Динамический метод исследования погрешностей триады микромеханических акселерометров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.03, кандидат наук Дао Ван Ба

• Дао Ван Ба
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Дао Ван Ба

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

1.1 Обзор инерциальных датчиков

1.1.1 Инерциальные датчики и системы

1.1.2 МЭМС инерциальные датчики

1.1.3 Области применения акселерометров

1.1.4 Микромеханические акселерометры в задачах навигации

1.2 Традиционные методы и схемы испытания акселерометров

1.2.1 Статический режим испытания акселерометров

1.2.2 Динамические методы испытания акселерометров 25 Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОГО МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ТРИАДЫ

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ

2.1 Системы координат и ускорение триады при сложном движении

2.1.1 Системы координат и матрицы поворотов

2.1.2 Входные воздействия на акселерометры при угловых колебаниях на двухосном стенде испытаний

2.2 Динамический метод исследования погрешностей триады микромеханических акселерометров

2.2.1 Алгоритм выработки кинематических параметров триады микромеханических акселерометров

2.2.2 Блок-схема алгоритма выработки кинематических параметров

2.2.3 Методическая погрешность 55 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ВЫРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К СРЕДСТВУ ИСПЫТАНИЙ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ДИНАМИЧЕСКОГО МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ

ПОГРЕШНОСТЕЙ ТРИАДЫ ММА

3.1 Выработка требований к средству испытаний

3.1.1 Инструментальные погрешности средства испытаний

3.1.2 Требования к средству испытаний

3.1.3 Выбор времени съема данных

3.2 Имитационное моделирование динамического метода исследования погрешностей триады ММА

3.2.1 Параметры моделирования

3.2.2 Результаты моделирования 70 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ДИНАМИЧЕСКОГО МЕТОДА

4.1 Описание измерительного модуля и стенда испытаний

4.1.1 Описание измерительного модуля

4.1.2 Описание испытательного стенда

4.2 Экспериментальные исследования триады

микромеханических акселерометров

4.2.1 Установка измерительного модуля на стенде

4.2.2 Влияние температуры при включении модуля

4.2.3 Программа испытаний 88 4.2.4. Результаты исследований

Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамический метод исследования погрешностей триады микромеханических акселерометров»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: Области применений микромеханических инерциальных датчиков непрестанно расширяются. Благодаря своим малым габаритным характеристикам, энергопотреблению и себестоимости, формируется новый сегмент рынка миниатюрных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС). Микромеханические акселерометры (ММА) обеспечивают широкий диапазон измерений и точностные характеристики ИНС среднего класса. Однако требования к точностям инерциальных датчиков и систем на их основе при решении задач навигации и ориентации с каждым днем ужесточаются, что приводит к необходимости совершенствования методов их испытаний с целью получения достоверных математических моделей погрешностей, учитывающих динамические характеристики и условия дальнейшей эксплуатации.

Наиболее используемыми на сегодняшний день методами испытания акселерометров являются: методы с использованием вращающихся платформ (центрифуг), поворотов в гравитационном поле Земли, линейно перемещающихся платформ [1], скоростной метод [2], скалярный метод испытаний 3-х осных блоков взаимно ортогональных (триад) акселерометров [3, 4] и т.д. К их основным недостаткам следует отнести: 1) сложность конструкции; 2) жесткие требования к начальной выставке; 3) в ряде случаев отсутствие возможности оценивания углов взаимной неортогональности измерительных осей триады; 4) значительное время подготовки и проведения испытания.

Следует отметить, в первую очередь, тот факт, что триады ММА широко применяются на высокоманевренных объектах, характерной особенностью которых является непостоянство положения центра качения в приборной системе координат. Помимо этого, в большинстве случаев взаимное расположение ММА в триаде таково, что их оси чувствительности не

пересекаются в одной точке, кроме того, в случае использования трехосного ММА, эта точка отстоит от начала приборной системы координат измерительного блока. Данные конструктивные особенности, характеризуемые радиус-векторами, должны оцениваться на стадии испытаний и учитываться в дальнейшем в алгоритмах БИНС.

Выше сказанное позволяет утверждать, что актуальным является разработка новых динамических методов исследований погрешностей триады ММА, предполагающих проведение испытаний в условиях, близких к реальному режиму движения объекта. При этом необходимо без потери точности характерной для традиционного метода поворотов в гравитационном поле Земли сократить время испытаний, что в свою очередь позволит снизить требования к точности начальной выставки стенда. Целью работы является разработка динамического метода исследований погрешностей триады микромеханических акселерометров. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализ существующих методов испытаний акселерометров;

2. Разработка динамического метода исследования погрешностей триады ММА, учитывающего взаимное расположение осей чувствительности акселерометров, позволяющего сократить время испытания и тем самым снизить требования к выставке стенда;

3. Выработка требований к испытательному стенду;

4. Проверка эффективности предложенного метода путем имитационного моделирования;

5. Экспериментальные исследования динамического метода исследования погрешностей триады ММА на двухосном стенде.

Методы исследований:

При решении поставленных задач в работе использовались основные положения теоретической и аналитической механики, векторной и матричной алгебры, методов математического и имитационного

моделирования, теории статистической обработки экспериментальных данных.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Исследования погрешностей акселерометров в режиме колебательных угловых движений позволяют сократить время испытаний, благодаря динамическому изменению входных воздействий;

2. Динамический метод, в отличие от статических, позволяет снизить погрешность калибровки за счет учета взаимного расположения акселерометров в триаде;

3. Совместная обработка показаний испытуемой триады микромеханических акселерометров и датчиков углов позволяет оценить погрешность начальной выставки стенда и тем самым скорректировать ее влияние на результаты калибровки.

