RU2577806C1 - Method of calibrating accelerometric three-axis inclinometer - Google Patents

Method of calibrating accelerometric three-axis inclinometer Download PDF

Info

Publication number
RU2577806C1
RU2577806C1 RU2014147522/28A RU2014147522A RU2577806C1 RU 2577806 C1 RU2577806 C1 RU 2577806C1 RU 2014147522/28 A RU2014147522/28 A RU 2014147522/28A RU 2014147522 A RU2014147522 A RU 2014147522A RU 2577806 C1 RU2577806 C1 RU 2577806C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
axis
accelerometer
axes
acceleration vector
gravitational acceleration
Prior art date
Application number
RU2014147522/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Георгиевич Степанов
Александр Юрьевич Каплин
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Радиоавионика"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Радиоавионика" filed Critical Открытое акционерное общество "Радиоавионика"
Priority to RU2014147522/28A priority Critical patent/RU2577806C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2577806C1 publication Critical patent/RU2577806C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Navigation (AREA)

Abstract

FIELD: test and measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to metrological equipment - calibrated inclinometers based on three-axis accelerometer. Method suggests measurement of gravity acceleration vector projections G ¯
Figure 00000028
on the axis of the accelerometer during its rotation around two axes, each time in four orthogonal positions. Static error is determined based on measurement results of each axis and the ratio of coefficients of sensitivity along two pairs of axes. When using inclinometer the accelerometer is set on investigated object, gravity acceleration vector projections are measured G ¯
Figure 00000028
on the axis of the accelerometer, compensating for their static error, normalizing differences in sensitivity axes of accelerometer and calculating object inclination angles by simple relationships relative to gravity acceleration vector G ¯
Figure 00000028
.
EFFECT: technical result consists in simplification of the method of calibrating accelerometric three-axis inclinometer.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к метрологическому обеспечению - калибровке инклинометров, выполненных на основе трехосевого акселерометра. Такие инклинометры могут быть использованы в геофизических работах, устройствах автономной навигации и других задачах. Отличительной особенностью заявляемого изобретения является простота и дешевизна реализации.The invention relates to metrological support - the calibration of inclinometers made on the basis of a three-axis accelerometer. Such inclinometers can be used in geophysical works, autonomous navigation devices and other tasks. A distinctive feature of the claimed invention is the simplicity and low cost of implementation.

Измерения акселерометром по осям чувствительности могут быть представлены в виде:Accelerometer measurements along the sensitivity axes can be represented as:

Figure 00000001
Figure 00000001

где:Where:

А - результат измерения ускорения акселерометром по оси чувствительности;A is the result of measuring acceleration by an accelerometer along the sensitivity axis;

G - действительное значение проекции вектора гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
на ось чувствительности;G is the actual value of the projection of the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
on the axis of sensitivity;

k - коэффициент чувствительности акселерометра по оси;k - axis sensitivity coefficient of the accelerometer;

m - статическая ошибка акселерометра по оси (показания акселерометра при отсутствии гравитации).m is the static error of the accelerometer along the axis (readings of the accelerometer in the absence of gravity).

Величины k и m в общем случае неизвестны, но могут быть определены при калибровке в заводских или лабораторных условиях. Однако эти характеристики изменяются со временем и зависят от условий применения. Величина вектора гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
также изменяется в зависимости от места, высоты измерений и других факторов. Указанные обстоятельства не позволяют достоверно оценить и использовать результаты измерений акселерометра. У трехосевого акселерометра величины k и m по осям различны, что еще более усложняет задачу инклинометра - определение углов наклона объекта исследования. В заявляемом изобретении предлагается простой способ решения этой задачи, применимый в любых условиях.The values of k and m are generally unknown, but can be determined during calibration in the factory or laboratory conditions. However, these characteristics change over time and depend on the conditions of use. The magnitude of the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
also varies depending on location, measurement height and other factors. These circumstances do not allow to reliably evaluate and use the results of measurements of the accelerometer. For a three-axis accelerometer, the values of k and m along the axes are different, which further complicates the task of the inclinometer - determining the angle of inclination of the object of study. The claimed invention provides a simple way to solve this problem, applicable in any conditions.

