началом системы координат оси которой соответственно параллельны осям системы координат , а оси N₁, N₂ и N₃ не совпадают с осями оу₁, оу₂, оу₃ из-за неточностей изготовления и сборки акселерометров и корпуса 1. По аналогичным причинам оси V₁, V₂, и V₃ не параллельны осям и N₁, N₂, N₃ соответственно. Считаем, что системы координат оу₁у₂у₃ и являются ортогональными.

Ниже излагается пример осуществления заявляемого способа.

Итак, опорной является грань корпуса 1 БИИМ. Ее опора при калибровке совпадает с поверхностью платформы поворотной установки, например, КПА-5. Корпус 1 крепится к этой платформе винтами (не показаны). Следовательно, положение грани а значит, оси задано однозначно. Направление оси определяется осью вращения платформы поворотной установки. Аналогично, направления осей и также определяются осями поворотов платформы поворотной установки. По данным направлениям с помощью пазов на платформе выставляется с помощью устройства юстировки корпус 1 в азимуте. Например, в КПА-5 неперпендикулярность этих осей обеспечивается с точностью 10 угл.с, чего вполне достаточно для целей практики. В силу конструкторских и технологических причин грани корпуса 1 между собой неперпендикулярны, имеют свою ориентацию, что отображается системами координат, связанными с ними. Между корпусом 1 БИИМ и платформой поворотной установки устанавливают еще поворотный кронштейн (не показан), обеспечивающий дополнительные развороты БИИМ, дополняя углы ψ, θ, γ до необходимых больших значений. Выше измерительные оси гироскопов 5, 6 и 7 обозначены через V_j (i=), а акселерометров - через N_j (i=); углы неточной установки измерительных осей гироскопов относительно трехгранника будем задавать двумя углами , а углы неточной установки акселерометров 8, 9 и 10 относительно трехгранника оу_i (i=) - углами Углы включают углы неточности ориентации вокруг осей системы координат , а также измерительных осей гироскопов (акселерометров), к соответствующим граням корпуса 1.

На фиг.2, 3, 4 изображены повороты трехгранников, , связанных с соответствующими гироскопами 5, 6 и 7, причем s - номер гироскопа, i - номер оси; на фиг.2-4 для измерительных осей гироскопов принято Повороты трехгранников для акселерометров 8, 9 и 10 не показаны - они аналогичны поворотам фиг.2, 3, 4, причем для измерительных осей акселерометров также положено , вместо углов фигурируют углы . Запишем выражения для проекций угловых скоростей системы координат на измерительные оси гироскопов считая углы их отклонений малыми:

В (1) ω_уi=ω_у'i из-за параллельности осей и оу_i, в силу чего индекс "'" опущен.

Теперь запишем соотношения для проекций кажущихся ускорений акселерометров на оси oN_i по аналогии с предыдущим случаем:

Здесь - углы отклонений измерительных осей oN_i первого, второго и третьего акселерометров от их расчетных направлений вокруг осей схемы поворотов осей oN_i аналогичны изображенным на фиг.3-5, но с заменой угловых скоростей ω_yi на кажущиеся ускорения W_yi, а осей на ; W_yi - компоненты кажущегося ускорения по соответствующим осям системы координат oy_i W_i - проекция кажущегося ускорения точки о на i-ю измерительную ось s=i акселерометра. Здесь ψ, θ, γ - углы курса, тангажа и крена корпуса 1 БИИМ; g - ускорение силы тяжести; ω - широта места; R - радиус Земли, принимаемой за сферу; U - угловая скорость суточного ее вращения. Имеем для корпуса 1 () БИИМ, где ω_yi=ω_y'i:

где - проекции угловой скорости U вращения Земли на оси трехгранника ψ, θ, γ - углы курса, тангажа и крена поворотов корпуса 1 БИИМ.

Сигналы на выходах гироскопов и акселерометров определяются формулами:

где К_Гi, К_ai - масштабные коэффициенты гироскопов и акселерометров; , - напряжения в битах информации на выходах аналого-цифровых преобразователей (АЦП) соответствующих гироскопов и акселерометров; Δω_yi, ΔW_yi - угловые скорости дрейфов гироскопического трехкомпонентного ДУСа и сдвиги нулей акселерометров без учета погрешностей неточной их установки; δω_yi, δW_yi - относительные погрешности их масштабных коэффициентов; - сигналы гироскопов и акселерометров (или, что то же самое, оценки соответствующих угловых скоростей и кажущихся ускорений); - компоненты угловой скорости географического трехгранника по его осям; А - матрица направляющих косинусов углов ψ, θ, γ; g - ускорение силы тяжести; W_yi - проекции кажущегося ускорения на оси системы координат оу_i При этом

