RU2727344C1 - Method for increasing calibration accuracy of unit of angular velocity micromechanical sensors - Google Patents

Method for increasing calibration accuracy of unit of angular velocity micromechanical sensors Download PDF

Info

Publication number
RU2727344C1
RU2727344C1 RU2019111457A RU2019111457A RU2727344C1 RU 2727344 C1 RU2727344 C1 RU 2727344C1 RU 2019111457 A RU2019111457 A RU 2019111457A RU 2019111457 A RU2019111457 A RU 2019111457A RU 2727344 C1 RU2727344 C1 RU 2727344C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
angular velocity
calibration
platform
angles
readings
Prior art date
Application number
RU2019111457A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Федорович Заец
Владимир Сергеевич Кулабухов
Борис Олегович Качанов
Николай Алексеевич Туктарев
Сабина Курбановна Ахмедова
Владислав Анатольевич Новиков
Original Assignee
Акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (АО МНПК "Авионика")
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 Акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (АО МНПК "Авионика") filed Critical Акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (АО МНПК "Авионика")
Priority to RU2019111457A priority Critical patent/RU2727344C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2727344C1 publication Critical patent/RU2727344C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to navigation, navigation instruments, testing and calibration and can be used to calibrate sensors of strapdown inertial systems for orientation and navigation of aircraft, sea, ground and other mobile objects. Method comprises an initial platform display, a static experiment, with the platform stationary, successive rotation using the bench equipment at least on two non-parallel axes in the calibrated integrated data base basis, recording of the reading of the integrated data base on the channel of linear acceleration sensors (LAS) and readings of angular velocity sensors (AVS). By identifying proposed nonlinear mathematical model of AVS, zero angles of angular velocity sensor, matrix describing scale factors, cross links, non-linear coefficients are determined, for this purpose calibration program is developed. Program includes execution of a sequence of rotations and inclination angles of the platform in accordance with 6 specified experiments with duration of rotation and platform inclination time interval of about 3–4 minutes. Processing of obtained data includes selection of time interval with duration of about 2–3 minutes with established angular speed and inclination angles, calculation of ADC AVS codes average values, differentiation of goniometer readings and calculation of average values of angular velocities of table platform, calculation of average values of temperature sensors readings. Further, using certain algorithms, calibration factors are determined. According to the proposed method, estimation of scales and non-orthogonality angles is performed together with shifts of zeros. This ensures invariance of estimates of scale factors and angles of non-orthogonality with respect to shifts of zeros of the AVS and, accordingly, high accuracy, which is important for micromechanical angular velocity sensors with high level of instability of zero shifts.EFFECT: technical result is higher accuracy of calibration of scaling factors and angles of non-orthogonality of micromechanical angular velocity sensors.1 cl, 5 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области навигации, навигационных приборов, испытаниям и калибровке, и может быть использовано для калибровки датчиков бесплатформенных инерциальных систем ориентации и навигации летательных аппаратов, морских, наземных и других подвижных объектов. Интегрированный блок датчиков (ИБД) представляет собой вмонтированные в общий корпус тройку ортогонально расположенных датчиков угловых скоростей (ДУС) и тройку ортогональных датчиков линейных ускорений (ДЛУ), у которых соответствующие оси чувствительности коллинеарны. Эти блоки также называют инерциальными измерительными модулями (ИИМ).The invention relates to the field of navigation, navigation devices, testing and calibration, and can be used to calibrate the sensors of strapdown inertial attitude control and navigation systems of aircraft, sea, ground and other mobile objects. An integrated sensor unit (IDU) is a triple orthogonal angular velocity sensor (DUS) and a triple orthogonal linear acceleration sensor (DLU) mounted in a common housing, whose corresponding sensitivity axes are collinear. These blocks are also called inertial measurement modules (IMU).

Точность инерциальных систем навигации и ориентации в значительной степени зависит от правильности учета систематических погрешностей гироскопов, выявляемых с помощью процедуры калибровки. Применение высокоточного испытательного стенда позволяет надеяться на повышение качества калибровки микромеханических приборов среднего и низкого класса точности. При этом важным является обоснование математической модели измерений исследуемых датчиков и формирование необходимой совокупности экспериментов. В изобретении предлагается устранить вредное влияние остаточных ошибок компенсации нулей на ошибки определения неортогональности осей чувствительности датчиков за счет повышения информативности экспериментальных данных. Это особенно актуально для МЭМС ДУС.The accuracy of inertial navigation and attitude control systems largely depends on the correct accounting for the systematic errors of gyroscopes detected by the calibration procedure. The use of a high-precision test bench allows us to hope for an improvement in the quality of calibration of micromechanical instruments of medium and low accuracy class. In this case, it is important to substantiate the mathematical model of measurements of the investigated sensors and the formation of the necessary set of experiments. The invention proposes to eliminate the harmful effect of residual zero compensation errors on errors in determining the non-orthogonality of the sensor sensitivity axes by increasing the information content of the experimental data. This is especially true for MEMS DUS.

Известен быстрый способ калибровки ИИМ [1]. В соответствии с данным способом, оператор вращает ИИМ во всех направлениях без внешнего оборудования либо с помощью оборудования. Снимаемые в это время с ИИМ данные позволяют определять 12 коэффициентов моделей погрешностей датчиков ИИМ, в том числе скорости дрейфов и масштабные коэффициенты ДУС, нулевые сигналы и масштабные коэффициенты акселерометров.There is a fast way to calibrate IMM [1]. In accordance with this method, the operator rotates the IMU in all directions without external equipment or with the help of equipment. The data taken at this time from the IMM allows one to determine 12 coefficients of the error models of the IMM sensors, including the drift velocities and scaling factors of the control system, zero signals and the scaling factors of accelerometers.

