PL224975B1

PL224975B1 - Sposób kalibracji trójosiowych czujników przyspieszenia, prędkości kątowej i pola magnetycznego

Info

Publication number: PL224975B1
Application number: PL398402A
Authority: PL
Inventors: Aleksander Nawrat; Witold Ilewicz; Roman Koteras; Krzysztof Daniec
Original assignee: Politechnika Śląska
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2017-02-28
Also published as: PL398402A1

Abstract

Sposób kalibracji trójosiowych czujników przyśpieszenia, prędkości kątowej i pola magnetycznego zamkniętych w obudowie modułu IMU, polega na tym, że przy kalibracji wraz z czujnikiem kalibrowanym na stanowisku kalibracyjnym umieszcza się czujnik wzorcowy wykalibrowany i obydwa czujniki pobudza się takim samym wymuszeniem, po czym rejestruje się jednocześnie dane wyjściowe z obu czujników i na podstawie tych danych wyznacza się współczynniki modelu matematycznego opisującego sposób przeliczenia danych z czujnika niewykalibrowanego na dane wyrażające wielkość mierzoną wraz z jednostką miary.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób kalibracji trój osiowych czujników przyspieszenia, prędk ości kątowej i pola magnetycznego.

W celu efektywnego sterowania obiektami mobilnymi, załogowymi lub bezzałogowymi w trójwymiarowej przestrzeni kartezjańskiej, stosuje się elektroniczne 3-osiowe czujniki przyspieszenia (akcelerometry), prędkości kątowej (żyroskopy) oraz pola magnetycznego (magnetometry), każdy zbudowany z trzech ustawionych ortogonalnie pojedynczych czujników wymienionych rodzajów, umies zczonych we wspólnej obudowie i stanowiących tak zwany moduł IMU (Inertial Measurement Unit). Elektryczne sygnały wyjściowe z 3 czujników składowych sensora 3-osiowego są przetwarzane na postać cyfrową za pomocą przetworników analogowo-cyfrowych, i w ten sposób uzyskuje się dane wyjściowe w postaci cyfrowej, stanowiące wskazanie (wyjście) niewykalibrowanego czujnika, które można zapisać w postaci wektora 3-elementowego, gdzie każdy element wektora jest liczbą całkowitą o zakresie zależnym od rozdzielczości zastosowanego przetwornika A/C. Aby pomiary te były użyteczne, wskazania w postaci cyfrowej należy przeliczyć na wskazanie z jednostką miary. W tym celu moduł zawierający 3-osiowe czujniki składowe należy poddać procedurze kalibracji. W wyniku kalibracji określa się parametry procedury przeliczania cyfrowych danych z czujnika niewykalibrowanego na dane wyrażające wielkość mierzoną wraz z jednostką miary.

Jednym z ważniejszych zastosowań tego typu czujników jest wyznaczanie chwilowej orientacji obiektu mobilnego w 3-wymiarowej przestrzeni kartezjańskiej na podstawie pomiaru wektora przyspieszenia ziemskiego, wektora ziemskiego pola magnetycznego oraz wektora chwilowej prędkości kątowej w układzie współrzędnych związanym z obudową IMU.

Powszechnie stosowane metody kalibracji polegają na ustawianiu obudowy zawierającej niewykalibrowane 3-osiowe czujniki w ściśle określonych zadanych orientacjach statycznych, a kalibracja polega na takim przekształceniu matematycznym wskazań niekalibrowanych czujników, aby wskazania tych czujników po przekształceniu były zgodne z zadaną orientacją obudowy. W metodach tych wielkościami wejściowymi do kalibrowanych czujników są najczęściej wektory: ziemskiego pola grawitacyjnego, ziemskiego pola magnetycznego i odpowiednio wygenerowany znany wektor prędkości kątowej. Do stosowania takich metod kalibracji wymagane jest odpowiednie stanowisko do zadawania znanych orientacji modułów IMU względem wektorów wejściowych z odpowiednią dokładnością. Stanowiska takie są kosztowne.

Sposobem według wynalazku kalibrację przeprowadza się przez dodatkowe stosowanie czujników wzorcowych (wykalibrowanych) przyspieszenia, pola magnetycznego i prędkości kątowej, które są elementami składowymi pojedynczego modułu IMU bądź też stanowią odrębne 3-osiowe czujniki.

