DE102023203752B3 - Device and method for calibrating inertial sensors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Kalibration von Inertialsensoren (2), umfassend eine Plattform (3), einen Manipulator (4), mindestens eine Sensorik (6a, 11) und einen Vibrationserzeuger (9), wobei der Manipulator (4) mit der Plattform (3) verbunden ist und derart ausgebildet ist, die Plattform (3) in sechs Freiheitsgraden zu bewegen, wobei die mindestens eine Sensorik (6a, 11) derart ausgebildet ist, die Bewegungen der Plattform (3) in den sechs Freiheitsgraden zu erfassen, wobei der Vibrationserzeuger (9) derart ausgebildet ist, eine definierte Vibrationslast zu erzeugen, wobei die Vorrichtung (1) weiter eine Auswerteeinheit (8) aufweist, die derart ausgebildet ist, anhand der Daten der mindestens einen Sensorik (6a, 11) und den Daten eines zu kalibrierenden Inertialsensors (2) Kalibrationsdaten zu erzeugen, sowie ein zugehöriges Verfahren.The invention relates to a device (1) for calibrating inertial sensors (2), comprising a platform (3), a manipulator (4), at least one sensor system (6a, 11) and a vibration generator (9), wherein the manipulator (4) is connected to the platform (3) and is designed to move the platform (3) in six degrees of freedom, wherein the at least one sensor system (6a, 11) is designed to detect the movements of the platform (3) in the six degrees of freedom, wherein the vibration generator (9) is designed to generate a defined vibration load, wherein the device (1) further comprises an evaluation unit (8) which is designed to generate calibration data based on the data of the at least one sensor system (6a, 11) and the data of an inertial sensor (2) to be calibrated, and an associated method.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kalibration von Inertialsensoren.The invention relates to a device and a method for calibrating inertial sensors.

Inertialsensoren, Inertialmesseinheiten (inertial measurement unit - IMU) und Inertialnavigationssysteme (im Folgenden als Inertialsensoren bezeichnet) werden mit Hilfe von Bewegungssimulationen kalibriert und charakterisiert. Für die Kalibration werden typischerweise ein- oder dreiachsige Rotationstische verwendet. Alle Typen von Inertialsensoren (Accelerometer oder Kreisel) werden durch Vibrationslasten in ihrer Funktionalität und Genauigkeit beeinflusst. Zur Charakterisierung des Einflusses werden die kalibrierten Inertialsensoren auf Vibrationstischen betrieben. Dabei werden die Erddrehrate oder Gravitationsbeschleunigung als Anregung genutzt. Bei unterschiedlichen Vibrationslasten wird die Genauigkeit der Messung dieser Anregung durch die Inertialsensoren untersucht. Die Vibrationslast setzt sich dabei aus einem bestimmten Spektrum bestimmter Auslenkungen zusammen.Inertial sensors, inertial measurement units (IMU) and inertial navigation systems (hereinafter referred to as inertial sensors) are calibrated and characterized using motion simulations. Single or three-axis rotation tables are typically used for calibration. All types of inertial sensors (accelerometers or gyroscopes) are influenced in their functionality and accuracy by vibration loads. To characterize the influence, the calibrated inertial sensors are operated on vibration tables. The earth's rotation rate or gravitational acceleration is used as the excitation. The accuracy of the measurement of this excitation by the inertial sensors is examined for different vibration loads. The vibration load is made up of a certain spectrum of certain deflections.

Zur Verringerung des Einflusses der Vibration auf die Genauigkeit der Inertialsensoren werden Dämpfungssysteme genutzt. Zur Überprüfung der Verbesserung der Genauigkeit durch Absenken der Vibrationslast aufgrund der Dämpfungssysteme auf die Inertialsensoren werden die Inertialsensoren auf den Dämpfungssystemen montiert und wie zuvor beschrieben auf den Vibrationstischen getestet.Damping systems are used to reduce the influence of vibration on the accuracy of the inertial sensors. To check the improvement in accuracy by reducing the vibration load on the inertial sensors due to the damping systems, the inertial sensors are mounted on the damping systems and tested on the vibration tables as described above.