Известен также способ калибровки ДУС в составе бесплатформенных инерциальных измерительных модулей (БИИМ) [2], при этом по сигналам двухкомпонентного ДУС и трех однокомпонентных акселерометров, т.е. блока акселерометров, входящих в состав БИИМ, калибруют коэффициенты модели угловой скорости дрейфа каждого ДУС, зависящего и не зависящего от линейных перегрузок, а также углы отклонений двух его осей чувствительности и оси кинетического момента от их номинальных направлений, материализуемых установочной плоскостью и базовым направлением на корпусе ДУС.There is also known a method for calibrating the DUS as part of the strapdown inertial measuring modules (BIIM) [2], while using the signals of the two-component DUS and three one-component accelerometers, i.e. of the block of accelerometers that are part of the BIIM, the coefficients of the model of the angular velocity of the drift of each DUS, which depends and does not depend on linear overloads, are calibrated, as well as the angles of deviations of its two axes of sensitivity and the axis of angular momentum from their nominal directions, materialized by the mounting plane and the base direction on the body DUS.

Суть способа состоит в том, что с помощью кронштейна и поворотной установки ИИМ устанавливают в 3 различных фиксированных положениях по зенитному углу (Θ=0°; Θ=90°), при этом установку углов зенита производят по сигналам акселерометров и в каждом из них разворачивают ИИМ на азимутальные углы, близкие к значениям 0°, 90°, 180°, 270°. Во всех фиксированных положениях определяют сигналы ДУС по двум компонентам вектора измеряемой угловой скорости вращения Земли, запоминают их, а потом складывают и вычитают результаты одноименных измерений по каждому измеряемому компоненту угловой скорости и по соответствующим алгоритмам определяют коэффициенты моделей угловых скоростей дрейфа, а также углы неточной установки осей чувствительности и вектора кинетического момента ДУС. При этом сигналы блока акселерометров используются для определения угла зенита и угла установки отклонителя.The essence of the method is that with the help of a bracket and a rotary installation, the IMU is installed in 3 different fixed positions along the zenith angle (Θ = 0 °; Θ = 90 °), while the zenith angles are set according to the signals of the accelerometers and in each of them they are deployed IMI for azimuth angles close to the values of 0 °, 90 °, 180 °, 270 °. In all fixed positions, the DLS signals are determined by two components of the vector of the measured angular velocity of the Earth's rotation, they are stored, and then the results of measurements of the same name are added and subtracted for each measured component of the angular velocity and, according to the appropriate algorithms, the coefficients of the models of the angular velocities of the drift are determined, as well as the angles of inaccurate setting the axes of sensitivity and the vector of the angular momentum of the DUS. In this case, the signals from the accelerometer unit are used to determine the zenith angle and the deflector installation angle.

Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает режимы калибровки масштабных коэффициентов, не полностью обеспечивает определение углов неточной установки измерительных осей однокомпонентных ДУС на основе волоконно-оптических, волновых твердотельных и других гироскопов, трех акселерометров, а также не позволяет определять углы непараллельности соответствующих одноименных измерительных осей ДУС и акселерометров.The disadvantage of this method is that it does not provide calibration modes of scale factors, does not fully ensure the determination of the angles of inaccurate installation of the measuring axes of one-component DUS based on fiber-optic, wave solid-state and other gyroscopes, three accelerometers, and also does not allow determining the angles of non-parallelism of the corresponding measuring axes of DUS and accelerometers.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ калибровки датчиков угловой скорости бесплатформенного ИИМ [3], реализованный в известном широкодиапазонном стенде (например, УПГ-48), обеспечивающем приблизительно горизонтальное задание вектора угловой скорости с фиксированным направлением в пространстве. С помощью стендового оборудования вращают ИИМ последовательно вокруг трех приблизительно ортогональных осей ИИМ. Во время вращения записывают показания ИИМ по каналу акселерометров, показания ДУС. По сигналам акселерометров определяют угловую скорость ИИМ в базисе акселерометров. Идентифицируя математическую модель ДУС, определяют нулевые сигналы ДУС, матрицу, описывающую масштабные коэффициенты, перекрестные связи, ориентацию осей чувствительности ДУС в ИИМ, матрицу, описывающую влияние линейного ускорения на показания ДУС.The closest analogue to the claimed method is a method for calibrating the angular velocity sensors of a strapdown IMM [3], implemented in a known wide-range stand (for example, UPG-48), which provides approximately horizontal setting of the angular velocity vector with a fixed direction in space. With the help of bench equipment, the IMU is rotated sequentially around three approximately orthogonal IMU axes. During rotation, the IMM readings are recorded along the accelerometer channel, the DUS readings. According to the signals of the accelerometers, the angular velocity of the IMU is determined in the basis of the accelerometers. By identifying the mathematical model of the ADS, the zero signals of the ADS, the matrix describing the scale factors, cross-links, the orientation of the sensitivity axes of the ADS in the IMM, the matrix describing the effect of linear acceleration on the readings of the ADS are determined.

Недостатком всех приведенных выше способов калибровки является необходимость предварительной компенсации смещений нулей. Это приводит к распространению ошибок компенсации смешений на ошибки идентификации углов неортогональности и масштабных коэффициентов. В силу высокой чувствительности оценок неортогональности к смещениям нулей их точность значительно падает.The disadvantage of all the above calibration methods is the need to precompensate for zero offsets. This leads to the propagation of offset compensation errors to errors in the identification of non-orthogonality angles and scale factors. Due to the high sensitivity of the estimates of nonorthogonality to zero offsets, their accuracy drops significantly.

Целью изобретения является повышение точности калибровки масштабных коэффициентов и углов неортогональности микромеханических ДУС за счет устранения вредного влияния остаточных ошибок компенсации нулей на ошибки определения неортогональности путем повышения информативности экспериментальных данных.The aim of the invention is to improve the accuracy of calibration of scale factors and angles of non-orthogonality of micromechanical DUS by eliminating the harmful effect of residual errors in zero compensation on errors in determining non-orthogonality by increasing the information content of experimental data.

