ИНТЕРАКТИВНАЯ ПРОГРАММА КАЛИБРОВКИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ БЛОКОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.7.05

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-10-80-81

ИНТЕРАКТИВНАЯ ПРОГРАММА КАЛИБРОВКИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ БЛОКОВ

Г.В. Попов, В.Г. Попов

В силу линейной модели погрешностей микромеханического инерциального измерительного блока его калибровка в нормальных климатических условиях представлена как двухэтапная процедура: на первом этапе в шести статических ориентациях, на втором этапе - посредством интегрального метода калибровки каналов угловой скорости. Перевод объекта испытаний в ориентационном приспособлении из одной ориентации в другую и создание тестовых воздействий при использовании интегрального метода калибровки осуществляются вручную. Приведены формулы для определения калибровочных констант. Дано описание экспериментальной установки для проведения калибровки. Описано взаимодействие оператора с аппаратурой. Приведен итоговый Протокол испытаний.

Ключевые слова: микромеханический инерциальный измерительный блок, акселерометр, датчик угловой скорости, модель погрешностей, калибровка инерциального измерительного блока, испытания инерциального измерительного блока.

Постановка задачи. В последнее время получили широкое распространение инерциальные измерительные блоки (ИИБ) с 16-разрядным цифровым выходом [1]. Для осуществления входного контроля перед их использованием по назначению возникает проблема калибровки ИИБ. В данной статье калибровка ИИБ в нормальных климатических условиях представлена как двухэтапная процедура: на первом этапе - в шести статических ориентациях [2], [3], на втором этапе - посредством интегрального метода калибровки каналов угловой скорости [4], [5]. Последнее обстоятельство позволяет исключить из состава контрольно-испытательного оборудования скоростной поворотный стол.

Модель погрешностей ИИБ. Измерения ИИБ типа МРи-60Х0 являются комбинацией измерений триады акселерометров и триады ДУС.

Линейная модель погрешности триады акселерометров (рис. 1) с номинально ортогональными входными осями имеет вид [2], [3] Ах =(1 + Ахх)ах + АХ2ау —Ахга2 + аох +^АХ (V),

Ау = — Ау2ах + (1 + Ауу )ау + Ауха1 + аоу + ^АУ (X (1)

А = А1Уах — AZXaУ + (1 + )а1 + а01 (),

где Ах, Ау, AZ - выходные показания акселерометров, м/с2; ах, ау, aZ - проекции кажущегося ускорения на оси навигационной системы координат 0XУZ, м/с2; Ахх, Ауу, А^ - малые относительные погрешности масштабных коэффициентов, б/р; Ахг, Аху, А^, Аух, Агу, Ах - малые погрешности выставки

осей чувствительности, б/р; аох,аОТ,аО2 - смещения нулей акселерометров, м/с2; ^Ах (У), %А7 (у), (у) - случайные составляющие погрешности, м/с2.

Ось чувствительности акселерометра 7.

Ось чувствительности акселерометра У

'Ось чувствительности акселерометра X

Рис. 1. К модели погрешности триады акселерометров

Линейная модель погрешности триады ДУС (рис. 2) с номинально ортогональными входными осями имеет вид [2], [3]

(1 + 0хх )с x + 0х2СУ 0хУС 2 + 0Аххах + 0АхгаТ + 0Ах2а2 + 0ох +£ох (УX + (1 + Отт )фт + 0Тх®2 + САТхах +

+ Ооу +£ог (у), (2) о2 = 02¥®х — 02хс + (1 + )с 2 + 0А2хах + 0А2Таг + 0А22а2 + 0О2 + (УX

где 0х, О7,0 2 - выходные показания ДУС по соответствующим осям, °/с; сох,с,с - проекции угловой скорости основания на оси навигационного трехгранника OXYZ, °/с; ах, аг, а2 - проекции кажущегося ускорения основания на оси навигационного трехгранника OXYZ, м/с2; 0хх, 0ГГ, 0- малые погрешности масштабных коэффициентов ДУС, б/р; 0х2,, 0хт, 0Г2,, 0гх, 02х, 02Г - малые погрешности выставки осей чувствительности ДУС, б/р; 0Ахх,0Ахт,0х - коэффициенты влияния кажущихся ускорений по осям X, Y, Z на смещение нуля ДУС X, (°/с)^; 0Агх, 0А77, 0А12 - коэффициенты влияния кажущихся ускорений по осям X, Y, Z на смещении нуля ДУС Y, (°/с)^; 0А2х, 0А2Г, 0Агг - коэффициенты влияния кажущихся ускорений по осям X, Y, Z на смещение нуля ДУС Z, (°/с)/g; 00 х, 00Г, 00 2 -смещения нулей соответствующих ДУС, °/с; Е,0Х (у ),£0Т (у (у ) - случайные

составляющие погрешности ДУС, °/с.

Калибровка. Калибровка ИИБ проводится в два этапа.

Этап 1. На неподвижном основании при отсутствии вращения тестовое воздействие в виде ускорения силы тяжести прикладывается последовательно в положительном и в отрицательном направлениях вдоль осей X, Y, Z. Ориентации, задаваемые ИИБ при калибровке, определены следу-

81

ющим образом: ориентация 1 - ось X вверх, ориентация 2 - ось X вниз, ориентация 3 - ось Y вверх, ориентация 4 - ось Y вниз, ориентация 5 - ось Ъ вверх, ориентация 6 - ось Ъ вниз. Простейшим способом создания таких тестовых воздействий является установка вручную на предварительно выставленном в горизонте основании в разные ориентации триады акселерометров и триады ДУС, закрепленных на ориентационном приспособлении (кубе с взаимно ортогональными установочными плоскостями). При этом осуществляется определение всех калибровочных констант триады акселерометров, а также смещение нулей и коэффициенты влияния кажущихся ускорений на смещения нулей триады ДУС.