Alle Tests auf Vibrationstischen erlauben lediglich die Anregung von Accelerometern durch die konstante Erdgravitationsbeschleunigung und die konstante Erddrehrate. Diese erlauben nur die Anregung bei jeweils einem einzelnen konstanten Wert in nur einer Richtung gleichzeitig.All tests on vibration tables only allow the excitation of accelerometers by the constant acceleration of the earth's gravity and the constant rotation rate of the earth. These only allow excitation at a single constant value in only one direction at a time.

Aus der CN 2 16 791 223 U ist eine Vorrichtung zur Kalibration von Inertialsensoren bekannt, umfassend eine Plattform, einen Manipulator und mindestens eine Sensorik, wobei der Manipulator mit der Plattform verbunden ist und derart ausgebildet ist, die Plattform in sechs Freiheitsgraden zu bewegen. Dabei ist die mindestens eine Sensorik derart ausgebildet, die Bewegung der Plattform in den sechs Freiheitsgraden zu erfassen, wobei die Vorrichtung weiter eine Auswerteeinheit aufweist, die derart ausgebildet ist, anhand der Daten der mindestens einen Sensorik und den Daten eines zu kalibrierenden Inertialsensors Kalibrationsdaten zu erzeugen.From the CN 2 16 791 223 U A device for calibrating inertial sensors is known, comprising a platform, a manipulator and at least one sensor system, wherein the manipulator is connected to the platform and is designed to move the platform in six degrees of freedom. The at least one sensor system is designed to detect the movement of the platform in the six degrees of freedom, wherein the device further comprises an evaluation unit which is designed to generate calibration data based on the data of the at least one sensor system and the data of an inertial sensor to be calibrated.

Aus der CN 1 14 323 526 A ist ein Vibrationstisch zur Kalibration von Inertialsensoren bekannt, der Vibrationen in allen sechs Freiheitsgraden erzeugen kann.From the CN 1 14 323 526 A A vibration table for the calibration of inertial sensors is known, which can generate vibrations in all six degrees of freedom.

Aus der CN 1 12 556 827 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vibrations-Kalibration mittels eines Laser-Interferenz-Verfahrens bekannt.From the CN 1 12 556 827 A A method and a device for vibration calibration using a laser interference method is known.

Aus der US 5,203,199 A ist ein dreidimensionales Pendel mit Torsionsbewegung bekannt.From the US 5,203,199 A A three-dimensional pendulum with torsional motion is known.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Kalibration von Inertialsensoren zu schaffen sowie ein geeignetes Verfahren zur Verfügung zu stellen.The invention is based on the technical problem of creating an improved device for calibrating inertial sensors and of providing a suitable method.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem is provided by a device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 6. Further advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.

Die Vorrichtung zur Kalibration von Inertialsensoren umfasst eine Plattform, einen Manipulator, mindestens eine Sensorik, einen Vibrationserzeuger und eine Auswerteeinheit, wobei der Manipulator mit der Plattform verbunden ist und derart ausgebildet ist, die Plattform in sechs Freiheitsgraden zu bewegen, wobei die mindestens eine Sensorik derart ausgebildet ist, die Bewegungen der Plattform in den sechs Freiheitsgraden zu erfassen. Der Vibrationserzeuger ist derart ausgebildet, eine definierte Vibrationsart zu erzeugen, wobei die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, anhand der Daten der mindestens einen Sensorik und den Daten eines zu kalibrierenden Inertialsensors Kalibrationsdaten zu erzeugen. Hierdurch lässt sich der Inertialsensor dynamisch dreidimensional kalibrieren, wobei auch sehr einfach der Einfluss verschiedener Vibrationslasten erfassbar ist. Dabei kann die Kalibration der Inertialsensoren sowohl mit als auch ohne Dämpfungssysteme durchgeführt werden.The device for calibrating inertial sensors comprises a platform, a manipulator, at least one sensor, a vibration generator and an evaluation unit, wherein the manipulator is connected to the platform and is designed to move the platform in six degrees of freedom, wherein the at least one sensor is designed to detect the movements of the platform in the six degrees of freedom. The vibration generator is designed to generate a defined type of vibration, wherein the evaluation unit is designed to generate calibration data based on the data of the at least one sensor and the data of an inertial sensor to be calibrated. This allows the inertial sensor to be dynamically calibrated in three dimensions, whereby the influence of different vibration loads can also be detected very easily. The calibration of the inertial sensors can be carried out both with and without damping systems.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Manipulator als Roboterarm ausgebildet. Dieser hat den Vorteil, auch größere Linearbewegungen und Drehbewegungen bis zu 360 Grad und mehr zu ermöglichen, um z.B. eine stärkere Anregung der Inertialsensoren zu erreichen. Des Weiteren kann die Bewegung exakt gesteuert werden, sodass die Sensorik im Roboterarm bereits die exakten Lagedaten für die Auswerteeinheit liefert. In another embodiment, the manipulator is designed as a robot arm. This has the advantage of enabling larger linear movements and rotational movements of up to 360 degrees and more, for example to achieve a stronger excitation of the inertial sensors. Furthermore, the movement can be precisely controlled so that the sensors in the robot arm already provide the exact position data for the evaluation unit.