Научная новизна:

В процессе проведения исследовании получены новые научные результаты:

1. Разработан динамический режим испытания акселерометров, в отличие от стандартного метода, предполагающий колебательное движение;

2. Разработан алгоритм испытания акселерометров, учитывающий геометрическое местоположение триады акселерометров от центра качания;

3. Предложена схема комплексирования показаний ММА с показаниями датчиков углов, позволяющая оценить погрешности выставки стенда в плоскости горизонта.

Практическая ценность работы:

1. Разработанный метод испытания по сравнению со статическим методом позволяет сократить время испытаний ММА на порядок;

2. Программное обеспечение, разработанное в среде МаЙаЬ, позволяет имитировать показания триады микромеханических акселерометров в режиме угловых колебаний и может быть использовано в учебном процессе для исследования погрешностей инерциальных навигационных систем;

3. Предложенный алгоритм позволяет снизить требования к выставке средства испытаний.

Реализация и внедрение результатов работы:

Результаты, полученные в работе, внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) на кафедре лазерных измерительных и навигационных систем, а также использованы при проведении научных исследований при финансовой поддержке НИР в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности № 8.1068.2014/К (теоретические исследования) и ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы», проект 14.541.21.0043 (экспериментальные исследования). Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. VIII международной научно-практической конференции «Современные проблемы машиностроения» СПМ - 2014, 16 -18 октября 2014 г., Томск, Россия;

2. Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава университета, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт Петербург, Россия (2011,2013 и 2015 г.). Публикации:

Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 7 публикациях, среди которых 2 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.

Содержание диссертации:

В первой главе выполнен обзор современного состояния микромеханических инерциальных датчиков, а также рассмотрены области применения микромеханических акселерометров. Так, например, показано, что на высокоманевренных объектах отстояние акселерометров от изменяющегося в приборной системе координат центра качания приводит к возникновению дополнительных составляющих ускорений, которые должны оцениваться в алгоритмах инерциальных навигационных систем. Поэтому необходимо уже на стадии испытаний учитывать данное отстояние, вплоть до взаимного расположения акселерометров в триаде - конструктивные характеристики.

Проведен анализ существующих на сегодняшний день методов испытаний акселерометров, который показал актуальность разработки динамического метода исследования погрешностей, обладающего достоинствами и исключающего недостатки традиционных методов.

Во второй главе приведено описание предлагаемого динамического метода исследований погрешностей акселерометров на двухосном стенде в режиме квазигармонических угловых движений. Приведена схема совместной обработки показаний триады ММА и датчиков углов стенда, в основе которой используется оптимальный фильтр Калмана. Предложены к оцениванию следующие дополнительные параметры: погрешности выставки стенда в плоскости горизонта, систематические погрешности датчиков угла, погрешность радиус-вектора, характеризующего положения акселерометров в приборной системе координат относительно центра качания (учитывается взаимное расположение акселерометров в триаде).

В третьей главе сформулированы требования к средству испытаний и смоделирована работа алгоритма, реализующего динамический метод исследования погрешностей акселерометра. Исследовались влияния таких погрешностей как погрешности начальной выставки стенда в плоскости горизонта, систематические погрешности датчиков угла стенда и

погрешности радиус-вектора. Результаты показали, что с помощью предложенного метода можно оценивать эти погрешности и корректировать их вклады в оценки коэффициентов математической модели триады акселерометров. Это позволило снизить требования к точности задания ориентации как средства испытания, так и самой триады относительно плоскости горизонта. Кроме этого, предложенный метод позволил оценить положения триады акселерометров в приборной системе координат.

В четвертой главе приведены результаты серии экспериментальных исследований погрешностей триады микромеханических акселерометров: 1) с использованием стандартного метода испытаний в режиме угловых позиционирований относительно вектора ускорения свободного падения; 2) с использованием предложенного динамического метода в режиме динамического квазигармонического углового движения. Сравнительный анализ показал эффективность полученных в диссертационной работе решений.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

1.1 Обзор инерциальных датчиков 1.1.1 Инерциальные датчики и системы

На сегодняшний день инерциальные технологии применяются не только в системах навигации и управления движением, но и для решения задач в таких областях как геодезия, топография, гравиметрия, метрология, логистика и др. [5].

В последние годы можно выделить три основные технологии в разработке инерциальных датчиков: кольцевой лазерный гироскоп, волоконно-оптический гироскоп и микроэлектромеханические датчики и системы (МЭМС). Лазерные гироскопы применяются во многих задачах благодаря высокой стабильности масштабного коэффициента и незначительной ^-чувствительности. Волоконно-оптические гироскопы были разработаны как более дешевая альтернатива лазерных гироскопов и используются в аналогичных лазерным гироскопам задачах.

Инерциальные датчики характеризуются широким диапазоном по точности. Технические характеристики инерциальных датчиков различных классов точности показаны в таблице 1.1. Современные МЭМС инерциальные датчики полностью охватывают низкий класс точности [6-9].