Известны способы калибровки инклинометров [1], [2] и многие другие, заключающиеся в том, что калибруемые инклинометры устанавливаются в специальные ручные или автоматизированные установки, обеспечивающие повороты испытуемого прибора на определенные углы. Результаты сравниваются с эталонными измерениями. При необходимости проводится градуировка инклинометра путем проведения измерений при вращении прибора с выбранным шагом.Known methods for calibrating inclinometers [1], [2] and many others, consisting in the fact that calibrated inclinometers are installed in special manual or automated installations that provide rotation of the tested device at certain angles. Results are compared with reference measurements. If necessary, the inclinometer is calibrated by taking measurements while rotating the device with the selected step.

Недостатками таких способов являются высокие стоимость оборудования и трудоемкость.The disadvantages of such methods are the high cost of the equipment and the complexity.

Известен способ определения масштабного коэффициента акселерометра [3], заключающийся в том, что акселерометр поворачивают относительно оси на положительный и отрицательный углы и оценивают разность принятых сигналов. Такой прием позволяет устранить статическую ошибку измерений m.A known method for determining the scale factor of the accelerometer [3], which consists in the fact that the accelerometer is rotated around the axis by positive and negative angles and evaluate the difference of the received signals. This technique eliminates the static measurement error m.

Недостатком такого способа является сложность определения коэффициента чувствительности, поскольку величина вектора гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
известна не точно.The disadvantage of this method is the difficulty of determining the sensitivity coefficient, since the magnitude of the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
not exactly known.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения угла наклона трехосевым, j=1÷3, акселерометром [4], заключающийся в том, что акселерометр устанавливают так, чтобы его первая ось, выбираемая как ось вращения, пересекалась с вектором гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
, предпочтительно под углом 90°, калибруют вторую ось акселерометра, для чего вращают его вокруг первой оси, фиксируют в четырех, i=1÷4, ортогональных положениях, в каждом из которых измеряют проекции A2i вектора гравитационного ускорения G ¯
Figure 00000002
на вторую ось акселерометра, вычисляют статическую ошибку акселерометра по второй оси m2 путем усреднения измерений проекций вектора гравитации на эту ось:Closest to the claimed method is a method for determining the angle of inclination by a three-axis, j = 1 ÷ 3, accelerometer [4], which consists in the fact that the accelerometer is set so that its first axis, selected as the axis of rotation, intersects with the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
, preferably at an angle of 90 °, calibrate the second axis of the accelerometer, for which they rotate it around the first axis, fix in four, i = 1 ÷ 4, orthogonal positions, in each of which projections A 2i of the gravitational acceleration vector are measured G ¯
Figure 00000002
on the second axis of the accelerometer, calculate the static error of the accelerometer along the second axis m 2 by averaging the measurements of the projections of the gravity vector on this axis:

Figure 00000003
Figure 00000003

Способ [4] предполагает следующую процедуру калибровки.Method [4] involves the following calibration procedure.

На Фиг. 1 приведены оси 1, 2 и 3 трехосевого акселерометра. Ось вращения 1 перпендикулярна плоскости рисунка и вектору гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
, ось 2 имеет угол α с вектором гравитационного ускорения G ¯
Figure 00000002
, а его проекция на эту ось G21=Gcos(α). Тогда в соответствии с (1) в этом положении акселерометр измерит величину:In FIG. 1 shows the axes 1, 2 and 3 of a three-axis accelerometer. The axis of rotation 1 is perpendicular to the plane of the figure and the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
axis 2 has an angle α with a gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
, and its projection on this axis is G 21 = Gcos (α). Then, in accordance with (1) in this position, the accelerometer will measure:

Figure 00000004
Figure 00000004

При повороте осей акселерометра 2 и 3 вокруг оси 1 на 180°, Фиг. 1С, акселерометр второй оси измерит величину:When the axes of the accelerometer 2 and 3 are rotated around axis 1 by 180 °, FIG. 1C, the second axis accelerometer will measure:

Figure 00000005
Figure 00000005

Поскольку G23=-G21, (см. Фиг. 1А и С), получим:Since G 23 = -G 21 , (see Fig. 1A and C), we obtain:

Figure 00000006
Figure 00000006

Аналогичные результаты будут получены при поворотах на ±90° относительно начального положения, Фиг. 1В и D:Similar results will be obtained with rotations of ± 90 ° relative to the initial position, FIG. 1B and D:

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

Здесь учтено, что G24=-G22.It is taken into account that G 24 = -G 22 .