Alternativ kann der Manipulator auch als Hexapod ausgebildet sein. Dieser ist bei der Anregung der Drehbewegung auf z.B. 100 Grad oder weniger eingeschränkt. Aber auch hier liefern die Steuerdaten des Hexapods bereits die genauen Lagedaten.Alternatively, the manipulator can also be designed as a hexapod. This is limited to 100 degrees or less when initiating the rotary movement. But here too, the control data of the hexapod already provide the exact position data.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der Manipulator als dreidimensionales Pendel mit Torsionsbewegung ausgebildet. Der Vorteil sind die geringen Kosten. Allerdings lässt sich das Pendel nur bedingt steuern und die Lagedaten müssen durch eine separate Sensorik beispielsweise optisch erfasst werden und an die Auswerteeinheit übermittelt werden.In another alternative embodiment, the manipulator is designed as a three-dimensional pendulum with torsional movement. The advantage are the low costs. However, the pendulum can only be controlled to a limited extent and the position data must be recorded by a separate sensor, for example optically, and transmitted to the evaluation unit.

Dabei sei angemerkt, dass auch bei den Ausführungen als Roboterarm oder Hexapod zusätzliche externe Sensoriken zum Einsatz kommen können, um beispielsweise die Lagedaten der manipulatoreigenen Sensorik zu verifizieren.It should be noted that additional external sensors can also be used in the robot arm or hexapod versions, for example to verify the position data of the manipulator's own sensors.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Vibrationserzeuger derart ausgebildet, verschiedene Vibrationslasten definiert einzustellen, sodass die Kalibration für verschiedene Vibrationslasten durchgeführt werden kann.In a further embodiment, the vibration generator is designed to set different vibration loads in a defined manner so that the calibration can be carried out for different vibration loads.

Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.With regard to the procedural design, reference is made in full to the preceding statements.

Dabei wird der zu kalibrierende Inertialsensor mit oder ohne Dämpfungssystem auf dem Vibrationserzeuger montiert. Vorzugsweise wird dann der Inertialsensor ohne eine Vibrationslast und anschließend unter Einfluss mindestens einer Vibrationslast kalibriert. Insbesondere für Luft- und Raumfahrtanwendungen wird dabei der Inertialsensor unter verschiedenen Vibrationslasten kalibriert. Als Ergebnis ist dann der Einfluss der Vibrationslast auf die Messgenauigkeit des Inertialsensors exakt bekannt.The inertial sensor to be calibrated is mounted on the vibration generator with or without a damping system. The inertial sensor is then preferably calibrated without a vibration load and then under the influence of at least one vibration load. In particular for aerospace applications, the inertial sensor is calibrated under various vibration loads. As a result, the influence of the vibration load on the measurement accuracy of the inertial sensor is then precisely known.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Kalibration von Inertialsensoren.The invention is explained in more detail below using a preferred embodiment. The single figure shows a schematic block diagram of a device for calibrating inertial sensors.