Таблица 1.1- Классы точности инерциальных датчиков

Класс точности Характеристика гироскопа Характеристика акселерометра

Низкий >3 °/ч >3м#

Средний 0,03 °/ч 0,ЗМ£

Высокий 0,003 °/ч 0,03м#

Инерциальные навигационные системы (ИНС) в автономном режиме, из-за погрешностей чувствительных элементов (гироскопов и акселерометров) и погрешностей модели поля силы тяжести, обладают недостаточной точностью определения местоположение объекта. Эти погрешности приводят к растущим во времени погрешностям выработки местоположения. Для объектов с коротким временем движения такие погрешности могли бы быть приемлемыми, но для транспортных средств, имеющих более длинную продолжительность движения, обычно необходимо обеспечить периодические обновления навигационной информации. При этом показания инерциальной системы обновляются максимально часто, такие системы называются комплексированными навигационными системами. Они реализуют принцип избыточности, когда один и тот же навигационный параметр измеряется несколькими навигационными системами. В таких системах ИНС играют роль основной системы, а в качестве дополнительной системы выступают спутниковые навигационные системы (СНС), компасы, лаг, одометр и т.д. [10]. При этом ИНС должна обеспечить автономную навигационную информацию во время потери сигнала от СНС.

Анализ тенденции развития технологии ИНС/СНС систем показал, что комбинация приемника СНС и недорогостоящей инерциальной системы в будущем обеспечит глобальную точную навигационную систему. На рисунке 1.1 показаны стоимости ИНС или ИНС/СНС в зависимости от типа технологий инерциальных датчиков и их характеристик. Стоимость приемника СНС обычно незначительна. Системы классифицированы как: системы на лазерных гироскопах или волокно-оптических гироскопах, содержащие различные типы акселерометров; кварцевые системы с кварцевыми гироскопами и кварцевыми акселерометрами; МЭМС с системами интегральной оптики. Сплошная линия указывает диапазон ожидаемой стоимости. Системы на волоконно-оптических гироскопах потенциально могут иметь более низкую стоимость, чем системы на

лазерных гироскопах. Однако до настоящего времени этого не произошло, потому что лазерные гироскопы находятся в относительно крупном производстве на благоустроенных фабриках, а волоконно-оптические гироскопы в настоящее время не производятся в сопоставимых масштабах. МЭМС с системами интегральной оптики предполагают самую низкую стоимость. Окончательно низкая стоимость становится возможной только при массовом производстве (миллионы экземпляров). Это может быть достигнуто только с концентрацией многоосных датчиков и электроники в одной микросхеме или в смежных микросхемах [11].

25 № 500ц^ 1М£ 10м# 100м# 1000м£

Характеристика

Рисунок 1.1- Зависимость стоимостей БИНС от технологий датчиков

1.1.2 МЭМС инерциальные датчики

Расширение области применения инерциальных датчиков приводит к тенденции создания приборов, имеющих уменьшенные показатели по весу, размеру, энергопотреблению и себестоимости при безусловном выполнении целевой функции с заданной точностью. Поэтому МЭМС датчики угловой

скорости и линейных ускорений в комплексе со встроенной электроникой получают все более широкое распространение [12].

МЭМС датчики являются ключевой развивающей технологией для миниатюрных инерциальных навигационных систем. Они также характеризуются высокой прочностью и могут выдержать большие ударные нагрузки. Эти характеристики привели к быстрому расширению областей применения. МЭМС технология создала новый сегмент рынка для инерциальной навигации, а именно, навигация беспилотных летательных аппаратов, автомобилестроение, миниатюрные СНС-интегрированные персональные навигаторы и т.д.

Достижение в области микроэлектроники привело к появлению микромеханических устройств, выполненных с использованием технологий электронной промышленности. Применение таких устройств для измерения параметров движения подвижных объектов различного назначения ознаменовало значительные изменения в инерциальной технике [13, 14].

По данным исследователей из лаборатории имени Чарльза Старка Дрейпера (Charles Stark Draper), США, в 2008 году было произведено 752 млн. единиц МЭМС акселерометров и гироскопов, МЭМС датчики доминируют на рынке автомобильной и бытовой электроники. Также приводятся данные, что доля инерциальных датчиков МЭМС на рынке электроники в 2013 году составила $3 млрд. [15 - 18].

Переход на МЭМС технологии, прежде всего, продвигает развитие МЭМС гироскопов. Их низкая стоимость может быть достигнута только за счет усиления доли промышленного производства для массового потребления, что обеспечит инфраструктуру для поставки МЭМС датчиков в чрезвычайно больших количествах (порядка миллионов штук).

Электромеханические датчики широко используются не только в силу относительно невысокой для обеспечиваемых характеристик стоимости, но и вследствие отсутствия альтернативных технологий, за исключением кварцевых резонаторов, которые используются в областях с менее жесткими

требованиями по точности. Однако МЭМС датчики еще не заняли серьезное место на рынке, но тенденция к этому очевидна, особенно в областях применения для массового потребителя.

В ближайшем времени ожидается, что в сегменте акселерометров низкой точности будут представлены в основном микромеханические датчики. Как и для гироскопов, для акселерометров рынок будет требовать развития датчиков для применений в «умных» приложениях. В сегментах датчиков более высокой точности продолжат использовать механические акселерометры и, возможно, резонансные акселерометры, основанные на кварце или кремнии. Кварцевые резонансные акселерометры широко распространились в коммерческих применениях. Кремниевые микромеханические резонансные акселерометры также разрабатываются. У обеих технологий есть возможные пути улучшения характеристик датчиков.

Ожидается, что МЭМС технология и технология интегральной оптики могут доминировать в сегментах датчиков низкой и средней точности. Объясняется это тем, что, во-первых, за последние десятилетия характеристики МЭМС устройств значительно улучшились, и прогнозируется сохранение данной тенденции. Ожидание дальнейшего усовершенствования технологий является весьма оправданным. Во-вторых, уже продемонстрированы прототипы систем, где все шесть датчиков размещены в одной или двух микросхемах, и это является единственным способом достигнуть поставленной цели - уменьшение стоимости до 1000 долл. за систему ИНС/СНС. При этом вероятно, что технологические решения для акселерометра будут реализованы на несколько лет раньше, чем для гироскопа.