Поставленная цель достигается за счет того, что согласно заявленному способу повышения точности калибровки блока микромеханических датчиков угловой скорости, включающий начальную выставку платформы, статический эксперимент при неподвижном положении платформы, вращение с помощью стендового оборудования последовательно как минимум по двум непараллельным осям в базисе калибруемого ИБД, во время вращения записывают показания ИБД по каналу датчиков линейного ускорения (ДЛУ), показания датчиков угловой скорости (ДУС), идентифицируя математическую модель ДУС, определяют нулевые сигналы ДУС, матрицу, описывающую масштабные коэффициенты, перекрестные связи, дополнительно используют нелинейную модель микромеханических ДУС: u=K(ω)ω+С+е+F(ω),This goal is achieved due to the fact that according to the claimed method for improving the calibration accuracy of the micromechanical angular velocity sensor unit, including the initial platform exposure, a static experiment with the platform stationary, rotation using bench equipment sequentially along at least two non-parallel axes in the basis of the calibrated IDU, in the rotation time is recorded by the readings of the IDS through the channel of the linear acceleration sensors (DLS), the readings of the angular velocity sensors (ADS), identifying the mathematical model of the ADS, determine the zero signals of the ADS, the matrix describing the scale factors, cross-links, additionally use a nonlinear model of the micromechanical ADS: u = K (ω) ω + С + е + F (ω),

где F(ω) - вектор нелинейных функций вида:where F (ω) is a vector of nonlinear functions of the form:

Figure 00000001
Figure 00000001

где: bx,by,bz - коэффициенты нелинейности функций ƒ,where: b x , b y , b z are the nonlinearity coefficients of the functions ƒ,

K(ω)=DS(ω), ω=ωcg, СT=[сх су сz],K (ω) = DS (ω), ω = ω c + ω g , С T = [с х с у с z ],

ωс - вектор проекций угловых скоростей на оси СК блока за счет вращения платформы стола; ωg - вектор проекций угловых скоростей за счет вращения Земли; С - вектор смещений нулей ДУС в единицах кода; е - шум; К - матрица калибровочных коэффициентов, учитывающая масштабы и углы неортогональности: S - диагональная матрица масштабных коэффициентов; D - матрица углов неортогональности, осуществляют разработку программы автоматизации процесса калибровки, которая включает выполнение последовательности вращений и углов наклона платформы в соответствии с 6-ю указанными в таблице 1 экспериментами при длительности интервала времени с заданными параметрами вращений и углов наклона платформы порядка 3-4 минут.ω c - vector of projections of angular velocities on the axis of the SC of the block due to the rotation of the table platform; ω g - vector of projections of angular velocities due to the rotation of the Earth; С - vector of displacements of zeros of the DOS in code units; e - noise; K - matrix of calibration coefficients, taking into account the scales and angles of non-orthogonality: S - diagonal matrix of scale factors; D is a matrix of non-orthogonality angles, the development of a program for the automation of the calibration process, which includes the execution of a sequence of rotations and tilt angles of the platform in accordance with the 6 experiments indicated in Table 1, with a time interval duration with given parameters of rotations and tilt angles of the platform of about 3-4 minutes ...

Figure 00000002
Figure 00000002

Осуществляют обработку полученных данных включающих, выбор интервала времени длительностью порядка 2-3 минут с установившейся угловой скоростью и углами наклона, вычисление средних значений кодов АЦП ДУС, дифференцирование показаний угломеров и вычисление средних значений угловых скоростей платформы стола, для определения калибровочных коэффициентов оставляют три системы уравнений, каждая система содержит шесть уравнений для измерений сигналов ДУС:The obtained data are processed, including the selection of a time interval of about 2-3 minutes with a steady angular velocity and tilt angles, the calculation of the average values of the ADC DUS codes, the differentiation of the goniometer readings and the calculation of the average values of the angular velocities of the table platform, three systems of equations are left to determine the calibration coefficients , each system contains six equations for measurements of the OLS signals:

Figure 00000003
Figure 00000003

Для каждого ДУС определяют пять коэффициентов, векторы которых имеют вид:For each CRS, five coefficients are determined, the vectors of which have the form:

Figure 00000004
Figure 00000004

Оценки векторов коэффициентов вычисляют по методу наименьших квадратов. Контроль калибровки по экспериментам вращений осуществляют путем оценивания средних значений угловых скоростейThe vector estimates of the coefficients are calculated using the least squares method. Calibration control according to experiments of rotations is carried out by evaluating the average values of angular velocities

Figure 00000005
Figure 00000005

Для контроля используют математические ожидания и СКО ошибок оценивания:Mathematical expectations and standard deviations of estimation errors are used for control:

Figure 00000006
Figure 00000006

Математические ожидания ошибок оценивания должны быть близки к нулю, СКО ошибок оценивания должны иметь порядок СКО шумов измерений.The mathematical expectations of the estimation errors must be close to zero, the standard deviation of the estimation errors must be of the order of the standard deviation of the measurement noise.

Суть способа определения коэффициентов калибровки излагается ниже.The essence of the method for determining the calibration coefficients is described below.

Рассматривается калибровка трех координатного блока датчиков угловой скорости при использовании данных шести вращений - три вращения раздельно по каждой из трех осей: X, Y, Z и три вращения по двум осям: XY, YZ, XZ. Вращения блока по двум осям обеспечивается путем вращения поворотной платформы стенда по внешней вертикальной оси при углах наклона по крену и тангажу. В таблице 1 представлен набор вращений и углов наклона для обеспечения равных проекций угловой скорости 50 [град/с] на оси прямоугольной системы координат (СК) блока. Здесь оси прямоугольной СК блока приняты в соответствии с его установкой на летательный аппарат: ось X - по продольной оси, ось Y - нормальная, ось Z - по правому крылу.We consider the calibration of a three-coordinate unit of angular velocity sensors using data from six rotations - three rotations separately along each of the three axes: X, Y, Z and three rotations along two axes: XY, YZ, XZ. Rotation of the block along two axes is provided by rotating the turntable of the stand along the outer vertical axis at the angles of inclination along the roll and pitch. Table 1 shows a set of rotations and tilt angles to ensure equal projections of the angular velocity 50 [deg / s] on the axis of the rectangular coordinate system (SC) of the block. Here the axes of the rectangular SC of the block are taken in accordance with its installation on the aircraft: the X-axis is along the longitudinal axis, the Y-axis is normal, the Z-axis is along the right wing.