Сложение результатов измерений A2i по всем четырем, i=1÷4, положениям осей позволяет получить усредненную величину статической ошибки второй оси:The addition of the measurement results A 2i for all four, i = 1 ÷ 4, the positions of the axes allows you to get the average value of the static error of the second axis:

Figure 00000009
Figure 00000009

Важно отметить, что результаты измерений являются наиболее точными при значениях угла α, близких к 45°. Кроме того, как показано в [4], наиболее точный результат будет получен, если ось 1 перпендикулярна вектору гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
. В противном случае в качестве вектора G ¯
Figure 00000002
следует использовать его проекцию на плоскость 23 с ухудшением точности.It is important to note that the measurement results are most accurate for values of the angle α close to 45 °. In addition, as shown in [4], the most accurate result will be obtained if axis 1 is perpendicular to the vector of gravitational acceleration G ¯
Figure 00000002
. Otherwise, as a vector G ¯
Figure 00000002
should use its projection on the plane 23 with a deterioration in accuracy.

В [4] предлагается вести калибровку осей по очереди, однако очевидно, что описанная выше процедура калибровки может вестись одновременно для осей 2 и 3 с получением статической ошибки третьей оси m3.In [4], it was proposed to calibrate the axes in turn, however, it is obvious that the calibration procedure described above can be carried out simultaneously for axes 2 and 3 to obtain a static error of the third axis m 3 .

Для определения коэффициентов чувствительности kj по осям в [4] предлагается использовать соотношение (1), однако, как отмечено выше, величина вектора гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
известна не точно, что не позволяет получить искомые коэффициенты.To determine the sensitivity coefficients k j along the axes in [4], it is proposed to use relation (1), however, as noted above, the magnitude of the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
not known exactly, which does not allow us to obtain the desired coefficients.

Таким образом, недостатком способа [4] является низкая точность определения коэффициентов чувствительности по осям акселерометра, а следовательно, низкая точность определения углов наклона объекта.Thus, the disadvantage of the method [4] is the low accuracy of determining the sensitivity coefficients along the axes of the accelerometer, and therefore, the low accuracy of determining the angle of inclination of the object.

Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является создание простого и дешевого способа калибровки трехосевого акселерометра для определения углов наклона объекта инклинометром.The problem solved by the claimed invention is the creation of a simple and cheap method of calibrating a three-axis accelerometer to determine the angle of inclination of the object with an inclinometer.

Для решения этой задачи одновременно со второй осью аналогичным образом калибруют третью ось акселерометра с вычислением ее статической ошибки m3, вычисляют относительный k32 - коэффициент чувствительности третьей k3 и второй k2 осей акселерометра, затем устанавливают акселерометр так, чтобы выбрать в качестве оси его вращения вторую ось, и, действуя аналогично, вычисляют статическую ошибку первой оси m1 и относительный k31 - коэффициент чувствительности третьей k3 и первой k1 осей, при практических измерениях устанавливают акселерометр в требуемое положение, измеряют проекции Bj вектора гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
на все оси акселерометра, устраняют статические ошибки измерений по каждой оси, нормируют измерения по всем осям с использованием относительных коэффициентов чувствительности, вычисляя углы αj между осями чувствительности акселерометра и вектором гравитационного ускорения G ¯
Figure 00000002
(углы наклона).To solve this problem, simultaneously with the second axis, the third axis of the accelerometer is similarly calibrated with its static error m 3 calculated, the relative k 32 is the sensitivity coefficient of the third k 3 and second k 2 axes of the accelerometer, then the accelerometer is set so that it is selected as its axis a second rotation axis, and acting similarly calculated static error m the first axis 1 and the relative k 31 - k coefficient of the sensitivity of the third 3 and k 1 of the first axes accelerometer mounted in practical measurements rebuemoe position measured projection vectors B j gravitational acceleration G ¯
Figure 00000002
on all axes of the accelerometer, eliminate static measurement errors on each axis, normalize measurements on all axes using relative sensitivity coefficients, calculating the angles α j between the sensitivity axes of the accelerometer and the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
(tilt angles).

Существенными отличиями заявляемого способа по сравнению с прототипом являются:Significant differences of the proposed method in comparison with the prototype are:

Одновременно с калибровкой второй оси акселерометра аналогичным образом калибруют третью ось акселерометра с вычислением ее статической ошибки m3. Это позволяет ускорить процесс калибровки.Simultaneously with the calibration of the second axis of the accelerometer, the third axis of the accelerometer is similarly calibrated with the calculation of its static error m 3 . This speeds up the calibration process.

В прототипе оси калибруют по очереди.In the prototype, the axes are calibrated in turn.