1.1.3 Области применения акселерометров.

Рисунок 1.2 иллюстрирует требования к стабильности смещения нуля и масштабного коэффициента акселерометра для различных применений, а также типы акселерометров, соответствующие данным требованиям [11].

Важнейшим исходным положением для планирования испытаний датчиков навигационных приборов, комплексов и систем является необходимость ориентироваться на определенные области применения, для которых совершенно различны значимые параметры и характеристики датчиков [12]. Основными параметрами акселерометра являются диапазон измеряемых ускорений, чувствительность (масштабный коэффициент), выражаемая обычно как отношение сигнала в вольтах к ускорению, нелинейность от полной шкалы в процентах, шумы, температурные дрейфы нуля (смещения) и масштабного коэффициента.

В ряде случаев существенной характеристикой оказывается собственная частота колебаний сенсора а>о или резонансная частота /0, определяющая рабочую полосу частот датчика. В большинстве применений важны температурный диапазон и максимально допустимые перегрузки -характеристики, связанные с условиями эксплуатации датчиков.

_ 10-1

X

Ю-5

0,1

10

100

1000

10000

Стабильность смещения нуля

Рисунок 1.2 -Характеристики современных акселерометров Определяющими параметрами, влияющими на точность определения ускорения, являются дрейфы нуля и чувствительности (в основном

температурные), а также шумы датчика, ограничивающие порог разрешения устройства. Чувствительность датчика зависит от резонансной частоты механической подсистемы, а также качества электронного преобразователя.

Акселерометры можно использовать в любом устройстве, работа которого связана с перемещением, наклоном, вибрацией. Приведем некоторые типичные применения акселерометров [19-21]:

Автомобилестроение. Одно из наиболее массовых приложений для акселерометров в настоящее время. Датчики ускорения используются в данном случае в целях безопасности - при превышении максимально допустимого ускорения срабатывает система безопасности (подушки безопасности). Кроме этого они используются в противоугонных системах -как измерители угла наклона и вибраций. В первом случае используются датчики диапазона порядка 35-50g и выше, во втором - более чувствительные (1-5#); измерение высокочастотных вибраций также может потребовать несколько больший диапазон. Акселерометры могут использоваться для кратковременной навигации при отсутствии СНС-сигнала, а также для диагностики автомобиля.

Авионика. Датчики ускорения широко используются в системах управления летательными аппаратами, а также в космических системах. Измеряются и вибрации, и квазистатические ускорения.

Промышленность. Широчайшее поле для использования акселерометров. Любой транспорт, подъемное оборудование, устройства безопасности, системы стабилизации положения, тестовые стенды и многое другое. Применяются датчики любого диапазона.

Бытовая техника. Акселерометры применяются и могут значительно больше применяться во многих видах бытовой техники. Например, для уменьшения вибраций (стиральной машины и др.).

Системы защиты от падения. Резкое изменение ускорения наблюдается сразу после начала падения, что дает возможность перевести систему в наиболее безопасное состояние. Типичный пример - защита

жесткого диска в ноутбуках или других мобильных устройствах. Во время падения происходит парковка магнитной головки жесткого диска.

Медицина и спорт. Акселерометры применяются в системах диагностики, тренажерах, шагомерах и др.

Устройства ввода информации. Датчики ускорения используются в наладонниках, устройствах ввода для компьютерных игр, мобильных телефонах и т. д.

Главными источниками ошибок в инерциальной навигационной системе являются погрешности инерциальных датчиков (гироскопов и акселерометров), погрешности начальной выставки навигационной системы и неточности в модели силы тяжести, используемой в вычислениях. Но в настоящее время во всех инерциальных навигационных системах самые большие ошибки происходят именно из-за погрешностей инерциальных датчиков.

1.1.4 Микромеханические акселерометры в задачах навигации

На сегодняшний день МЭМС датчики открывают возможность создания миниатюрных инерциальных навигационных систем для высокоподвижных объектов, таких как беспилотные летательные аппараты (БПЛА), быстроходные суда и т.д. Область применения БПЛА весьма обширна: от сельского хозяйства и строительства до нефтегазового сектора и сектора безопасности. Они могут использоваться в работе служб по чрезвычайным ситуациям (контроль пожарной безопасности); предприятий сельского хозяйства (наблюдение за посевами), лесничества и рыболовства (лесоохрана и контроль рыбного промысла); полиции (патрулирование зон); институтов географии и геологии; компаний нефтегазового сектора (мониторинг нефтегазовых объектов); компаний, занимающихся геодезией (картографирование); строительных предприятий (инспектирование строек); средств массовой информации (аэрофото- и видео съемка) и др. Перечень некоторых версий БПЛА современных копаний в мире представлен

разработками: SkyPatrol-100 от ООО "Техноком Групп"; Т23 «Элерон» завершена в 2003 году компанией «ЭНИКС»; DELTA-M от ООО НПП "Автономные аэрокосмические системы - Гео Сервис" (Россия); General Atomics ALTUS компании General Atomics Aeronautical Systems (США); Aerosonde компании Aerosonde Ltd (США); серия БПЛА LP960, LV580, LM450 компании Lehmann Aviation (Франция); Aerostar (Рисунок 1.3) компании Aeronautics Defense Systems и Firebird 2001 (Израиль) и т.д. [22, 23].

