CALIBRATION OF THE INERTIAL MEASUREMENT UNIT IN CRITICAL CONDITIONS

ISSN (p) 0321-2211, ISSN (e) 2663-3450 Теорія та практика сучасного прецизійного приладобудування ТЕОРІЯ ТА ПРАКТИКА СУЧАСНОГО ПРЕЦИЗІЙНОГО ПРИЛАДОБУДУВАННЯ УДК 531.383 КАЛІБРУВАННЯ ІНЕРЦІАЛЬНО-ВИМІРЮВАЛЬНОГО МОДУЛЯ В КРИТИЧНИХ УМОВАХ Аврутов В. В., Позняк Д. О. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна E-mail: Калібрування інерціально-вимірювального модуля (ІВМ) є важливою самостійною задачею та є найважливішим етапом підготовки до роботи платформних і безплатформних інерціальних навігаційних систем (БІНС). Традиційне калібрування ІВМ, що містить принаймні три гіроскопи й три акселерометри, проводиться в спеціалізованих випробувальних лабораторіях, вивчено досить детально. Однак, широке використання ІВМ, що використовують МЕМС датчики, які мають характерну нестабільність параметрів, призводить до необхідності проведення докалібрування ІВМ безпосередньо перед роботою БІНС у критичних або польових умовах. У таких умовах, по-перше, відсутнє необхідне для повноцінного проведення традиційного калібрування випробувальне обладнання, а по-друге, процес докалібрування обмежений за часом. У статті було проведено дослідження щодо можливості використання методу послідовних поворотів для докалібрування ІВМ у польових умовах. За такого підходу на відміну від методу тестових поворотів немає необхідності здійснювати поворот ІВМ на 180 градусів, а досить повернути ІВМ на незначні кути. Отримано розрахункові співвідношення для визначення масштабних коєфіцієнтів та нульових сигналів блоку акселерометрів для двох положень ІВМ. Проведений експеримент підтвердив справедливість отриманих розрахункових співвідношень. Крім того, описаний метод докалібрування, який дозволяє оцінити, крім масштабних коєфіцієнтів і нульових сигналів, блоку акселерометрів також кути нахилу основи, на якій встановлено ІВМ. Для цього необхідно мати щонайменше п'ять різних положень ІВМ. Крім того, розглянуто калібрування блоку гіроскопів, коли використовуються гіроскопи тактичного та навігаційного класу точності. Для гіроскопів тактичного класу точності, що виготовляються за МЕМС технологією, в польових умовах визначаються нульові сигнали, які не стабільні від пуску до пуску. Для калібрування блоку гіроскопів навігаційного класу точності отримано алгоритми визначення нульових сигналів та масштабних коєфіцієнтів, для чого використовуються ті самі два положення, в яких відбувалося калібрування блоку акселерометрів. Тобто, під час калібрування ІВМ у критичних умовах можна одночасно проводити калібрування блоку гіроскопів та блоку акселерометрів, що економить загальний час калібрування. Ключові слова: гіроскопи; акселерометри; інерціально-вимірювальний модуль; калібрування. Вступ Інерціально-вимірювальний модуль (IВМ) є основою побудови інерціальних систем орієнтації та навігації. IВМ складається з акселерометрів і гіроскопів, кожен з яких має свої індивідуальні характеристики (параметри) у вигляді масштабного коєфіцієнта, зміщення нуля, коєфіцієнтів перехресного зв'язку та низки інших параметрів. Крім того, при установці чутливих елементів IВМ через інструментальні похибки виготовлення виникають розбіжності осей чутливості елементів з базовими осями блоку. Для визначення вищезазначених параметрів виконують процедуру калібрування. Під калібруванням розуміється визначення основних параметрів IВМ з метою їхнього подальшого використання [1]. Калібрування може відбуватися на виробництві або в дослідницьких лабораторіях і безпосередньо на рухомих об'єктах перед початком роботи [2]. Основним та визначальним забезпеченням точності IВМ є калібрування на виробництві. Калібрування на рухомих об'єктах, в основному, призначено для уточнення параметрів IВМ, які змінюються від пуску до пуску та можуть бути отримані без застосування спеціального високоточного обладнання. Для калібрування IВМ на виробництві зазвичай використовують метод тестових поворотів [1-3]. Метод тестових поворотів полягає у вимірі вихідного сигналу об'єкта випробувань у двох положеннях, що відрізняються орієнтацією на 180º. Для калібрування акселерометрів як випробувальне обладнання використовується Вісник КПІ. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ, Вип. 66(2), 2023. 5 ISSN (p) 0321-2211, ISSN (e) 2663-3450 Теорія та практика сучасного прецизійного приладобудування оптична ділильна головка, а для гіроскопів – поворотна або обертальна установка. Для знаходження параметрів інерціальних датчиків вихідні сигнали їх порівнюються з еталонними значеннями. Традиційно, як інваріант для акселерометрів, застосовують вектор прискорення сили тяжіння, а для гіроскопів – вектор кутової швидкості обертання поворотної (обертальної) установки в сумі зі значенням вектору кутової швидкості обертання Землі [4]. Такого роду калібрування можна назвати векторним. У ході векторного калібрування визначаються зміщення нулів, масштабні коєфіцієнти (у тому числі їх нелінійність), кути відхилення вимірювальних осей акселерометрів та гіроскопів щодо осей пов'язаної системи координат. Якщо дослідний стенд оснащений температурною камерою, то в процесі калібрування вектору можна визначити параметри температурної залежності зсувів нулів і масштабних коєфіцієнтів акселерометрів і гіроскопів [5]. Недоліком векторного калібрування є необхідність точної кутової орієнтації осей IВМ щодо осей локальної системи координат. Калібрування IВМ прецизійних БІНС висуває жорсткі вимоги до стендового обладнання, тому що точність визначення коєфіцієнтів моделей похибок у цьому випадку обмежується інструментальними похибками дослідницьких стендів. Останнім часом використовуються методи, в яких, як зразок для калібрування, використовується скалярна величина [1, 6]. Скалярний метод калібрування не висуває жорстких вимог до кутової виставки випробувального обладнання та виставки датчиків на випробувальному устаткуванні. Водночас, необхідно мати досить високу точність виміру нормованих вихідних сигналів датчиків. На точність скалярного калібрування впливають похибки завдання кутів поворотів випробувального обладнання [7]. Для вирішення проблеми сингулярності, що виникає під час роботи з матричними обчисленнями, запропоновано перейти при розрахунках від кутів Ейлера-Крилова до кватерніонів [8]. Запропоновано використовувати скалярний метод калібрування, а також метод функціональних діагностичних моделей для контролю та діагностики стану БІНС. Процес перевірок полягає в порівнянні обчислених оцінок значень нульових сигналів, помилок масштабних коєфіцієнтів і кутів неортогональності датчиків з їх відповідними номінальними параметрами з урахуванням допусків до цих параметрів, що зберігаються у внутрішній пам'яті БІНС [9]. Однак, слід враховувати, що кутова швидкість обертання Землі є слабким сигналом і може бути використана для калібрування тільки високоточних БІНС, в яких рівень шумів датчика кутових швидкостей нижче за величину корисного сигналу. Для калібрування гіроскопів БІНС середнього та низького класу точності (на базі МЕМС) необхідно використов (...truncated)