Изменение скорости вращения и углов наклона платформы задается по программе. На рис. 1 представлено программное изменение угловых скоростей блока при вращениях по двум осям для набора скоростей {10,50,150} [град/с], где Ряд 1 - по осям - XY, Ряд 2-YZ, Ряд 3-XZ.Changing the rotation speed and tilt angles of the platform is set according to the program. In fig. 1 shows a programmed change in the angular velocities of the block during rotations along two axes for a set of speeds {10,50,150} [deg / s], where Row 1 - along the axes - XY, Row 2-YZ, Row 3-XZ.

Измерительные оси ДУС направлены по осям косоугольной СК, развернутых относительно прямоугольной СК блока на малые углы неортогональности.The measuring axes of the DUS are directed along the axes of the oblique SC, deployed relative to the rectangular SC of the block at small angles of non-orthogonality.

Для расчета калибровочных коэффициентов используются значения действующих угловых скоростей по осям прямоугольной СК блока и коды сигналов ДУС, усредненные для интервала времени установившихся вращений.To calculate the calibration coefficients, the values of the effective angular velocities along the axes of the rectangular SC of the block and the codes of the DUS signals, averaged for the time interval of steady-state rotations, are used.

Калибровка ДУС на трехосном столеCalibration of DUS on a three-axis table

Модели измеренийMeasurement models

Для связи сигналов ДУС с действующими угловыми скоростями применяется линейная модель измерений, и вспомогательная нелинейная модель. Линейная модель имеет вид [1]:A linear measurement model and an auxiliary nonlinear model are used to connect the DUS signals with the effective angular velocities. The linear model has the form [1]:

u=K(ω)ω+С+е, K(ω)=DS(ω), ω=ωсg, СT=[сх су сz],u = K (ω) ω + С + е, K (ω) = DS (ω), ω = ω с + ω g , С T = [с х с у с z ],

Figure 00000007
Figure 00000007

Здесь: u - вектор кодов АЦП в косоугольной СК измерительных осей ДУС; ω - вектор действующих угловых в осях прямоугольной СК блока; ωс - вектор проекций угловых скоростей на оси СК блока за счет вращения платформы стола; ωg - вектор проекций угловых скоростей за счет вращения Земли; С - вектор смещений нулей ДУС в единицах кода; е - шум; К - матрица калибровочных коэффициентов, учитывающая масштабы и углы неортогональности: S - диагональная матрица масштабных коэффициентов; D - матрица углов неортогональности.Here: u is the vector of ADC codes in the oblique SC of the ADS measuring axes; ω is the vector of effective angular in the axes of the rectangular SC of the block; ω c - vector of projections of angular velocities on the axis of the SC of the block due to the rotation of the table platform; ω g - vector of projections of angular velocities due to the rotation of the Earth; С - vector of displacements of zeros of the DOS in code units; e - noise; K - matrix of calibration factors, taking into account the scales and angles of non-orthogonality: S - diagonal matrix of scale factors; D - matrix of angles of non-orthogonality.

Далее принимается

Figure 00000008
, ω=ωc, то есть угловой скоростью Земли пренебрегаем.Further it is accepted
Figure 00000008
, ω = ω c , that is, the angular velocity of the Earth is neglected.

Линейная модель используется в двух вариантах - с учетом предварительной оценки вектора С смещений нулей при статическом положении блока (модель обозначается как «L3»), и без такового (модель «L4»), когда матрица К и вектор С определяются совместно по данным процессов вращений.The linear model is used in two versions - taking into account a preliminary estimate of the vector C of displacements of zeros at a static position of the block (the model is designated as "L3"), and without it (model "L4"), when the matrix K and the vector C are determined jointly from the data of rotation processes ...

Нелинейная модель, обозначается как «NL5». Она предназначена для определения изменения смешений нулей ДУС в зависимости от величин угловых скоростей, действующих перпендикулярно измерительным осям:Non-linear model, designated as "NL5". It is designed to determine the change in the displacement of the zeros of the DLS depending on the values of the angular velocities acting perpendicular to the measuring axes:

u=K(ω)ω+С+е+F(ω),u = K (ω) ω + С + е + F (ω),

где F(ω) - вектор нелинейных функций вида:where F (ω) is a vector of nonlinear functions of the form:

Figure 00000009
Figure 00000009

С учетом множества экспериментов и для самого общего случая нелинейной модели, содержащей наибольшее число коэффициентов, имеют место три системы уравнений для измерений сигналов ДУС:Taking into account a lot of experiments and for the most general case of a nonlinear model containing the largest number of coefficients, there are three systems of equations for measuring the signals of the DLS:

Figure 00000010
Figure 00000010

Для анализа эффективности предлагаемого способа рассматриваются три варианта состава калибровочных коэффициентов, определяемых по данным вращений:To analyze the effectiveness of the proposed method, three variants of the composition of the calibration coefficients determined from the rotation data are considered:

1. Линейная модель «L3» идентифицируется известным способом в два этапа [1]. На первом этапе оценивается вектор С смещений нулей при статическом положении блока. На втором этапе оценивается матрица К, при этом используются вращения раздельно по осям X, Y, Z. Векторы коэффициентов, определяемых на этапе вращений, содержат три элемента для каждого ДУС.1. The linear model "L3" is identified in a known manner in two stages [1]. At the first stage, the vector C of displacements of zeros is estimated at a static position of the block. At the second stage, the matrix K is estimated, while rotations are used separately along the X, Y, Z axes. The vectors of the coefficients determined at the stage of rotations contain three elements for each SDS.