Рисунок 1.3 - БПЛА Аегс^аг Для вышеперечисленных применений требуются малые габариты и энергопотребление бортовых инерциальных навигационных систем, что является определяющим при выборе систем на МЭМС датчиках. В зависимости от решаемых задач БПЛА, в их составе имеются триады инерциальных датчиков (микромеханических гироскопов и акселерометров), а также барометрический высотомер и трехосный магнитометр. Комплексируя показания этих датчиков с данными приемника СНС, в том числе используя для коррекции датчики температуры и влажности, система вырабатывает полное навигационное решение по координатам и углам ориентации. Обобщенная функциональная схема БИНС для БПЛА приведена на рисунке 1.4.

Гироскопы и акселерометры вместе с сервисной электроникой объединяются в инерциальный измерительный модуль (ИИМ), являющийся источником первичной навигационной информации. Информация с гироскопов в виде проекций вектора абсолютной угловой скорости С1с на связанные с БПЛА оси вводится в алгоритм определения ориентации, который основан на решении кинематических уравнений, записанных относительно искомых параметров ориентации. В качестве параметров ориентации могут быть использованы углы Эйлера-Крылова, направляющие косинусы, кватернионы и др. Наиболее часто в алгоритмах БИНС используются кватернионы, которые для передачи на регистрирующие устройства пересчитываются в традиционные углы рыскания \|/, тангажа 0 и крена у . В алгоритме определения ориентации также формируется матрица С, с помощью которой осуществляется пересчет информации из связанной системы координат в горизонтную (географическую). Для определения матрицы С необходимым является привлечение информации об абсолютной угловой скорости горизонтного трехгранника П^. Информация с акселерометров в виде проекций вектора кажущегося ускорения пс на оси связанной системы координат передается в блок пересчета, с помощью которого осуществляется перепроектирование проекций кажущегося ускорения пс, измеренных акселерометрами, на оси горизонтной системы координат п^. Информация о проекциях кажущегося ускорения на оси горизонтной системы координат поступает в навигационный алгоритм, где вырабатываются координаты местоположения объекта X, У, Ъ и скорость У. Здесь же определяется абсолютная угловая скорость О^ горизонтной системы координат, поступающая в алгоритм определения ориентации [24].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дао Ван Ба, 2015 год

Список литературы

1. Синельников, А.Е. Низкочастотные линейные акселерометры. Методы и средства поверки и градуировки / А.Е. Синельников - М.: Изд-во стандартов, 1979. - 176 с.

2. Климкович, Б.В. Калибровка БИНС в инерциальном режиме. Объединение скоростного и скалярного методов / Б.В. Климкович // Гироскопия и навигация. - 2014. - № 3. - С. 29.

3. Измайлов, Е.А. Скалярный способ калибровки и балансировки бесплатформенных инерциальных навигационных систем / Е.А. Измайлов, С.Н. Лепе, A.B. Молчанов, Е.Ф. Поликовский // XV МКИНС. - СПб. - 2008. - С. 145.

4. Аврутов, В. В. О скалярной калибровке блока гироскопов и акселерометров / В. В. Аврутов // Вестник НТУУ "КПИ". Серия ПРИ ЛА ДОБУДУ В АННЯ. - 2010. - Вип. 40. - С. 10-17.

5. Оптические и микромеханические инерциальные приборы /A.M. Боронахин, Д.П. Лукьянов, Ю.В. Филатов. - СПб.: ООО «Техномедия» : Изд-во «Элмор», 2008. - 400 с.

6. Barbour, N.M.Inertial Navigation Sensors [Электронный ресурс]/ N. М. Barbour // Educational Notes RTO-EN-SET-116. - 2011. - Режим доступа: http://ftp.rta.nato.int/

7. Маавеев, B.B. Инерциальные навигационные системы. Учебное пособие. Изд-во ТулГУ, 2012.-199 с.

8. Боронахин, A.M. Средства испытаний инерциальных систем и их чувствительных элементов / А. М. Боронахин, П. А. Иванов, Е. Д. Бохман, Ю. В. Филатов, И. Л. Суров // Сборник докладов XVIII Санкт - Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам, ОАО « Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2011. - 1 июня. - С. 34.

9. Boronakhin, А. М. Test Beds for Small Sized Inertial Systems and Sensors/ A.M. Boronakhin, P. A. Ivanov, E. D. Bokhman, Yu. V. Filatov, and I. L. Surov// ISSN 2075-1087, Gyroscopy and Navigation. - 2012. - Vol. 3. - № 3. - pp. 188.

10. Анучин, О.Н. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов [Текст] / О.Н. Анучин, Г. И. Емельянцев; Под общей ред. акад. РАН В. Г. Пешехонова. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 390 с.

11. George Т. Schmidt. INS/GPS Technology Trends [Электронный ресурс]/ George Т. Schmidt // Educational Notes RTO-EN-SET-064- Режим доступа: http://ftp.rta.nato.int/public/PubFullText/RTO/EN/RTO-EN-SET-064/EN-SET-064-01.pdf.

12. Челпанов, И.Б. Методы испытаний микромеханических датчиков и приборов / И.Б. Челпанов, М.И. Евстифеев, А.В. Кочетков // Приборы. - 2014. -№ 4(166).-С.16.