Вычисление относительного k32=k3/k2 коэффициента чувствительностей третьей и второй осей акселерометра позволяет оценить степень их различия, впоследствии выровнять их чувствительности и, благодаря этому, точно определить ориентацию вектора гравитации G ¯

Figure 00000002
в этой плоскости.Calculation of the relative k 32 = k 3 / k 2 sensitivity coefficient of the third and second axes of the accelerometer allows us to evaluate the degree of difference, subsequently align their sensitivity and, due to this, accurately determine the orientation of the gravity vector G ¯
Figure 00000002
in this plane.

Калибровка акселерометра с использованием второй оси в качестве оси вращения позволяет определить статическую ошибку первой оси m1 и относительный k31=k3/k1 коэффициент чувствительности третьей и первой осей. В итоге это позволяет выполнить калибровку акселерометра по всем осям с получением статических ошибок и относительных чувствительностей всех осей.Calibration of the accelerometer using the second axis as the axis of rotation allows you to determine the static error of the first axis m 1 and the relative k 31 = k 3 / k 1 sensitivity coefficient of the third and first axes. As a result, this allows you to calibrate the accelerometer in all axes with the receipt of static errors and relative sensitivities of all axes.

В прототипе делается неудачная попытка определить чувствительности k всех осей по отдельности, используя неточно известные значения вектора гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
и его проекций на оси.The prototype makes an unsuccessful attempt to determine the sensitivity k of all axes separately, using inaccurate values of the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
and its projections on the axis.

При практических измерениях после установки акселерометра в требуемое положение и проведения измерений проекций Bj вектора гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
на все оси акселерометра устраняют статические ошибки измерений по каждой оси, нормируют измерения по всем осям и вычисляют углы наклона αj осей чувствительности акселерометра к вектору гравитационного ускорения G ¯
Figure 00000002
.In practical measurements, after installing the accelerometer in the required position and measuring the projections B j of the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
on all axes of the accelerometer eliminate static measurement errors on each axis, normalize the measurements on all axes and calculate the tilt angles α j of the sensitivity axes of the accelerometer to the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
.

В прототипе имеется возможность скомпенсировать только статическую ошибку акселерометра.In the prototype, it is possible to compensate only for the static error of the accelerometer.

Таким образом, главным отличием заявляемого способа по сравнению с известными авторам аналогами является то, что благодаря полученным соотношениям отпадает необходимость определения не только коэффициентов k - чувствительности по осям акселерометра, но и самого вектора гравитации G ¯

Figure 00000002
.Thus, the main difference of the proposed method in comparison with analogues known to the authors is that due to the obtained relations, there is no need to determine not only the k coefficients - sensitivity along the axes of the accelerometer, but also the gravity vector itself G ¯
Figure 00000002
.

Заявляемое изобретение иллюстрируют следующие графические материалы.The invention is illustrated by the following graphic materials.

Фиг. 1 - проекции вектора гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
на оси 2 и 3 акселерометра при вращении плоскости 23.FIG. 1 - projection of the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
on the axis 2 and 3 of the accelerometer while rotating the plane 23.

Фиг. 2 - проекции вектора гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
на оси 1, 2 и 3 акселерометра при практических измерениях углов наклона.FIG. 2 - projections of the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
on the axes 1, 2 and 3 of the accelerometer for practical measurements of tilt angles.

Фиг. 3 - углы наклона объекта относительно плоскости горизонта.FIG. 3 - tilt angles of the object relative to the horizon plane.

Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.Consider the possibility of implementing the proposed method.

Для калибровки устанавливают акселерометр так, чтобы его одна ось (ось вращения), которую условно называем «первой», пересекалась с вектором гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
, т.е. ось не должна совпадать с вектором G ¯
Figure 00000002
. На практике предпочтительно, чтобы первая ось была перпендикулярна вектору гравитационного ускорения G ¯
Figure 00000002
и лежала в плоскости местного горизонта. Данное требование не является категоричным. Если первая ось имеет угол наклона α1, отличный от 90°, то проекция вектора гравитационного ускорения G ¯
Figure 00000002
на плоскость 23 составит Gsin(α1). Строго математически результат калибровки не зависит от величины указанной проекции. Однако на практике при уменьшении угла α1 от 90° до 0° реальная точность измерений снижается, а при α1=0° калибровка по второй и третьей осям становится невозможной, поскольку проекция вектора G ¯
Figure 00000002
на плоскость 23 оказывается нулевой.For calibration, set the accelerometer so that its one axis (axis of rotation), which we arbitrarily call the "first", intersects with the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
, i.e. the axis must not coincide with the vector G ¯
Figure 00000002
. In practice, it is preferable that the first axis is perpendicular to the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
and lay in the plane of the local horizon. This requirement is not categorical. If the first axis has an inclination angle α 1 other than 90 °, then the projection of the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
on the plane 23 will be Gsin (α 1 ). Strictly mathematically, the calibration result does not depend on the magnitude of the indicated projection. However, in practice, when the angle α 1 decreases from 90 ° to 0 °, the actual measurement accuracy decreases, and when α 1 = 0 °, calibration along the second and third axes becomes impossible, since the projection of the vector G ¯
Figure 00000002
on the plane 23 is zero.