Figure 00000011
Figure 00000011

2. Линейная модель «L4» содержит для каждого ДУС четыре коэффициента, определяемых по результатам шести вращений - раздельно по осям X, Y, Z, и по двум осям XY, YZ, XZ. При этом определение элементов матрицы К и вектора С выполняется совместно. Векторы коэффициентов модели «L4» имеют вид:2. The linear model "L4" contains four coefficients for each DUS, determined by the results of six rotations - separately along the X, Y, Z axes, and along two XY, YZ, XZ axes. In this case, the determination of the elements of the matrix K and the vector C is performed jointly. The vectors of the coefficients of the "L4" model are as follows:

Figure 00000012
Figure 00000012

3. Нелинейная модель «NL5», так же, как и модель «L4», идентифицируется по данным шести вращений. Эта модель содержит для каждого ДУС пять коэффициентов. Векторы коэффициентов модели «NL5» имеют вид:3. The nonlinear model "NL5", like the model "L4", is identified by the data of six rotations. This model contains five coefficients for each CRS. The vectors of the coefficients of the "NL5" model are as follows:

Figure 00000013
Figure 00000013

Расчетные соотношения для калибровочных коэффициентовCalculation ratios for calibration factors

Векторы измерений сигналов ДУС содержат средние значения кодов сигналов ДУС, их размерность равна числу вариантов вращений для одного значения угловой скорости:The vectors of measurements of the ADS signals contain the average values of the codes of the ADS signals, their dimension is equal to the number of rotations for one value of the angular velocity:

Figure 00000014
Figure 00000014

Уравнения для измерений сигналов ДУС представляются в матричном виде:Equations for measurements of the OLS signals are presented in matrix form:

Аx а хх, Ау а уу, Az a z=Bz,A x a x = B x , A y a y = B y , A z a z = B z ,

где Ахуz - прямоугольные матрицы, размерностью (3,3) - для модели «L3», размерностью (4,6) - для модели «L4», размерностью (5,6) - для модели «NL5».where А х , А у , А z - rectangular matrices, dimension (3.3) - for model "L3", dimension (4.6) - for model "L4", dimension (5.6) - for model "NL5 ".

Оценки векторов коэффициентов вычисляются по методу наименьших квадратов:The vector estimates of the coefficients are calculated using the least squares method:

Figure 00000015
Figure 00000015

Соотношения для специального программного обеспеченияRelationships for special software

Вычисление текущих физических значений угловых скоростей по кодам ДУС и калибровочным коэффициентам выполняется по соотношениям:The calculation of the current physical values of the angular velocities according to the DUS codes and calibration coefficients is performed according to the following ratios:

Figure 00000016
- для линейных моделей «L3», «L4».
Figure 00000016
- for linear models "L3", "L4".

Для нелинейной модели «NL5» выполняется решение нелинейного уравнения

Figure 00000017
относительно
Figure 00000018
For the nonlinear model "NL5" the nonlinear equation is solved
Figure 00000017
relatively
Figure 00000018

1. Оценка точности исходного блока1. Estimating the accuracy of the original block

Вычислялись математические ожидания и среднеквадратические значения ошибок оценивания угловых скоростей на интервале времени установившихся вращений.The mathematical expectations and root-mean-square values of the errors in estimating the angular velocities were calculated over the time interval of steady-state rotations.

Из таблицы 2, где приведена статистика воспроизведения угловых скоростей исходным блоком, следует, что оценки угловых скоростей, формируемые исходным блоком имеют смещения, которые составляют сотые доли [град/с] для малых угловых скоростей, и увеличиваются до десятых долей [град/с] при увеличении угловой скорости до 150 [град/с]. При этом среднеквадратические ошибки оценивания угловых скоростей, обусловленные шумами измерений, имеют порядок 0.02…0.03 [град/с].From table 2, where the statistics of the reproduction of angular velocities by the original block is given, it follows that the estimates of the angular velocities formed by the original block have displacements that are hundredths [deg / s] for low angular velocities, and increase to tenths [deg / s] with an increase in the angular velocity up to 150 [deg / s]. In this case, the root-mean-square errors in the estimation of the angular velocities, caused by the measurement noise, are of the order of 0.02… 0.03 [deg / s].

Figure 00000019
Figure 00000019

2. Оценка точности настройки линейной модели «L3»2. Estimation of the tuning accuracy of the linear model "L3"

Из таблицы 3, где приведена статистики ошибок воспроизведения угловых скоростей моделью L3, следует, что практически нулевые смещения оценок угловых скоростей на вращениях раздельно по осям X, Y, Z, возрастают на вращениях по двум осям: XY, YZ, XZ. Это означает, что вектор С, определенный в статическом положении блока и матрица К, определенная по данным раздельных вращений по осям X, Y, Z, неправомерны для сложных вращений по двум осям XY, YZ, XZ, что особенно заметно на больших угловых скоростях.From Table 3, where the statistics of errors in the reproduction of angular velocities by the L3 model are given, it follows that almost zero displacements of the estimates of angular velocities on rotations separately along the X, Y, Z axes increase on rotations along two axes: XY, YZ, XZ. This means that the vector C, determined in the static position of the block and the matrix K, determined from the data of separate rotations along the X, Y, Z axes, are invalid for complex rotations along the two axes XY, YZ, XZ, which is especially noticeable at high angular velocities.