13. Курганова, С.Я. Инерциальные микромеханические датчики [Электронный ресурс] / С.Я. Бурганова // Режим доступа: http://www.lib.tpu.rU/fulltext/v/Conferences/2012/C2/Vl/vl_082.pdf

14. Распапов, В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие / В.Я. Распопов - М.: Машиностроение, 2007. - 400с.

15. Barbour, N.Inertial MEMS Systems and Applications [Электронный ресурс]/ N. Barbour, R. Hopkins, A. Kourepenis, P. Ward // Educational Notes RTO-EN-SET-116. - 2010. - Режим доступа: http://ftp.rta.nato.int/public/PubFullText/RTO/EN/RTO-EN-SET-116-2010/EN-SET-116(2010)-03.pdf

16. MEMS Accelerometer, Gyroscope and IMU Market 2008 - 2013: report ID 29144 - Yole Développement, 2009. - 239 p.

17. Dixon R. Prospects for MEMS in the Automotive Industry [Электронный ресурс] / Richard Dixon and Jérémie Bouchaud // MEMS journal, July 2007 -Режим доступа: http://www.memsjournal.com/2007/08/prospects-for-m.html.

18. Bouchard J., Taking the pulse of the MEMS Industry [Электронный ресурс]/ Bouchard J. //Wicht Technologie Consulting - Think small - issue 2, volume 2 - April 2007 - Режим доступа: http://www.frankhaugwitz.info/doks/aboutme/2007_04_Wicht_Consulting_InterviIn _China_PV.pdf.

19. Тимошенков, С.П. Применение МЭМС-сенсоров в системах навигации и ориентации подвижных объектов / С.П. Тимошенков, А.П. Кульчицкий // Нано- и микросистемная техника. 2012. №6. С. 51 - 56.

20. Ларионов Д. Акселерометры компании Analog Devices [Электронный ресурс] / Дмитрий Ларионов // Электронные компоненты. - 2005. - №11. -Режим доступа: ftp://77.47.129.53/pub/journals/EK/2004-2005/EK/PDF_2005/l 1_2005/2005_1 l_125-130.pdf.

21. Elwenspoek, М. and R. Wiegerink, 2005. Silicon micro accelerometers. Mechanical microsensors, pp: 230 - 236.

22. Список беспилотных летательных аппаратов [Электронный ресурс]//Материал из Википедии - Режим доступа: https://ru.wikipedia.0rg/wiki/CnHC0K_6ecnHn0THbix^eTaTenbHbix_annapaT0B.

23. Салычев, О.С. Опыт ООО "ТеКнол" по разработке систем управления беспилотными летательными аппаратами [Электронный ресурс] / О.С. Салычев, В.В. Воронов // Авиакосмическое приборостроение. - 2007. - № 9. -Режим доступа: http://www.teknol.ru/trash/experience_uav_control_1000354109.pdf

24. Распапов, В.Я. Бесплатформенные системы ориентации и навигации на микромеханических чувствительных элементов [Электронный ресурс]/ В.Я. Распапов, В.В Матвеев //Портал магистров Дон НТУ - Режим доступа: http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2013/fkita/bezruk/library/article6.pdf

25. Artese, G. Calibration of a low cost MEMS INS sensor for an integrated navigation system / G. Artese, A. Trecroci// The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. -Beijing, 2008. - Part B5. - P. 877.

26. IEEE Aerospace and Electronic Systems Society.IEEE 3 Park Avenue, New York, NY 10016-5997, USA-IEEE Std 1554™.IEEE Recommended Practice for Inertial Sensors Test Equipment,Instrumentation, Data Acquisition and Analysis. -2005.- 115 p.

27. Hayal, A. Static calibration of the tactical grade inertial measurement: Thesis Master of Science /А. Hayal. - Columbus, USA: The Ohio State University, 2010. -79 p.

28. Аврутов, В. В. Влияние погрешности поворота стенда на точность калибровки блока гироскопов и акселерометров / В. В. Аврутов, Т. Ю. Мазепа // Вестник НТУУ "КПИ". Серия ПРИ ЛА ДОБУДУ В АННЯ. - 2012. - Вип. 43. - С. 5-9.

29. Боронахин, А. М. Исследование влияния инструментальных погрешностей испытательного средства на результаты калибровки блока микроакселерометров /A.M. Боронахин, П. А. Иванов, И. Л. Суров // Нано - и микросистемная техника. -2011.- № 3. - С. 9.

30. Деревянкин А. В. К теории калибровки блока акселерометров (тезисы доклада) / А. В. Деревянкин, А. И. Матасов // XV Санкт-Птербурская международная конференция по интегрированным навигационным системам. -СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2008. - С. 71-72.

31. Николаев С.Г. Калибровка бесплатформенных инерциальных навигационных систем по выходным сигналам модели ошибок/ С.Г. Николаев , Ю.В. Ившина. Научно-технические ведомости СПбГПУ 4'(200) 2014. - С. 95105.

32. Шаврин, В.В. Калибровка микроэлектромеханических датчиков ускорений и угловых скоростей в бесплатформенных инерциальных навигационных системах / В.В. Шаврин, A.C. Конаков, В.И. Тисленко. // Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь. - 2012. - июнь. - №1. - С. 265.

33. Мьинт Хтун Наинг. Калибровка триады акселерометров инерциальной навигационной системы на стенде // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности ввузе : материалы Региональной научно-технической коференции, 22 -25 апреля 2014 г. Т.1. - М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана,2014. - С. 180-192.

34. Успенский, В.Б. Метод калибровки акселерометрического измерительного модуля / В. Б. Успенский, М. В. Некрасова // Вестник НТУУ «КПИ». Серия ПРИЛАДОБУДУВАННЯ. - 2012. - Вип. 44. - С. 15-23.