Методика калибровки масштабных коэффициентов гироскопов K_Гi сдвигов нулей Δω_i и углов их неточной установки основана на том, что БИИМ устанавливают на поворотную установку, например, КПА-5, а оси поворотов ее платформы, и соответствующие углам γ и θ, ориентируют на север и восток, а ось ее поворота, соответствующая углу ψ - - в зенит. Саму платформу поворотной установки и основание для нее (КПА-5) горизонтируют по уровням, а также, например, квадранту КО-2 с точностью порядка 10". Платформе с помощью рукояток задают плоские, т.е. производимые вокруг одной оси, повороты с угловыми скоростями в диапазоне от 5 до 30 угл.град/с. Углы поворотов КПА-5 достаточны для ДУС'ов, а для акселерометров с целью обеспечения реверсирования их осей между платформой и корпусом 1 БИИМ ставят поворотный кронштейн или БИИМ устанавливают на платформу карданова подвеса стенда СС-208.

Оси БИИМ путем выставки базы и направления ориентированы в исходное состояние, например, по компасу и квадранту параллельно осям географической СК, так что оси параллельны осям оζ_i. Вначале задают вращение по курсу, при этом θ=γ≡0 (верхний индекс опускают). Получают формулы:

Оценки угловых скоростей гироскопов 5, 6, 7 в силу (9') равны:

Нетрудно видеть, что при неподвижной платформе КПА при идентифицируются угловые скорости дрейфов гироскопов Δω_i (i=1,2,3) с учетом углов их неточной установки и погрешностей масштабных коэффициентов:

Здесь - сигналы гироскопов при неподвижной относительно Земли географически ориентированной платформе.

Время для определения Δω_i устанавливается экспериментально. Вначале ИИМ работает во включенном состоянии примерно 60 мин для стабилизации температурного режима, а затем угловые скорости дрейфов усредняют за время порядка 60...200 с. Окончание времени определения угловых скоростей дрейфов гироскопов является t=0 (фиг.6).

Вначале определяют масштабные коэффициенты гироскопов К_Гi (i=1,2,3); не прекращая процесс записи сигналов гироскопов, платформу разворачивают в азимуте от ψ=0 на угол ψ=-ψ_m, затем в угловые положения ψ=ψ_m (|ψ_m|≤90°) и назад в положение ψ=0° по шкале КПА-5 (фиг.6). С учетом пренебрежения членами второго порядка малости и (10) формулы (9) принимают вид:

По второму уравнению в (11) производят калибровку масштабного коэффициента гироскопа 6. Из первого и третьего уравнений (11) определяют углы и , но в их составе имеются члены с переменными коэффициентами sinψ, cosψ, что усложняет процедуру вычислений. Для ее упрощения осредняют эти коэффициенты. Вычислим интегралы для промежутка времени t₂,...,t₃, т.е. для углов -ψ_m, ψ_m:

С учетом этого, подставив измеренные и определенные значения переменных в (11), получают оценки:

Численное интегрирование сигнала гироскопа 6 (второе уравнение системы (11)) производится при апостериорной обработке результатов измерения в соответствии с выражением

где 0, l_l - номера тактов измерений, соответствующие началу интервала интегрирования сигнала гироскопа 6 (момент времени t=t₂) и концу этого интервала t₀; Δt_j - шаг j-го такта измерения, величина постоянная; - выходной сигнал гироскопа 6 в битах младшего разряда АЦП по напряжению для интервала времени 60...200 с перед t=0 при определении угловой скорости его дрейфа; - среднее значение этого сигнала.

Для интервала времени t₀,...,t₃ также производят численное интегрирование сигнала гироскопа 6 (l=2):

где индекс j=1 соответствует моменту времени t₀, а l₂ - моменту времени t₃ (фиг.6). Сигналы (13') и (13") имеют место в интервалы времени t₁-t₂ и t₃-t₄ соответственно.

Для снижения влияния шумов на точность вычисления данных оценок на указанных интервалах производится осреднение ≥1000 значений оцифрованных сигналов гироскопов. По формуле (14) определяют масштабный коэффициент азимутального гироскопа:

При наличии неравенства корректируют эти коэффициенты.

После этого определяют оценки углов неточной установки гироскопов 5 и 7:

где , , - оценки соответствующих переменных; Δω₁, Δω₃ берутся в соответствии с (10); - берется в соответствии с первой формулой системы (12').