In der 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Kalibration eines Inertialsensors 2 dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist eine Plattform 3 auf, die mit einem Manipulator 4 in Form eines Roboterarms 5 verbunden ist. Der Roboterarm 5 weist dabei verschiedene Gelenkachsen 6 mit Sensoriken 6a auf, um eine definierte Bewegung entlang aller sechs Freiheitsgrade durchzuführen und zu messen. Eine Steuereinheit 7 des Roboterarms 5 ist mit einer Auswerteeinheit 8 verbunden, die auch Steuerungsaufgaben übernehmen kann. Weiter ist auf der Plattform 3 ein Vibrationserzeuger 9 angeordnet, der definierte Vibrationslasten einstellen kann. Der Vibrationserzeuger 9 ist vorzugsweise datentechnisch mit der Auswerteeinheit 8 verbunden.In the 1 a device 1 for calibrating an inertial sensor 2 is shown. The device 1 has a platform 3 which is connected to a manipulator 4 in the form of a robot arm 5. The robot arm 5 has various joint axes 6 with sensors 6a in order to carry out and measure a defined movement along all six degrees of freedom. A control unit 7 of the robot arm 5 is connected to an evaluation unit 8, which can also take on control tasks. Furthermore, a vibration generator 9 is arranged on the platform 3, which can set defined vibration loads. The vibration generator 9 is preferably connected to the evaluation unit 8 for data purposes.

Ebenso ist vorzugsweise der Inertialsensor 2 datentechnisch mit der Auswerteeinheit 8 verbunden. Weiter ist eine weitere Sensorik 11 vorgesehen, die die Bewegungen des Inertialsensors 2 in allen sechs Freiheitsgraden erfasst, wobei die weitere Sensorik 11 ebenfalls datentechnisch mit der Auswerteeinheit 8 verbunden ist. In der 1 ist dargestellt, dass diese Datenverbindung eine Funkverbindung ist, was aber nicht zwingend ist.Likewise, the inertial sensor 2 is preferably connected to the evaluation unit 8 for data purposes. Furthermore, a further sensor system 11 is provided which records the movements of the inertial sensor 2 in all six degrees of freedom, whereby the further sensor system 11 is also connected to the evaluation unit 8 for data purposes. In the 1 It is shown that this data connection is a radio connection, but this is not mandatory.

Der Inertialsensor 2 wird alleine oder mit einem nicht dargestellten Dämpfungssystem auf dem Vibrationserzeuger 9 montiert. Die Auswerteeinheit 8 übermittelt dann an die Steuereinheit 7 Steuerbefehle, damit der Roboterarm 5 eine definierte Bewegung in den sechs Freiheitsgraden durchführt. Diese Bewegungsbahn wird dann von der Plattform 3, dem Vibrationserzeuger 9 und dem Inertialsensor 2 durchlaufen. Dabei kennt die Auswerteeinheit 8 aufgrund der internen Sensorik des Roboterarms 5 und der Sensorik 11 jeweils die genaue Position und Lage. Somit kann der Inertialsensor 2 kalibriert werden. Anschließend kann dann die gleiche oder eine andere Bewegungsbahn durchlaufen werden, wobei jedoch der Vibrationserzeuger 9 eine erste, definierte Vibrationslast erzeugt. Die daraus resultierenden Abweichungen des Inertialsensors 2 können dann erfasst werden. Anschließend kann dann das Verfahren mit weiteren, definierten Vibrationslasten wiederholt werden. Als Ergebnis erhält man dann eine sehr genaue Charakteristik, wie sich die Messgenauigkeit des Inertialsensors 2 unter Vibrationsbedingungen verändert.The inertial sensor 2 is mounted on the vibration generator 9 alone or with a damping system (not shown). The evaluation unit 8 then transmits control commands to the control unit 7 so that the robot arm 5 performs a defined movement in the six degrees of freedom. This movement path is then traversed by the platform 3, the vibration generator 9 and the inertial sensor 2. The evaluation unit 8 knows the exact position and location due to the internal sensors of the robot arm 5 and the sensors 11. The inertial sensor 2 can thus be calibrated. The same or a different movement path can then be traversed, but the vibration generator 9 generates a first, defined vibration load. The resulting deviations of the inertial sensor 2 can then be recorded. The process can then be repeated with further, defined vibration loads. The result is a very precise characteristic of how the measurement accuracy of the inertial sensor 2 changes under vibration conditions.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrichtungdevice
22
InertialsensorInertial sensor
33
Plattformplatform
44
Manipulatormanipulator
55
RoboterarmRobot arm
66
GelenkachseArticulated axis
6a6a
SensorikSensor technology
77
SteuereinheitControl unit
88
AuswerteeinheitEvaluation unit
99
VibrationserzeugerVibration generator
1111
SensorikSensor technology

Claims (7)