Figure 00000020
Figure 00000020

3. Оценка точности настройки линейной модели «L4»3. Estimation of the tuning accuracy of the linear model "L4"

Из таблицы 4, где приведена статистики ошибок воспроизведения угловых скоростей моделью L4, следует, что при совместном оценивании матрицы К и вектора С по модели «L4» ошибки оценивания угловых скоростей меньше ошибок исходного блока и ошибок модели «L3», особенно на малых угловых скоростях. Анализ числовых значений коэффициентов показывает, что они претерпевают значительные изменения при варьировании угловой скорости.From table 4, where the statistics of errors of reproduction of angular velocities by the L4 model are given, it follows that when jointly evaluating the matrix K and the vector C according to the L4 model, the errors in estimating the angular velocities are less than the errors of the original block and the errors of the L3 model, especially at low angular velocities ... An analysis of the numerical values of the coefficients shows that they undergo significant changes when the angular velocity is varied.

Figure 00000021
Figure 00000021

4. Оценка точности настройки нелинейной модели «NL5»4. Estimation of the tuning accuracy of the nonlinear model "NL5"

Из сравнения таблицы 5, где приведена статистики ошибок воспроизведения угловых скоростей моделью NL5, с таблицей 4 следует, что точность нелинейной модели «NL5» выше точности линейной модели «L4». При этом наблюдается хорошая стабильность коэффициентов нелинейной модели при варьировании угловой скорости, в том числе коэффициентов bx,by,bz.From a comparison of Table 5, where the statistics of errors of reproduction of angular velocities by the NL5 model, with Table 4, it follows that the accuracy of the nonlinear model "NL5" is higher than the accuracy of the linear model "L4". At the same time, there is a good stability of the coefficients of the nonlinear model with varying angular velocity, including the coefficients b x , b y , b z .

Figure 00000022
Figure 00000022

Контроль оценокAssessment control

Далее определяют ошибки оценивания средних значений угловых скоростей:Next, the errors in estimating the average values of angular velocities are determined:

Figure 00000023
Figure 00000023

Здесь j - номер эксперимента.Here j is the experiment number.

Для контроля используют математические ожидания и СКО ошибок оценивания:Mathematical expectations and standard deviations of estimation errors are used for control:

Figure 00000024
Figure 00000024

Математические ожидания ошибок оценивания должны быть близки к нулю. СКО ошибок оценивания должны иметь порядок СКО шумов измерений.The mathematical expectations of the estimation errors should be close to zero. The standard deviation of the estimation errors should be of the order of the standard deviation of the measurement noise.

Программа управления столом предусматривает:The table management program includes:

- начальную выставку платформы - для ДУС «чувствующих» угловую скорость Земли;- initial exhibition of the platform - for DUS "sensing" the Earth's angular velocity;

- выполнение последовательности вращений и углов наклона платформы в соответствии с 6-ю указанными экспериментами при длительности интервала времени порядка 3-4 минут;- performing a sequence of rotations and tilt angles of the platform in accordance with the 6 specified experiments with a time interval of about 3-4 minutes;

- регистрацию времени, кодов АЦП, показаний трех угломеров платформы, датчиков температуры блока и датчика температуры платформы;- registration of time, ADC codes, readings of three platform protractors, block temperature sensors and platform temperature sensor;

- повторение этих действий для сетки значений угловой скорости;- repeating these actions for the grid of angular velocity values;

- статический эксперимент при неподвижном положении платформы в течение порядка 10 минут.- static experiment with a stationary position of the platform for about 10 minutes.

Для полного диапазона температур эксперименты повторяются на сетке температурFor the full temperature range, experiments are repeated on a temperature grid

Расчетная частьCalculated part

Для одного установившегося значения температуры расчетная часть включает:For one steady-state temperature value, the calculation part includes:

- выбор интервала времени длительностью порядка 2-3 минут с установившейся угловой скоростью и углами наклона;- selection of a time interval lasting about 2-3 minutes with a steady angular velocity and tilt angles;

- вычисление средних значений кодов АЦП ДУС;- calculation of the average values of the ADC DUS codes;

- дифференцирование показаний угломеров и вычисление средних значений угловых скоростей платформы стола;- differentiation of readings of goniometers and calculation of average angular velocities of the table platform;

- вычисление средних значений показаний датчиков температуры;- calculation of average values of readings of temperature sensors;

- вычисление калибровочных коэффициентов;- Calculation of calibration factors;

- контроль калибровки по экспериментам вращений;- control of calibration according to experiments of rotations;

- контроль калибровки по статическому эксперименту;- control of calibration by static experiment;

- расчет интерполяционных таблиц по угловой скорости.- calculation of interpolation tables by angular velocity.

Для полного диапазона температур выполняются следующие расчеты:For the full temperature range, the following calculations are performed:

- калибровка датчиков температуры блока;- calibration of block temperature sensors;

- формирование интерполяционных таблиц по температуре;- formation of interpolation tables for temperature;

- контроль калибровки с учетом интерполяции по скорости и температуре.- control of calibration taking into account the interpolation in terms of speed and temperature.

Технический результатTechnical result

По предлагаемому способу оценивание масштабов и углов неортогональности выполняется совместно со смещениями нулей. За счет этого обеспечивается инвариантность оценок масштабов и углов неортогональности по отношению к смещениям нулей ДУС, и, соответственно, повышение точности, что ценно для микромеханических ДУС с высоким уровнем нестабильности смещений нулей.According to the proposed method, the estimation of the scales and angles of non-orthogonality is performed together with the offsets of the zeros. Due to this, the invariance of the estimates of scales and angles of non-orthogonality with respect to the displacements of the zeros of the ADS is ensured, and, accordingly, an increase in accuracy, which is valuable for micromechanical DEs with a high level of instability of the displacements of zeros.

Точность нелинейной модели «NL5» выше точности линейной модели «L4». При этом наблюдается хорошая стабильность коэффициентов нелинейной модели при варьировании угловой скорости, в том числе коэффициентов bx,by,bz.The accuracy of the non-linear model "NL5" is higher than the accuracy of the linear model "L4". At the same time, there is a good stability of the coefficients of the nonlinear model with varying angular velocity, including the coefficients b x , b y , b z .

