Разработка и исследование методов испытаний микромеханических инерциальных модулей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Иванов, Павел Алексеевич

• Иванов, Павел Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванов, Павел Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИСПЫТАНИЙ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1 Современное состояние микромеханических чувствительных элементов (ММЧЭ) и систем на их основе.

1.2 Традиционные методы и схемы калибровки ММЧЭ.

1.2.1 Описание систем координат и переходов между ними.

1.2.2 Математические модели выходных сигналов ММА и ММГ.

1.2.3 Стандартная.схема калибровки триад-ММА и ММГ.

1.2.4 Обработка данных стандартной калибровки.

1.2.4.1 Оценка параметров математической модели выходных сигналов триады ММА.

1.2.4.2 Оценка параметров математической модели выходных сигналов триады ММГ.

1.3 Анализ источников погрешностей стандартной калибровки ММЧЭ

1.3.1 Погрешность ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта.

1.3.2 Инструментальные погрешности испытательного средства.

1.3.3 Неадекватность математических моделей выходных сигналов триад ММА и ММГ.

1.3.4 Погрешность аппроксимации данных, полученных при калибровке.

1.4 Современное состояние средств испытаний инерциальных ЧЭ и систем на их основе.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ММЧЭ И СИСТЕМ НА ИХ

ОСНОВЕ.

2.1 Метод калибровки триады ММА.

2.1.1 Анализ инструментальной погрешности калибровки триады ММА предложенным методом.

2.2 Влияние линейного ускорения на показания триады ММГ.

2.3 Метод калибровки триады ММГ.

2.3.1 Алгоритм обобщенного фильтра Калмана (ОФК).

2.3.1.1 Общие сведения.

2.3.1.2 Описание алгоритма работы.

2.3.1.3 Модель погрешности алгоритма.

2.3.1.4 Исследование случайных погрешностей.

2.3.1.5 Математическое описание алгоритма.

2.3.2 Анализ погрешности метода калибровки триады ММГ.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ СРЕДСТВА ИСПЫТАНИЙ'ММЧЭ И СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ.

3.1 Традиционные способы аттестации двухосных установок.

3.1.1 Методы оценки погрешности позиционирования (точности углов разворота).

3.1.2 Методы оценки погрешности'задания угловой скорости и ее нестабильности в среднем за оборот.

3.1.3 Методы.оценки отклонения от перпендикулярности осей стенда.

3.2 Метод оценки отклонения от перпендикулярности осей.

3.2.1 Анализ погрешности метода оценки отклонения от перпендикулярности осей.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ММЧЭ НА ДВУХОСНОМ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ СТЕНДЕ.

4.1 Принцип построения и описание стенда двухосного автоматизированного.

4.1.1 Структурная схема стенда.

4.1.1.1 Механический агрегат.

4.1.1.2 Электронный блок.

4.1.2 Стенд двухосный автоматизированный. Внешний вид и технические характеристики.

4.1.3 Программное обеспечение стенда.

4.1.4 Результаты испытаний опытного образца стенда.

4.2 Испытания ИИМ по предложенным методам калибровок.

4.2.1 Объект испытаний.

4.2.2 Испытания триады ММА.

4.2.3 Испытания триады ММГ.

4.2.3.1 Описание эксперимента.

4.2.3.2 Результаты эксперимента.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов испытаний микромеханических инерциальных модулей»

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:

1. Анализ современного состояния рынка-ММГ и ММА и систем на их основе, а также методов и средств их испытаний;

2. 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;

3. Исследование методов,оценки-контролируемых характеристик средств испытаний;

4. Разработка метода оценки отклонения = от перпендикулярности осей средства испытаний;

5. Разработка опытного образца двухосного стенда для испытаний микромеханических чувствительных элементов (ММЧЭ) и- ИНС на их основе;

6. 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 оптических 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).

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 эле

• ментов 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 датчиков угла 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 прошли предварительную экспертизу в ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.

Практическая ценность работы

1. Разработан опытный образец стенда для испытаний ММЧЭ и ИНС на их основе;

2. Разработан и апробирован метод калибровки триады ММА, методиче-екая погрешность которого составляет порядка 0,01 м/с , при инвариантности к погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта;

3. Разработан и апробирован метод калибровки триады ММГ, позволяющий обеспечить наблюдаемость и оценку всех параметров модели не-скомпенсированных погрешностей соответствующих датчиков;

4. Разработан и реализован метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей стенда с точностью 3".

Реализация м 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 следующих мероприятиях:

1. Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, Россия, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009, 2010, 2011 гг.);

2. XVIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, Россия, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2011 гг.);

3. Научно-техническая конференция профессорско-преподавательскіох^о состава Санкт-Петербургского государственного электротехничесьсозгчэ университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), (2009, 2010, 20 X 1 гг.), Санкт-Петербург, Россия;

4. 3-я Всероссийская научно-техническая конференция «Измерения и: пытания в судостроении и смежных отраслях» <<СУДОМЕТРИЕС^^. 2010», Санкт-Петербург, Россия;

5. Петербургская техническая ярмарка (2011 г.), Санкт-Петербург, Россия.