Оси 2 и 3 акселерометра для калибровки целесообразно развернуть под углом 45° по отношению к вектору гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
. Это требование тоже не категорично, но улучшает точность калибровки.It is advisable to deploy the axes 2 and 3 of the accelerometer for calibration at an angle of 45 ° with respect to the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
. This requirement is also not categorical, but improves calibration accuracy.

Калибруют вторую и третью оси акселерометра, для чего вращают его вокруг первой оси, фиксируют в четырех, i=1÷4, ортогональных положениях, в каждом из которых измеряют проекции A2i и A3i вектора гравитационного ускорения G соответственно на вторую и третью оси акселерометра. Вычисляют статическую ошибку акселерометра по второй m2 и третьей m3 осям путем усреднения измерений проекций вектора гравитационного ускорения на эту ось, используя формулу вида (7).The second and third axes of the accelerometer are calibrated, for which they rotate it around the first axis, fixed in four, i = 1 ÷ 4, orthogonal positions, in each of which the projections A 2i and A 3i of the gravitational acceleration vector G are measured on the second and third axes of the accelerometer, respectively . The static error of the accelerometer is calculated along the second m 2 and third m 3 axes by averaging the measurements of the projections of the gravitational acceleration vector on this axis using a formula of the form (7).

На втором этапе калибруют первую и третью оси акселерометра, для чего выбирают в качестве оси вращения вторую ось и, действуя аналогично описанному выше, измеряют A3i и A1i и вычисляют статическую ошибку первой оси m1.At the second stage, the first and third axes of the accelerometer are calibrated, for which the second axis is selected as the axis of rotation and, acting in the same way as described above, A 3i and A 1i are measured and the static error of the first axis m 1 is calculated.

Для вычисления относительного коэффициента чувствительности по второй и третьей осям акселерометра воспользуемся следующими соображениями: найдем разности между (3) и (4), а также между (5) и (6):To calculate the relative sensitivity coefficient along the second and third axes of the accelerometer, we use the following considerations: we find the differences between (3) and (4), as well as between (5) and (6):

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

После возведения в квадрат (8) и (9) и сложения получим:After squaring (8) and (9) and adding, we get:

Figure 00000012
Figure 00000012

Для третьей оси, действуя аналогичным образом, получим:For the third axis, acting in a similar way, we get:

Figure 00000013
Figure 00000013

Если разделить (11) на (10) и извлечь квадратный корень, то получим выражение для вычисления относительного коэффициента чувствительности третьей и второй осей акселерометра:If we divide (11) by (10) and extract the square root, we obtain an expression for calculating the relative sensitivity coefficient of the third and second axes of the accelerometer:

Figure 00000014
Figure 00000014

Таким образом, для вычисления относительного коэффициента чувствительности по третьей и второй осям не требуется знания коэффициентов чувствительности k по каждой из них, а также величины и ориентации вектора гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
, т.е. достаточно тех же измерений, которые были необходимы для определения статических ошибок m.Thus, to calculate the relative sensitivity coefficient along the third and second axes, it is not necessary to know the sensitivity coefficients k for each of them, as well as the magnitude and orientation of the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
, i.e. the same measurements that were necessary to determine the static errors m are sufficient.

Аналогичным образом на втором этапе калибровки вычисляется относительный коэффициент чувствительности по третьей и первой осям акселерометра:Similarly, at the second calibration stage, the relative sensitivity coefficient is calculated along the third and first axes of the accelerometer:

Figure 00000015
Figure 00000015

При практических измерениях - использовании откалиброванного акселерометра - устанавливают инклинометр на объект исследования и измеряют проекции Bj вектора гравитационного ускорения G ¯