35. Деревякин А. В. Методика калибровки блока акселерометров при грубой информации о его угловом положении / А. В. Деревякин, А. И. Матасов // Механика-математический факультет МГУ, 2006. - 69 с.

36. Иванов П.А. Методика калибровки инерциальных измерительных модулей на базе микромеханических чувствительных элементов /П.А. Иванов, А.В. Маляева, И.Л. Суров //Навигация и управление движением. Материалы XIII Конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» - СПБ.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». - 2011 - С.65.

37. Коновалов С. Ф. Методы и аппаратура для испытания триад акселерометров / С. Ф. Коновалов, Г. М. Новоселов, А. В. Полынков, А. А. Трунов, В. В. Юрасов // V Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. - СПб. - 1998. - С. 197-203.

38. Лепе С. Н. Разработка и исследование метода калибровки избыточных измерителей ускорения с целью повышения точности БИНС : дис... канд. техн. Наук : 05.11.14 / Лепе Сергей Николаевич. - М„ 2008. - 129 с.

39. Тарановский Д.О. Метод калибровки блока маятниковых поплавковых акселерометров корабельной инерциальной навигационной системы: Автореф. дисс... канд. тех. наук. СПб.: Изд-во ОАО «Концерн «ЦНИИ "Электроприбор», 2009.

40. Titterton and J. Weston, Strapdown Inertial Navigation Systems. The Institution of Electrical Engineers, 2004.

41. D. Titterton and J. Weston, Strapdown Inertial Navigation Systems. The Institution of Electrical Engineers, 2004.

42. Ashkan Amirsadri. Practical Considerations in Precise Calibration of a Low-cost MEMS IMUfor Road-Mapping Applications / A.Amirsadri, J.H. Kim, L.Petersson, J.Trumpf.// American Control Conference (ACC).- 2012. - P. 881-888.

43. Колганов, B.H. Способ определения статических характеристик акселерометров на центрифуге [Электронный ресурс] / В.Н. Колганов, А.А. Папко, Т.Н. Балашова, Ю.М. Малкин //Патент RU 2192016 - Режим досту na:http://www. findpatent.ru/paten t/219/2192016.html

44. P836/D7 (June 2006) 'Draft Recommended Practice for Precision Centrifuge Testing of Linear Accelerometers"

45. Анисимов, С.А. Динамические методы аттестации испытательных стендов для калибровки инерциальных систем / С.А. Анисимов//Навигация и управление движением. Материалы XIV Конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» - СПБ.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». - 2012. - 515 с.

46. Иванов, П.А. Разработка и исследование методов испытаний микромеханических инерциальных модулей : дис. ... канд. тех. Наук : 05.11.16 / Иванов Павел Алексеевич. - СПБ., 2011. - 146 с.

47. Боронахин, А. М. Интегрированные инерциальные технологии динамического мониторинга рельсового пути: автореф. дис. ... д-ра. тех. Наук : 05.11.03 / Боронахин Александр Михайлович. - СПБ., 2013. - 32 с.

48. Дао Ван Ба, Ле Ван Чанг, Шалымов Р.В. Динамическая калибровка триады акселерометров на двухосном стенде. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 8/2014, с.72-76.

49. Yu. V. Filatov, A.M. Boronakhin, V.B. Dao, V.T. Le. Sensor information processing for calibration of inertial measurement units/ Proceedings of 2014 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems, MEACS, 2014.

50. Yu. V. Filatov, A.M. Boronakhin, V.B. Dao, V.T. Le. Dynamic calibration method of inertial measurement units/ Microsystem Technologies, 1, 2015.

51. Дао Ван Ба, Ле Ван Чанг. Динамическая калибровка акселерометров// 68-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета, СПБЭТУ «ЛЭТИ» 2015, Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых, 28 февраля - 05 марта 2015 г. Санкт Петербург. С.189-193

52. Бать, М.И. Теоретическая механика в примерах и задачах: Статика и кинематика: учебное пособие / М. И. Бать, Г.Ю. Джанелидзе, А.С. Кельзон. -СПб.: Политехника, 1995. - 670с.

53. Веремеенко К.К. Лаборатория испытаний инерциальных навигационных систем. Известия Тул ГУ. -7/2012 с.57-67.

54. Лукьянов, Д.П. Инерциальные навигационные системы морских объектов/ Д.П. Лукьянов, А.В. Молчанов, А.А. Одинцов, И.Б. Вайсгант; под. ред. Д.П. Лукьянова: -Л.: Судостроение, 1989. - 184 с.

55. Распапов, В. Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / В. В. Матвеев, В. Я. Распопов/ Под общ. ред. д.т.н. В. Я. Распопов: - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. -280 с

56. Гравитационное поле Земли. Гравиметрия [Электронный ресурс]//БХВ Петербург. Сила знаний. - Режим доступа: www.bhv.ru/books/get_pdf_data.php?id= 18 3100

57. Гупалов, В. И. Инерциальные методы и средства определения параметров движения объектов и свойств рельсового пути: учебное пособие / В. И. Гупалов, А.В. Мочалов, А.М. Боронахин. - СПБ.: Изд-во СПБГЭТУ "ЛЭТИ", 2003. 144с.

58. Степанов О.А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации: 4.1. Введение в теорию оценивания /О.А. Степанов. - Изд. 2-е, исправлен, и дополнен. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. - 509с.