На защиту выносятся:

1. Метод калибровки триады ММА, предполагающий определение ее параметров независимо от погрешности начальной установки средегзгіва испытаний относительно плоскости горизонта, позволяет повыс^аггь достоверность и точность результатов испытаний объекта и исклюй необходимость использования «развязанного фундамента»;

2. Метод калибровки триады ММГ, предполагающий-динамическое менение задаваемых угловых скоростей и совместную обработку выходных сигналов объекта испытаний и датчиков угла (ДУ) средсггьа испытаний, позволяет в дополнение к стандартной схеме калибр оівісц уточнять параметры соответствующих чувствительных элементов;

3. Метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей, основанный на использовании оптических (бесконтактных) средств измереанцй повышает достоверность определения инструментальных погрешностей двухосного средства испытаний.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Иванов, Павел Алексеевич

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Проанализированы основные сведения о современном состоянии и тенденциях развития ММЧЭ и систем на их основе, а также рассмотрены традиционные методы и схемы калибровки ММА и ММГ. Анализ показал:

• на результат калибровки ММЧЭ оказывает влияние погрешность, ориентация средства испытаний относительно плоскости горизонта, что приводит к довольно жестким требованиям по его выставке и к необходимости оснащения лаборатории «развязанным» фундаментом;

• результаты калибровки ММЧЭ и систем на их основе зависят от инструментальных погрешностей средства испытаний, что накладывает требования на его технические характеристики.

2. Разработан метод калибровки триады ММА, позволяющий оценить ее параметры независимо от погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта. Таким образом, повышается достоверность получаемых результатов и появляется возможность отказа от оборудования лабораторий технического контроля дорогостоящим «развязанным» фундаментом. Для средства испытаний, которое будет использоваться при реализации метода, выработаны требования по его техническим характеристикам,.таким как погрешность позиционирования по осям и отклонение от их перпендикулярности.

3. Разработан метод калибровки триады ММГ, подразумевающий комплексирование ИИМ с ДУ средства испытаний и обеспечивающий наблюдаемость и оценку всех параметров модели нескомпенсированных погрешностей соответствующих датчиков в заданном диапазоне угловых скоростей. СКО ошибок оценивания уменьшаются, достигая некоторых установившихся значений, величины которых зависят от уровня ошибок измерений и порождающего шума.

4. Создан опытный образец стенда, с помощью которого реализованы экспериментальные исследования миниатюрного ИИМ по предложенным методам. Выработаны рекомендации по функционалу интерфейса программного обеспечения стенда, которое должно позволять:

• создавать сценарии и автоматизировать испытания инерциальных датчиков согласно требованиям международных стандартов IEEE и по предложенным методам;

• задавать движения, характерные для потенциального носителя, например, квазигармонические колебания;

• контролировать дебаланс осей стенда в динамическом режиме в зависимости от массогабаритных характеристик испытуемого объекта;

• обеспечивать трансляцию потребителю в режиме реального времени показаний ДУ стенда, что дает возможность более глубокого анализа качества работы ИИМ.

5. Согласно предложенной методике поверки стенда, было проведено исследование его контролируемых параметров, в том числе апробирован разработанный метод оценки отклонения от перпендикулярности осей с точностью 3".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванов, Павел Алексеевич, 2011 год

1. Памяти профессора Л.П. Несенюка. Избранные труды и воспоминания Текст. / Сост.: акад. РАН В.Г. Пешехонов [и др.] / СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. — 254 с.

2. Анучин, О.Н. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов Текст. / О.Н. Анучин, Г. И. Емельянцев/ Под общей-ред. акад. РАН ВТ. Пешехонова. СПб.:: ГНЦ РФ ОАО «Концерн><<ЦНИИ «Электроприбор», 2003*. — 390 с.

3. Advances нг Gyroscope Technologies / Mario N. Armenise at al. / Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2010, - P. 83-108.

4. Распопов, В.Я. Микромеханические приборы Текст.: учеб. пособие / В .Я. Распопов. — М.: Машиностроение, 2007. — 400 е.: ил.

5. Пешехонов; В.Г. Гироскопы XXI века Текст. / В:Г. Пешехонов^/ Ги- ■ роскопия и навигация. — 2003. — №4. — С. 5-18.

6. Лукьянов, Д.П. Микромеханические навигационные приборы Текст.: учеб: пособие / Д.П. Лукьянов, В .Я: Распопов, Ю.В. Филатов. — СПб.: Изд. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2008. - 204с. ,

7. Inertial Measurement Units and Inertial1 Navigation (http://www.vectomav.com/index.php?option=com content&view=article& id=21 &Itemid= 11V

8. Официальный интернет сайт компании Vectornav (http://www.vectomav.com/index.php?option=comcontent&view=article& id=14&Itemid=8).