Figure 00000002
на все оси акселерометра. Далее по ним определяют углы αj между вектором гравитационного ускорения G ¯
Figure 00000002
и 1, 2 и 3 осями акселерометра, Фиг. 2, используя соотношения:In practical measurements - using a calibrated accelerometer - set the inclinometer on the object of study and measure the projection B j of the gravitational acceleration vector G ¯
Figure 00000002
on all axes of the accelerometer. Then they determine the angles α j between the vector of gravitational acceleration G ¯
Figure 00000002
and 1, 2 and 3 axes of the accelerometer, FIG. 2 using the ratios:

Figure 00000016
Figure 00000016

В этих соотношениях, в соответствии с (1), выражения в круглых скобках (Bj-mj) обеспечивают компенсацию статических ошибок измерений по осям акселерометра. Коэффициенты относительной чувствительности k32 и k31 нормируют измерения по всем осям, устраняя различия в их чувствительности. Справедливость выражений (12) легко проверить, подставив в них:In these relations, in accordance with (1), expressions in parentheses (B j -m j ) compensate for static measurement errors along the axes of the accelerometer. The coefficients of relative sensitivity k 32 and k 31 normalize measurements along all axes, eliminating differences in their sensitivity. The validity of expressions (12) is easy to verify by substituting in them:

Figure 00000017
Figure 00000017

В ряде практических приложений удобно пользоваться углами βj=(90°-αj) между осями 1, 2 и 3 акселерометра и плоскостью горизонта. Эти углы рассчитываются по формулам, аналогичным (12), с заменой функции arcctg на arctg.In a number of practical applications, it is convenient to use the angles β j = (90 ° -α j ) between the axes 1, 2 and 3 of the accelerometer and the horizon plane. These angles are calculated using formulas similar to (12), with the arcctg function replaced by arctg.

Например, Фиг. 3, если объектом является неподвижный или равномерно движущийся автомобиль, то, совместив первую ось акселерометра с продольной осью автомобиля, вторую ось акселерометра - с поперечной осью, а третью направить ортогонально первым двум, в соответствии с (12) можно определить углы β1 и β2 наклона автомобиля к плоскости горизонта Н.For example, FIG. 3, if the object is a stationary or uniformly moving car, then by combining the first axis of the accelerometer with the longitudinal axis of the car, the second axis of the accelerometer with the transverse axis, and the third should be directed orthogonally to the first two, in accordance with (12), angles β 1 and β can be determined 2 tilt of the car to the horizon plane N.

При технической реализации трехосевой акселерометр через соответствующие контроллеры подключают к компьютеру, который обеспечивает прием измерений на этапах калибровки инклинометра, вычисление статических ошибок и относительных коэффициентов чувствительности, а при его практическом использовании - определение углов наклона объекта.In the technical implementation, the three-axis accelerometer is connected to the computer through the appropriate controllers, which ensures the reception of measurements at the stages of the inclinometer calibration, the calculation of static errors and relative sensitivity coefficients, and in its practical use, the determination of the object's tilt angles.

Таким образом, заявляемый способ может быть реализован и позволяет путем несложных измерений и вычислений откалибровать инклинометр и определить углы ориентации исследуемого объекта относительно гравитационного поля Земли.Thus, the inventive method can be implemented and allows by simple measurements and calculations to calibrate the inclinometer and determine the orientation angles of the investigated object relative to the gravitational field of the Earth.

Источники информацииInformation sources

1. Лобанков В.М. Калибровка скважинной геофизической аппаратуры. Издательство: Уфа: «Мастер-Копи» 2011, 176 стр. http://tinref.ru/000_uchebniki/05300tehnika/003_kalibrovka_geofizich_aparaturi/015.htm.1. Lobank V.M. Calibration of downhole geophysical equipment. Publisher: Ufa: Master Kopi 2011, 176 pp. Http://tinref.ru/000_uchebniki/05300tehnika/003_kalibrovka_geofizich_aparaturi/015.htm.

2. Патент RU 120215.2. Patent RU 120215.

3. С.Ф. Коновалов и др. Автоматическое оборудование для испытаний акселерометров. Сборник 4 Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. Май, 1997 г., ISB №5-900780-13-9.3. S.F. Konovalov and others. Automatic equipment for testing accelerometers. Collection of 4 St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. May 1997, ISB No. 5-900780-13-9.

4. Определение угла наклона акселерометром, http://bitaks.com/resources/inclinometer/ugol_naklona.pdf.4. Determination of the angle of inclination of the accelerometer, http://bitaks.com/resources/inclinometer/ugol_naklona.pdf.