59. Кузовков Н.Т. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация / Н. Т. Кузовков, О. С. Салычев. - М.: Машиностроение, 1982. - 216 с.

60. Дао Ван Ба, Чан Танг Дык, Ле Ван Чанг. Системы навигации в задачах управления движением надводными объектами// 66-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета, СПБЭТУ «ЛЭТИ» 2013, Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых, 1-8 февраля 2013 г. Санкт Петербург. С. 208-212.

61. Дао Ван Ба, Чан Танг Дык, Ле Ван Чанг, Оптимизация алгоритмов инерциальной навигационной системы надводных объектов. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 4/2014 с.58-62.

62. Grewal, M. Application of Kalman filtering to the calibration and alignment of inertial navigation systems/M. Grewal, V. Henderson, R. Miyasako// IEEE Transactions, Automatic Control. 1991. - Vol. 36. - №.1. - P. 4-13

63. Агапов, М.Ю. Разработка и исследование гониометрических систем контроля преобразователей угла: дисс... канд. техн. наук: 05.11.16 / Агапов Михаил Юрьевич. - СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009.

64. Агапов, М. Ю. Разработка и исследование гониометрических систем контроля преобразователей угла: автореф... канд. техн. наук: 05.11.16 / Агапов Михаил Юрьевич. - СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009.

65. Степанов O.A. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации: 4.2. Введение в теорию фильтрации/ O.A. Степанов. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2012.-417с.

66. Стенд бесконтактного измерения углового положения объекта (СБИУП). Руководство по эксплуатации [Текс].

67. Дао Ван Ба, A.M. Боронахин, П.А. Иванов, И.Л. Суров, М.А. Лебедева, A.B. Маляева, Ле Ван Чанг. Результаты испытаний микромеханического модуля/ Сборник докладов 64 научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 25 января - 5 февраля, 2011 г., С. 173-176.

68. IEEE Aerospace and Electronic System Society. IEEE Std 836-2009, IEEE Recommended Practice for Precision Centrifuge Testing of Linear Accelerometers, pp. 59-60, 2009.

69. Даташиты акселерометраА0ХЕ325 компании Analog Devices [Электронный ресурс]. - 2009. - Режим доступа: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADXL325.pdf

70. Камеральная обработка в пакете Matlab по дискретным алгоритмам ИСОН данных стендовых и мореходных испытаний измерительного блока БИИМ на ВОГ, стандартной и мультиантенной ПА GPS и лага [Текст]: Методические указания /Г.И. Емельянцев, Ю.В. Филатов, Л.А. Северов, O.A. Степанов и др. -СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2005. - 34с.

71. Стенд двухосный автоматизированный СДА [Электронный ресурс] //ООО «ИНЕРТЕХ» Инерциальные Технологии. - 2013. Режим доступа: http://inertech.org/production/9-stend-ispytatelnyy-dvuhosnyy-sid-2.html

72. Иванов, П. А. Разработка двухосного автоматизированного стенда для микромеханических модулей [Текст] / П. А. Иванов // «У.М.Н.И.К.» в Санкт-Петербурге: разработки победителей конкурса программы Фонда содействия малых предприятий в научно-технической сфере «У.М.Н.И.К.». - СПб.: Изд-во Политех. Ун-та, 2010. - С. 47.

73. Анисимов, С.А. Концепция построения испытательного оборудования для калибровки систем навигации и ориентации / С. А. Анисимов, А. М. Боронахин, А. В. Вейнмейстер, П. А. Иванов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Серия "Приборостроение и информационно - измерительные систем". - 2011. - №8. -С. 76-82.

74. Описание датчика угла ЛИР-276А [Электронный ресурс] //СКБ ИС Датчики линейного и углового перемещения. - 2015. - Режим доступа: www.skbis.m/pdf/_angularAJIHP-276A_Ty.pdf

75. Описание датчика угла ЛИР-292 [Электронный ресурс] //СКБ ИС Датчики линейного и углового перемещения. - 2015. - Режим доступа: http://www.skbis.ru/index.php ?p=48&c=4&d=25

76. Гончаров, Н.В. Разработка и исследование динамического гониометра на основе фотоэлектрического преобразователя угла. дисс... канд. техн. наук: 05.11.16 / Гончаров Никита Викторович. - СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005.

77. Казакевич, А.З. Акселерометры Analog Devices. Устройство, применение и непреврывное обновление [Электронный ресурс] /А.З. Казакевич // Компоненты и технологии. - 2007. - №5. - Режим доступа: http://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2007_05_46.pdf

78. Я. В. Беляев, Н. В. Моисеев, Я. А. Некрасов, Д. А. Уткин. Температурная оптимизация навигационных приборов в средах Matlab LabView Cosmos. Режим доступа: [http://www.lib.csu.ru/dl/bases/prg/kompress/articles/ExponentaPro/ll.pdf].

79. Моисеев Н.В., Некрасов Я.А. Термостатирование микромеханичесого акселерометра ADXL105. АВТЭКС Санкт-Петербург. Режим доступа: [www.autex.spb.ru].

80. Harvey Weinberg. Temperature Compensation Techniques for Low g Accelerometer. Режим доступа: http : //www. analog. com/ ene wsletter/imems/temp_comp. html

81. Голяев, Ю.Д. Критерии выбора акселерометров для инерциального измерительного блока / Ю. Д. Голяев, Ю. Ю. Колбас, С. Ф. Коновалов, Т. И. Соловьева, А. В. Томилин // Системотехника: системные проблемы надежности, качества и информационных технологий. - 2012. - №10. - 7с.