Данный способ обеспечивает оценивание масштабных коэффициентов для фиксированных значений угловых скоростей. Это позволяет использовать его для получения множества оценок для набора значений угловых скоростей и направлений вращения для формирования интерполяционных таблиц с целью учета нелинейных зависимостей масштабов от скорости и направления вращения.This method provides estimation of scale factors for fixed values of angular velocities. This allows it to be used to obtain a set of estimates for a set of values of angular velocities and directions of rotation for the formation of lookup tables in order to take into account the nonlinear dependences of scales on the speed and direction of rotation.

Предложены скорости вращения, углы поворота платформы стола и необходимый набор экспериментов для точного расчета коэффициентов калибровки и обеспечения постоянства и равенства проекций задаваемых угловых скоростей на оси блока.The speeds of rotation, angles of rotation of the table platform and the necessary set of experiments for accurate calculation of the calibration coefficients and ensuring the constancy and equality of the projections of the given angular velocities on the block axis are proposed.

ЛитератураLiterature

1. Пат. US 2014372063 (A1) US, МПК7 G01P 21/00. Quick calibration method for inertial measurement unit / NIU XIAOJI [CN] и др.; заявитель UNIV WUHAN [CN] - № US 201314239145; заявл. 05.03.2013; опубл. 18.12.2014.1. Pat. US 2014372063 (A1) US, IPC7 G01P 21/00. Quick calibration method for inertial measurement unit / NIU XIAOJI [CN], etc .; applicant UNIV WUHAN [CN] - No. US 201314239145; declared 03/05/2013; publ. 12/18/2014.

2. РФ №2269813 Способ калибровки параметров бесплатформенного инерциального измерительного модуля, /Синеев А.И. и др. Патентообладатель: ЗАО Газприборавтоматикасервис", опубл. 10.02.2006.2. RF No. 2269813 Method of calibrating the parameters of the strapdown inertial measuring module, / Sineev AI. and other Patentee: JSC Gazpriboravtomatikaservice, publ. 10.02.2006.

3. Волынский Д.В., Драницына Е.В., Одинцов А.А., Унтилов А.А. Калибровка волоконно-оптических гироскопов в составе бескарданных инерциальных измерительных модулей. Гироскопия и навигация №2, 2012, с. 56-68.3. Volynskiy D.V., Dranitsyna E.V., Odintsov A.A., Untilov A.A. Calibration of fiber-optic gyroscopes as part of cardless inertial measurement modules. Gyroscopy and Navigation No. 2, 2012, p. 56-68.

Claims (15)

Способ повышения точности калибровки блока микромеханических датчиков угловой скорости, включающий начальную выставку платформы, статический эксперимент при неподвижном положении платформы, вращение с помощью стендового оборудования последовательно как минимум по двум непараллельным осям в базисе калибруемого ИБД, во время вращения записывают показания ИБД по каналу датчиков линейного ускорения (ДЛУ), показания датчиков угловой скорости (ДУС), идентифицируя математическую модель ДУС, определяют нулевые сигналы ДУС, матрицу, описывающую масштабные коэффициенты, перекрестные связи, отличающийся тем, что дополнительно используют нелинейную модель микромеханических ДУСA method for improving the calibration accuracy of a block of micromechanical angular velocity sensors, including an initial platform setting, a static experiment with a stationary position of the platform, rotation using bench equipment sequentially along at least two non-parallel axes in the basis of the calibrated IDU, during rotation, the IDU readings are recorded along the linear acceleration sensor channel (DLU), the readings of the angular velocity sensors (ADS), identifying the mathematical model of the ADS, determine the zero signals of the ADS, a matrix describing the scale factors, cross-links, characterized in that a nonlinear model of micromechanical DEOS is additionally used u=K(ω)ω+С+е+F(ω),u = K (ω) ω + С + е + F (ω), где F(ω) - вектор нелинейных функций видаwhere F (ω) is a vector of nonlinear functions of the form
Figure 00000025
Figure 00000025
осуществляют разработку программы автоматизации процесса калибровки, которая включает выполнение последовательности вращений и углов наклона платформы в соответствии с 6-ю указанными ниже в таблице 1 экспериментами при длительности интервала времени порядка 3-4 минут,carry out the development of a program for automating the calibration process, which includes the execution of a sequence of rotations and tilt angles of the platform in accordance with the 6 experiments indicated below in Table 1 with a time interval of about 3-4 minutes,
Figure 00000026
Figure 00000026
обработку полученных данных включающих, выбор интервала времени длительностью порядка 2-3 минут с установившейся угловой скоростью и углами наклона, вычисление средних значений кодов АЦП ДУС, дифференцирование показаний угломеров и вычисление средних значений угловых скоростей платформы стола, составляют три системы уравнений для определения калибровочных коэффициентов, каждая система содержит шесть уравнений измерений сигналов ДУС:processing of the obtained data, including the choice of a time interval lasting about 2-3 minutes with a steady angular velocity and tilt angles, calculating the average values of the ADC DUS codes, differentiating the readings of the goniometers and calculating the average values of the angular velocities of the table platform, there are three systems of equations for determining the calibration coefficients, each system contains six equations for measuring the DUS signals:
Figure 00000027
Figure 00000027
и для каждого ДУС определяют пять коэффициентов, векторы которых имеют вид:and for each CRS, five coefficients are determined, the vectors of which have the form:
Figure 00000028
Figure 00000028
оценки векторов коэффициентов вычисляют по методу наименьших квадратов, контроль калибровки по экспериментам вращений осуществляют путем оценивания средних значений угловых скоростейthe estimates of the vectors of the coefficients are calculated by the method of least squares, the calibration control according to the experiments of rotations is carried out by evaluating the average values of the angular velocities
Figure 00000029
Figure 00000029
для контроля используют математические ожидания и СКО ошибок оценивания:mathematical expectations and standard deviations of estimation errors are used for control:
Figure 00000030
Figure 00000030
математические ожидания ошибок оценивания должны быть близки к нулю, СКО ошибок оценивания должны иметь порядок СКО шумов измерений.the mathematical expectations of the estimation errors must be close to zero, the standard deviation of the estimation errors must be of the order of the standard deviation of the measurement noise.
RU2019111457A 2019-04-17 2019-04-17 Method for increasing calibration accuracy of unit of angular velocity micromechanical sensors RU2727344C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019111457A RU2727344C1 (en) 2019-04-17 2019-04-17 Method for increasing calibration accuracy of unit of angular velocity micromechanical sensors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019111457A RU2727344C1 (en) 2019-04-17 2019-04-17 Method for increasing calibration accuracy of unit of angular velocity micromechanical sensors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2727344C1 true RU2727344C1 (en) 2020-07-21