Claims (1)

Способ калибровки акселерометрического трехосевого, j=1÷3, инклинометра, заключающийся в том, что акселерометр устанавливают так, чтобы его первая ось, выбираемая как ось вращения, пересекалась с вектором гравитационного ускорения
Figure 00000018
предпочтительно под углом 90°, калибруют вторую ось акселерометра, для чего вращают его вокруг первой оси, фиксируют в четырех, i=1÷4, ортогональных положениях, в каждом из которых измеряют проекции A2i вектора гравитационного ускорения
Figure 00000019
на вторую ось акселерометра, вычисляют статическую ошибку акселерометра по второй оси m2 путем усреднения измерений проекций вектора гравитации на эту ось:
Figure 00000020

отличающийся тем, что одновременно со второй осью аналогичным образом калибруют третью ось акселерометра с вычислением ее статической ошибки m3, вычисляют относительный k32 - коэффициент чувствительности третьей k3 и второй k2 осей акселерометра:
Figure 00000021

затем устанавливают акселерометр так, чтобы выбрать в качестве оси его вращения вторую ось и, действуя аналогично, вычисляют статическую ошибку первой оси m1 и относительный k31 - коэффициент чувствительности третьей k3 и первой k1 осей:
Figure 00000022

при практических измерениях устанавливают акселерометр в требуемое положение, измеряют проекции Bj вектора гравитационного ускорения
Figure 00000023
на все оси акселерометра, устраняют статические ошибки измерений по каждой оси, нормируют измерения по всем осям с использованием относительных коэффициентов чувствительности, вычисляя углы αj между осями чувствительности акселерометра и вектором гравитационного ускорения
Figure 00000024
по формулам:
Figure 00000025

Figure 00000026

Figure 00000027
A method for calibrating an accelerometer triaxial, j = 1 ÷ 3, inclinometer, namely, that the accelerometer is set so that its first axis, selected as the axis of rotation, intersects the gravitational acceleration vector
Figure 00000018
preferably, at an angle of 90 °, the second axis of the accelerometer is calibrated, for which it is rotated around the first axis, fixed in four, i = 1 ÷ 4, orthogonal positions, in each of which projections A 2i of the gravitational acceleration vector are measured
Figure 00000019
on the second axis of the accelerometer, calculate the static error of the accelerometer along the second axis m 2 by averaging the measurements of the projections of the gravity vector on this axis:
Figure 00000020

characterized in that simultaneously with the second axis, the third axis of the accelerometer is calibrated in a similar manner with the calculation of its static error m 3 , the relative k 32 is calculated - the sensitivity coefficient of the third k 3 and second k 2 axes of the accelerometer:
Figure 00000021

then set the accelerometer so as to select the second axis as the axis of its rotation and, acting similarly, calculate the static error of the first axis m 1 and relative k 31 - sensitivity coefficient of the third k 3 and first k 1 axes:
Figure 00000022

in practical measurements, set the accelerometer to the desired position, measure the projection B j of the gravitational acceleration vector
Figure 00000023
on all axes of the accelerometer, eliminate static measurement errors on each axis, normalize measurements on all axes using relative sensitivity coefficients, calculating the angles α j between the sensitivity axes of the accelerometer and the gravitational acceleration vector
Figure 00000024
according to the formulas:
Figure 00000025

Figure 00000026

Figure 00000027
RU2014147522/28A 2014-11-25 2014-11-25 Method of calibrating accelerometric three-axis inclinometer RU2577806C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014147522/28A RU2577806C1 (en) 2014-11-25 2014-11-25 Method of calibrating accelerometric three-axis inclinometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014147522/28A RU2577806C1 (en) 2014-11-25 2014-11-25 Method of calibrating accelerometric three-axis inclinometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2577806C1 true RU2577806C1 (en) 2016-03-20

Family

ID=55648020

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014147522/28A RU2577806C1 (en) 2014-11-25 2014-11-25 Method of calibrating accelerometric three-axis inclinometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2577806C1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109374925A (en) * 2018-09-27 2019-02-22 广州亚美信息科技有限公司 A kind of vehicle weight acceleration directional reference value based on self study determines method and device
CN110530395A (en) * 2019-05-31 2019-12-03 北京航天时代光电科技有限公司 Small-range accelerometer scaling method
RU206917U1 (en) * 2020-09-09 2021-10-01 Общество с ограниченной ответственностью "Квантум-Центр" PENDULUM INCLINOMETER WITH REMOTE CALIBRATION FUNCTION
RU2781433C1 (en) * 2019-10-08 2022-10-12 Чайна Нэшнл Петролеум Корпорэйшн System and method for calibration and verification of the borehole direction sensor, computer device and computer-readable media
US11994410B2 (en) 2019-10-08 2024-05-28 China National Petroleum Corporation Calibration and verification system and method for directional sensor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2249793C2 (en) * 2002-08-06 2005-04-10 Открытое акционерное общество Пермская научно-производственная приборостроительная компания Method of calibrating accelerometers
US20090217733A1 (en) * 2008-02-29 2009-09-03 General Electric Company Systems and Methods for Calibrating Triaxial Accelerometers
RU2486472C1 (en) * 2012-01-26 2013-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. Академика Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦАП") Method to calibrate sensitive elements of platform-free inertial navigation system in flight
CN103868527A (en) * 2014-02-28 2014-06-18 北京航天控制仪器研究所 Method for calibrating accelerometer units in strapdown inertial combinations