Po zgodnym i niezmiennym podczas kalibracji zorientowaniu obudów czujnika kalibrowanego i wzorcowego, na wejście czujnika kalibrowanego i wzorcowego doprowadza się jednocześnie wielkość wejściową o jednakowych wartościach w danych chwilach czasu, a wymagane doprowadzanie takich samych wartości wejścia do czujnika kalibrowanego i wzorcowego osiąga się poprzez sztywne połączenie obudów czujnika kalibrowanego i wzorcowego na czas kalibracji w położeniu, w którym kierunki odpowiadających sobie osi obudów (x, y i z) obydwóch czujników są równoległe i mają jednakowe zwroty. Niezmienność orientacji obudów obu czujników podczas kalibracji zapewnia się poprzez zastosowanie połączenia klejonego lub odpowiednie uchwytu lub w inny sposób analogiczny sposób. Takie sztywne połączenie implikuje, że podczas kalibracji zmiany orientacji modułów wzorcowego i kalibrowanego są identyczne, a więc warunek doprowadzenia do obydwóch czujników - wzorcowego i kalibrowanego - tej samej wartości wielkości wejściowej jest spełniony. Zarejestrowane podczas zmian orientacji zespołu połączonych czujników sygnały stanowią podstawę do wyznaczenia parametrów przekształcenia sygnału z czujnika kalibrowanego tak, aby jego wskazania były tożsame z określoną dokładnością ze wskazaniami czujnika wzorcowego.

P r z y k ł a d

Procedura kalibracji jest taka sama dla wszystkich 3-osiowych czujników składowych modułu IMU (czujników przyspieszenia, czujników pola magnetycznego, czujników prędkości kątowej), a poniższy opis procedury kalibracji dotyczy wszystkich wymienionych typów czujników.

Niech przebieg a(t) stanowi zarejestrowane podczas kalibracji w dyskretnych chwilach czasu t_i, i=1..n, wyjście 3-osiowego niewykalibrowanego czujnika może reprezentować zmierzone wyjście cyfrowe niewykalibrowanego czujnika przyspieszenia, pola magnetycznego lub prędkości kątowej).

PL 224 975 B1

Niech b(t_i) stanowi odpowiadające mu zarejestrowane podczas kalibracji wyjście czujnika wzorcowego (wykalibrowanego) odpowiedniego typu:

= [<Y(A) a_y(tj) a_z(tl] b(ti) = [b_x(ti) b_y(tj) b_z(ti)] gdzie aj, i bj, j=x, y, z, stanowią wskazania odpowiednio czujników w osi x, y i z czujnika niewykalibrowanego i wzorcowego. Ponieważ wartości wielkości wejściowej obu czujników są podczas kalibracji jednakowe w danych chwilach czasu t_i, istnieje przekształcenie kalibrujące takie, że z określoną dokładnością dla dowolnej chwili czasu t zachodzi równość:

b(t) =

Gdzie p=[p₁,p₂, ,p_k] stanowi wektor k parametrów przekształcenia f().

Na podstawie zarejestrowanych sygnałów a(t_i) i b(t_i) poszukuje się wartości wektora parametrów p przekształcenia kalibrującego wskazania czujnika niewykalibrowanego f(p, a(t)). Konkretna postać przekształcenia f( ) jest zależna od własności kalibrowanych czujników, przy czym przekształcenie/może być liniowe bądź nieliniowe.

Wyznaczenia wartości składowych wektora parametrów p można dokonać odpowiednią metodą estymacji. Na przykład przy zastosowaniu metody najmniejszych kwadratów wyznacza się wartości parametrów przekształcenia f( ):

7=z n p = arg min(^ (0 - f(p, o₇(tj))]²j=x i=i

Po wyznaczeniu parametrów przekształcenia kalibrującego p procedura kalibracji danych z czujnika niewykalibrowanego ma jest następująca:

a(t) = /(ρ.α(ϋ).

gdzie a(t) stanowią wykalibrowane dane wyrażające wielkość mierzoną z odpowiednią jednostką miary.

Claims

Zastrzeżenie patentowe

Sposób kalibracji trójosiowych czujników przyśpieszenia, prędkości kątowej i pola magnetyc znego zamkniętych w obudowie modułu IMU, znamienny tym, że przy kalibracji wraz z czujnikiem kalibrowanym na stanowisku kalibracyjnym umieszcza się czujnik wzorcowy wykalibrowany i obydwa czujniki pobudza się takim samym wymuszeniem, po czym rejestruje się jednocześnie dane wyjściowe z obu czujników i na podstawie tych danych wyznacza się współczynniki modelu matematycznego opisującego sposób przeliczenia danych z czujnika niewykalibrowanego na dane wyrażające wielkość mierzoną wraz z jednostką miary.