После этого из исходного горизонтального положения производят развороты платформы с ИИМ по углу γ, по характеру соответствующие фиг.6, в силу чего сигналы ИИМ позволяют калибровать масштабный коэффициент гироскопа 5, а для гироскопов 6 и 8 определить углы неточной установки по уравнениям (1), (3), (4), полученным с учетом ψ=θ=0; γ=γ(t):

Учитывая, что при γ≡0 эти уравнения приобретают вид:

причем , , идентифицированы при горизонтальной платформе, т.е. являются известными, выражениям (16) придадим следующую форму:

Пренебрегая членами 3^го порядка малости, получаем

Осредняя данные выражения по виду (11') и (12), учитывая интегралы вида (13'), (13'') в данном случае будем иметь для масштабного коэффициента К_Г1 по аналогии с К_Г2 выражение:

Для определения углов неточной установки из (17), (18) с учетом осреднения получаем:

где .

Разрешив данные уравнения, с учетом (14) получим:

Здесь , , - осредненные на интервале t₂-t₃ сигналы; - фиксированные значения модулей углов крена, задаваемых при поворотах платформы КПА-5 по и против направления движения часовой стрелки. Средние угловые скорости , определяются в соответствии с графиками, изображенными на фиг.6.

Наконец, также из исходного горизонтального положения производят развороты платформы КПА-5 с установленным на ней БИИМ по углу тангажа θ, по характеру соответствующие фиг.6. Для калибровок используют записанные сигналы гироскопов и акселерометров, а также следующие выражения

На основе (9) имеем:

С учетом выражений (10), пренебрегая членами второго порядка малости, формулам (20) придадим следующий вид:

Для масштабного коэффициента гироскопа 7 по аналогии с предыдущими имеем:

где .

Для оценок углов неточной установки измерительных осей гироскопов 5 и 6 используются алгоритмы:

где , определены ранее по формулам (15) и (19).

Итак, изложен способ определения масштабных коэффициентов и углов неточной установки измерительных осей гироскопов 5, 6, 7 относительно посадочных плоскостей корпуса 1 БИИМ - его базы и направления. Переходят к калибровке параметров блока акселерометров. БИИМ по-прежнему устанавливается на платформе КПА. В отличие от калибровки гироскопов, при калибровке акселерометров нет нужды в задании непрерывных поворотов - вполне достаточно задать фиксированные углы поворотов. Для обеспечения калибровки масштабных коэффициентов, БИИМ устанавливают в поворотный кронштейн (карданов подвес), например, поворотного стола СС-208 [5], обеспечивающий повороты и фиксацию БИИМ на углы, обеспечивающие значения ψ, θ, γ до ±180°. Для выходной информации акселерометров на основе формул (2), (3), (4) имеют следующие оценки выходных сигналов:

где ΔW_xi (i=) - сдвиги нулей акселерометров с измерительными осями оу₁, оу₂, оу₃ соответственно; - сигнал i-го акселерометра на соответствующем выходе АЦП; К_ai - масштабный коэффициент i-го акселерометра.

При горизонтированной платформе сигналы (24) упрощаются к виду:

Судя по модели (24), подлежат определению 6 углов неточной установки измерительных осей , а также сдвиги нулей и масштабные коэффициенты 1-го, 2-го и 3-го акселерометров, т.е. 12 параметров.

После этого определяют масштабный коэффициент К_A2 второго акселерометра на основе (24), задав вначале углы тангажа и крена θ(1)=0°; y(1)=0°, а затем θ(2)=0°; γ(2)=180° и измерив сигналы (1) и (2), получили:

- Алгоритмы для определения сдвига нуля:

где - табличное значение ускорения силы тяжести для местности, где производится калибровка.

- Алгоритмы для определения масштабного коэффициента:

При наличии разности между и необходимо корректировать какие-либо из этих значений.

Перейдем к определению углов неточной установки измерительных осей акселерометров относительно корпуса 1 БИИМ. Для определения масштабного коэффициента и сдвига нуля акселерометра 8 (фиг.1), задают угол зенита θ=90°, угол крена, вначале γ(1)=0, а затем γ(2)=180°. В этом случае из (24) имеют:

После этого получают:

Для определения масштабного коэффициента акселерометра 10 (на фиг.1) задают в (24) угол зенита θ=0; угол крена вначале γ(1)=90°, а затем γ(2)=-90°. Для этого случая справедливы формулы:

В итоге имеют алгоритмы для третьего акселерометра:

- Для определения сдвига ну