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2249793C2 (en) * 2002-08-06 2005-04-10 Открытое акционерное общество Пермская научно-производственная приборостроительная компания Method of calibrating accelerometers
US20090217733A1 (en) * 2008-02-29 2009-09-03 General Electric Company Systems and Methods for Calibrating Triaxial Accelerometers
RU2486472C1 (en) * 2012-01-26 2013-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. Академика Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦАП") Method to calibrate sensitive elements of platform-free inertial navigation system in flight
CN103868527A (en) * 2014-02-28 2014-06-18 北京航天控制仪器研究所 Method for calibrating accelerometer units in strapdown inertial combinations

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109374925A (en) * 2018-09-27 2019-02-22 广州亚美信息科技有限公司 A kind of vehicle weight acceleration directional reference value based on self study determines method and device
CN110530395A (en) * 2019-05-31 2019-12-03 北京航天时代光电科技有限公司 Small-range accelerometer scaling method
RU2781433C1 (en) * 2019-10-08 2022-10-12 Чайна Нэшнл Петролеум Корпорэйшн System and method for calibration and verification of the borehole direction sensor, computer device and computer-readable media
US11994410B2 (en) 2019-10-08 2024-05-28 China National Petroleum Corporation Calibration and verification system and method for directional sensor
RU206917U1 (en) * 2020-09-09 2021-10-01 Общество с ограниченной ответственностью "Квантум-Центр" PENDULUM INCLINOMETER WITH REMOTE CALIBRATION FUNCTION

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2577806C1 (en) Method of calibrating accelerometric three-axis inclinometer
US9645267B2 (en) Triaxial accelerometer assembly and in-situ calibration method for improved geodetic and seismic measurements
JP5916865B2 (en) Method for determining the inclination of tower structures
RU2269813C2 (en) Method for calibrating parameters of platform-less inertial measuring module
CN102159920A (en) Methods for processing measurements from accelerometer
CN104006827B (en) Method for evaluating stability of north orientation benchmark for inertial measurement unit calibration
CN102841218A (en) Double-shaft centrifuge based gyro accelerometer testing method
CN106443722A (en) Method for detecting antenna phase center bias
Villasante et al. Measurement errors in the use of smartphones as low-cost forestry hypsometers
CN115218860A (en) Road deformation prediction method based on Mems acceleration sensor
CN109033026A (en) A kind of Calibration Method and equipment of atmospheric density detection data
Emel’yantsev et al. Calibration of a precision SINS IMU and construction of IMU-bound orthogonal frame
RU2717566C1 (en) Method of determining errors of an inertial unit of sensitive elements on a biaxial rotary table
CN106289207A (en) A kind of high-precision measuring method based on difference MEMS gyroscope
RU2619443C2 (en) Method of error estimating of three-axis gyroscope
JPH0827192B2 (en) How to measure angles and angle characteristic curves
RU2477864C1 (en) Calibration method of inertial measurement module as to channel of accelerometers
CN108917789B (en) Inclinometer orthogonality evaluation method based on relative included angle of pitch axis and roll axis
RU2386107C1 (en) Independent method of determining initial orientation of instrument coordinate system of gimballess inertial unit of controlled object relative base coordinate system
RU2507392C1 (en) Method for zenith angle and drift direction determination and gyroscopic inclinometer
Golovan et al. On the method of instrumental errors parameterization for a gravity gradiometer
RU2560742C1 (en) Method of azimuth determination
Tomaszewski et al. Analysis of the noise parameters and attitude alignment accuracy of INS conducted with the use of MEMS-based integrated navigation system
RU2583882C1 (en) Method for calibration of acceleration sensor in space flight
RU2544262C2 (en) Method to measure acceleration of free fall on movable object