9. Официальный интернет сайт компании Analog Devices. rhttp://www.analog.com/static/imported-files/data sheets/ADIS 16375.pdf).

10. Официальный интернет сайт компании Cloud Cap Technology. (http://www.cloudcaptech.com/crista imu.shtm).

11. Официальный интернет сайт компании Текнол (http://www.teknol.ru/products/products-new/companav-3/).

12. Официальный интернет сайт ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (http://www.elektropribor.spb.ru/rufrset.htmn.

13. Официальный интернет сайт компании Xsens (http://www.xsens.com/en/general/mti-g).

14. Draft Recommended Practice for Precision Centrifuge Testing of Linear Accelerometers. Working Draft P836/D7, June 2006.

15. IEEE Standart Specification Format Guidé and' Test Procedure for Single-axis. Interoferometric Fiber Optic. Gyros. Working .Draft P952/D25, June 1997. .•■, . . ;•

16. Синельников, A.E. Низкочастотные линейные акселерометры. Методы; и средства поверки^ ш градуировки Текст.? / А.Е. Синельников; — М: : Изд-во стандартов; —1979: — 176;с., ил.

17. Бесконтактные моментные двигатели ДБМ Текст.: Справ. / Товарищество «МЭЛМА». -1992. 90 с.

18. Официальный интернет сайт компании Ideal Aerosmith (http://www.ideal-aerosmith.com/).

19. Официальный интернет сайт компании iMAR (http://www.imar-паущайоп^еЛ.

20. Официальный интернет сайт компании Acutronic (http ://wvm.acutronic.comA^.

21. Официальный интернет сайт компании Actidyn (http;//www.actidyn.com/).

22. Maenaka, К. A study of silicon rate sensors using anisotropic etching technology / K. Maenaka, T. Shiozawa / Sensors and Actuators A. — 1994. -№43.-p. 72-77.

23. Иванов, П.А. Коррекция влияния линейного ускорения на показания микромеханического гироскопа Текст. / П.А. Иванов, И;Л. Суров // Нано- и микросистемная техника, М.: Изд. «Новые технологии». — 2010.-№7(120).- С. 41-44.

24. Степанов, O.A. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Ч. 1. Введение в теорию оценивания Текст. / O.A. Степанов. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». - 2010. - 509 с.

25. Гупалов, В.И. Инерциальные методы и средства определения параметров движения объектов и свойств рельсового пути Текст.: учеб. пособие / В.И. Гупалов, A.B. Мочалов, A.M. Боронахин. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2003. - 144с.

26. Матвеев, В.В. Основы- построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем, Текст. / В.В. Матвеев, В.Я. Распопов. — СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 2801 с.

27. Агапов, М.Ю. Разработка и исследование гониометрических систем контроля преобразователей угла Текст.: дис. канд. техн. наук: 05.11.16/ Агапов »Михаил Юрьевич. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009'. - 139 с.

28. Об утверждении Порядка проведения испытаний стандартных образцов или средств« измерений в целях утверждения типа= Текст. / приказ Минпромтогрга РФ№1081. 30:11.2009.

29. Станки металлорежущие. Схемы и способы измерений геометрических параметров!Текст.: ГОСТ 22267 — 76. Введ. 1.01.88. - М.: Изд-во стандартов, 1988. — 149 с:

30. Метрология, стандартизация и сертификация Текст.: учебник для студ. высш. учеб. Заведений / Б.Я. Авдеев [и др.]. 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 384 с.

31. Иванов, В.А. Метрологическое обеспечение гироприборов Текст. / В.А. Иванов. Л.: Судостроение, 1983. - 180 е., ил.

32. Государственная система обеспечения единства измерений. Частотомеры. Методы и средства поверки Текст.: ГОСТ 8.422 81. - Введ. 1.07.82-М.: Изд-во стандартов, 1981.-8 с.

33. Лукьянов, Д.П. Лазерные системы динамической аттестации угловых преобразователей различного типа Текст. / Бурнашев M.Hi, Лукьянов; Д.П:, Павлов П.А., Филатов Ю.В. Л: Изв.ТЭТУ, 1997. - вып. 509; - С. 36-40.

34. Меры плоского угла призматические: Общие технические: условия Текст.: ГОСТ 2875 88. - Введ. 1.01.89 - М.: Изд-во стандартов,. 1988. - и с. ' v ' ; '•. '.'■.

35. Официальный интернет сайт компании СКБ ИС Chttp://www.skbis.ru/).

36. Официальный интернет сайт компании ОАО «Машиноаппарат» (bttp://mashap.maverick.ru/).

37. Официальный интернет сайт компании Siemens (ht1p://www.siemens.com/answers/ru/m/index.htm?stc=ruccc020001).

38. Сервоприводы Mitsubishi? Electric. Преимущества: работы с сервоприводами Mitsubishi Electric (http://www.avt.com.ru/servo.htm).

39. Официальный интернет сайт компании Отгоп (http://www.omron.com/).