Vorrichtung (1) zur Kalibration von Inertialsensoren (2), umfassend eine Plattform (3), einen Manipulator (4), mindestens eine Sensorik (6a, 11) und einen Vibrationserzeuger (9), wobei der Manipulator (4) mit der Plattform (3) verbunden ist und derart ausgebildet ist, die Plattform (3) in sechs Freiheitsgraden zu bewegen, wobei die mindestens eine Sensorik (6a, 11) derart ausgebildet ist, die Bewegungen der Plattform (3) in den sechs Freiheitsgraden zu erfassen, wobei der Vibrationserzeuger (9) derart ausgebildet ist, eine definierte Vibrationslast zu erzeugen, wobei die Vorrichtung (1) weiter eine Auswerteeinheit (8) aufweist, die derart ausgebildet ist, anhand der Daten der mindestens einen Sensorik (6a, 11) und den Daten eines zu kalibrierenden Inertialsensors (2) Kalibrationsdaten zu erzeugen.Device (1) for calibrating inertial sensors (2), comprising a platform (3), a manipulator (4), at least one sensor system (6a, 11) and a vibration generator (9), wherein the manipulator (4) is connected to the platform (3) and is designed to move the platform (3) in six degrees of freedom, wherein the at least one sensor system (6a, 11) is designed to detect the movements of the platform (3) in the six degrees of freedom, wherein the vibration generator ger (9) is designed to generate a defined vibration load, wherein the device (1) further comprises an evaluation unit (8) which is designed to generate calibration data based on the data of the at least one sensor system (6a, 11) and the data of an inertial sensor (2) to be calibrated. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator (4) als Roboterarm (5) oder als Hexapod oder als dreidimensionales Pendel mit Torsionsbewegung ausgebildet ist.Device according to Claim 1 , characterized in that the manipulator (4) is designed as a robot arm (5) or as a hexapod or as a three-dimensional pendulum with torsional movement. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationserzeuger (9) derart ausgebildet ist, verschiedene Vibrationslasten definiert einzustellen.Device according to Claim 1 or 2 , characterized in that the vibration generator (9) is designed to set different vibration loads in a defined manner. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sensorik (6a) in den Manipulator (4) integriert ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor system (6a) is integrated into the manipulator (4). Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sensorik (11) als eine vom Manipulator (4) getrennte Sensorik (11) ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor system (11) is designed as a sensor system (11) separate from the manipulator (4). Verfahren zur Kalibration von Inertialsensoren (2), mittels einer Plattform (3), eines Manipulators (4), mindestens einer Sensorik (6a, 11), eines Vibrationserzeugers (9) und einer Auswerteeinheit (8), umfassend die folgenden Schritte: - Befestigen eines zu kalibrierenden Inertialsensors (2) auf dem Vibrationserzeuger (9), der auf der Plattform (3) angeordnet ist; - Bewegen der Plattform (3) in allen sechs Freiheitsgraden mittels des Manipulators (4) bei gleichzeitiger Erzeugung einer Vibrationslast (9); - Erfassen der Bewegung der Plattform (3) in allen sechs Freiheitsgraden mittels der mindestens einen Sensorik (6a, 11); - Übermitteln der Daten der mindestens einen Sensorik (6a, 11) und der Messdaten des zu kalibrierenden Inertialsensors (2) an die Auswerteeinheit (8); - Erzeugen von Kalibrationsdaten durch die Auswerteeinheit (8) unter Berücksichtigung der definierten Vibrationslast.Method for calibrating inertial sensors (2) using a platform (3), a manipulator (4), at least one sensor (6a, 11), a vibration generator (9) and an evaluation unit (8), comprising the following steps: - Attaching an inertial sensor (2) to be calibrated to the vibration generator (9) arranged on the platform (3); - Moving the platform (3) in all six degrees of freedom using the manipulator (4) while simultaneously generating a vibration load (9); - Detecting the movement of the platform (3) in all six degrees of freedom using the at least one sensor (6a, 11); - Transmitting the data from the at least one sensor (6a, 11) and the measurement data of the inertial sensor (2) to be calibrated to the evaluation unit (8); - Generating calibration data by the evaluation unit (8) taking into account the defined vibration load. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer anderen definierten Vibrationslast wiederholt wird.Procedure according to Claim 6 , characterized in that the method is repeated with another defined vibration load.
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