Family

ID=71741291

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019111457A RU2727344C1 (en) 2019-04-17 2019-04-17 Method for increasing calibration accuracy of unit of angular velocity micromechanical sensors

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2727344C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115508911A (en) * 2022-09-21 2022-12-23 华中光电技术研究所(中国船舶重工集团公司第七一七研究所) Land gravimeter calibration method, error compensation method and system
RU2817003C1 (en) * 2023-08-25 2024-04-09 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" Method of calibrating microacceleration sensor in space flight

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2269813C2 (en) * 2004-03-10 2006-02-10 ЗАО "Газприборавтоматикасервис" Method for calibrating parameters of platform-less inertial measuring module
RU2447404C2 (en) * 2010-06-16 2012-04-10 Открытое акционерное общество "Конструкторское Бюро Промышленной Автоматики" Method for calibrating angular velocity sensors of gimballess inertia measurement module
RU2602736C1 (en) * 2015-08-03 2016-11-20 Закрытое акционерное общество "Газприборавтоматикасервис" Method and device for calibration of inertial measurement modules
US9810549B2 (en) * 2011-01-06 2017-11-07 University Of Utah Research Foundation Systems, methods, and apparatus for calibration of and three-dimensional tracking of intermittent motion with an inertial measurement unit
RU2655053C1 (en) * 2017-03-02 2018-05-23 Акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (АО МНПК "Авионика") Method of the integrated sensors unit calibration coefficients determining

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2269813C2 (en) * 2004-03-10 2006-02-10 ЗАО "Газприборавтоматикасервис" Method for calibrating parameters of platform-less inertial measuring module
RU2447404C2 (en) * 2010-06-16 2012-04-10 Открытое акционерное общество "Конструкторское Бюро Промышленной Автоматики" Method for calibrating angular velocity sensors of gimballess inertia measurement module
US9810549B2 (en) * 2011-01-06 2017-11-07 University Of Utah Research Foundation Systems, methods, and apparatus for calibration of and three-dimensional tracking of intermittent motion with an inertial measurement unit
RU2602736C1 (en) * 2015-08-03 2016-11-20 Закрытое акционерное общество "Газприборавтоматикасервис" Method and device for calibration of inertial measurement modules
RU2655053C1 (en) * 2017-03-02 2018-05-23 Акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (АО МНПК "Авионика") Method of the integrated sensors unit calibration coefficients determining

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115508911A (en) * 2022-09-21 2022-12-23 华中光电技术研究所(中国船舶重工集团公司第七一七研究所) Land gravimeter calibration method, error compensation method and system
RU2817003C1 (en) * 2023-08-25 2024-04-09 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" Method of calibrating microacceleration sensor in space flight

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110006450B (en) Calibration method of laser strapdown inertial navigation system on horizontal three-axis turntable
Aggarwal et al. A standard testing and calibration procedure for low cost MEMS inertial sensors and units
CA2381196C (en) Vibration compensation for sensors
US7467536B2 (en) Positioning system for single or multi-axis sensitive instrument calibration and calibration system for use therewith
US5728935A (en) Method and apparatus for measuring gravity with lever arm correction
CN107655493B (en) SINS six-position system-level calibration method for fiber-optic gyroscope
CN110108300B (en) IMU regular hexahedron calibration method based on horizontal three-axis turntable
US20200064136A1 (en) Inertial navigation system
KR101698682B1 (en) Method and Apparatus of correcting output value of terrestrial magnetism sensor
JP2018036263A (en) Self-calibration of inertial system
Wang et al. An improve hybrid calibration scheme for strapdown inertial navigation system
Lang et al. Calibration of hybrid vision/inertial tracking systems
CN107356786B (en) Method and device for calibrating accelerometer and computer-readable storage medium
RU2727344C1 (en) Method for increasing calibration accuracy of unit of angular velocity micromechanical sensors
CN118274884A (en) Error compensation method of inertial measurement unit
RU2717566C1 (en) Method of determining errors of an inertial unit of sensitive elements on a biaxial rotary table
RU2683144C1 (en) Method of defining errors of orientation axles of laser gyroscopes and pendulum accelerometers in a strap down inertial navigation system
CN111609869B (en) Positive and negative multi-position fiber-optic gyroscope orientation effect judgment method based on hypothesis testing
RU2718142C1 (en) Method for increasing accuracy of calibration of scaling coefficients and angles of non-orthogonality of sensitivity axes of sensor unit of angular velocity sensors
CN108803373B (en) Ground speed eliminating method of three-axis turntable
US11371848B2 (en) Method for characterising an inertial measurement unit
CN108716925A (en) A kind of scaling method and device of nine axle sensors
CN116256049A (en) Inclination compensation device and inclination compensation method thereof
CN109000683B (en) Static drift calibration method and device for DTG inertial measurement unit
RU2779274C1 (en) Method for measuring errors of the initial alignment of an inertial navigation system without reference to external landmarks