Ось чувствительности ДУС г

Ось чувствительности ДУС У

XОсь чувствительности ДУСХ

Рис. 2. К модели погрешности триады ДУС

Сводка формул для определения калибровочных констант триады акселерометров ИИБ [2], [3]:

- выражения для вычисления поправок к масштабным коэффициентам -

_ 1 йХ1 - аХ2] Ахх _ 2 -

атт _-■ 2

А* _ 2 ■

Е

[ АТ 3 - АТ 4 ]

Е

[ А2 5 - а2 б]

Е

(3)

(4)

(5)

- выражения для вычисления погрешностей выставки оси чувствительности акселерометра X -

1 [ АХ 3 - АХ 4 ]

АХХ _

Е 82

(6)

л = 1 [Ах5 Ах6 ] (7)

Ахт =— 2--- ; (7)

- выражения для вычисления погрешностей выставки оси чувствительности акселерометра У -

Аге =— - •[ А1 — Ат 2], (8) 2 £

А = — [ Ат 5 — АТ 6] (9)

Ах = 2 • £ ; К )

- выражения для вычисления погрешностей выставки оси чувствительности акселерометра Z -

1 [ А21 — А2 2 ]

А/ = ~

, (10)

2 £

А =— 1 • [ ^ 3 — ^ 4]; (11)

2х 2 £ 4 }

выражения для вычисления смещения нуля акселерометра X -

аох = 2 •[Ах1 + Ах 2 ] (12)

аох = 2 -[ Ах3 + Ах4 ], (13)

аох = 2'[ Ах 5 + Ах б]; (14)

выражения для вычисления смещения нуля акселерометра У -

аоТ = 2 -[ ат1 + А 2 ] (15)

аоТ = 2 -[ А3 + А4 ], (16)

аот = 2 •[ А 5 + А б]; (17)

выражения для вычисления смещения нуля акселерометра Z -

ао2 = 2 [А21 + А22 ], ао2 = 2 ^ [А3 + А4 ],

ао2 = 1 • [ А 5 + А 6 ];

18)

19)

20)

где Ах 1, Ах 2, Ах3, Ах4, Ах5, Ах6 - средние значения показаний акселерометра X в соответствующих ориентациях, м/с2; Ат 1, Ат2, А73, А74, Ат5, А76 -средние значения показаний акселерометра Y ИИБ в соответствующих ориентациях, м/с2; А21, А22, А23, А24, А25, 6 - средние значения показаний акселерометра Z ИИБ в соответствующих ориентациях, м/с2.

83

В выражениях (3) - (11) и далее в качестве g принято расчетное значение ускорения силы тяжести в месте проведения испытаний по формуле Гельмера с учетом поправки на высоту [2].

Сводка формул для определения калибровочных констант ДУС ИИБ [2], [3]:

- выражения для вычисления коэффициентов влияния кажущихся ускорений на смещение нуля по осям X, У, Z ДУС X -

Оахх _ 2■ Х1 - "Х2], (21)

2 Е

ОахУ _ 2 ■ , (22)

2 Е

^ _\■ х5 -°хб]; (23)

2 Е

- выражения для вычисления коэффициентов влияния кажущихся ускорений на смещение нуля по осям X, У, Z ДУС У -

Оаух _ 2■["у 1 - "2], (24)

2 Е

0А11 _ 2■["у3 - "4], (25)

2 Е

ОАТ2 _ 2 ■["у5 - "б] ; (26)

2 Е

- выражения для вычисления коэффициентов влияния кажущихся ускорений на смещение нуля по осям X, У, Z ДУС Z -

^ _ 2 ■ ^ - "2], (27)

2 Е

ОА2Г _2■г3 -"4], (28)

2 Е

ОА22 _ 2 ■["5 - "б]; (29)

2 Е

- выражения для вычисления смещения нуля ДУС X -

Оох _ 2 ■ ["Х! + "Х 2], (30)

Оох _ 2 ^ ["Х3 +"Х4], (31)

Оох _2■ ["Х5 + "Хб]; (32)

- выражения для вычисления смещения нуля ДУС У -

ОоУ _ 2 ■["У! + "У 2], (33)

Ооу _ 2 ■["У 3 +"У 4], (34)

0ОТ = 2 • [О 5 + О б]; (35)

- выражения для вычисления смещения нуля ДУС Z -

о0г = 2 •[О21+пг 2], (36)

о0г = 2 •[О з + пг 4], (37)

о02 = 2 5 б], (38)

где Ох 13 Ох2, Ох3, Ох4, Ох5, Охб - средние арифметические значения показаний ДУС X в соответствующих ориентациях при отсутствии тестовой угловой скорости, °/с; ОТ1,ОТ2,ОТ3,ОТ4,ОТ5,ОТб - средние арифметические значения показаний ДУС Y в соответствующих ориентациях при отсутствии тестовой угловой скорости, °/с; О21,О22,О23,О24,О25,О2б- средние арифметические значения показаний ДУС Ъ в соответствующих ориентациях при отсутствии тестовой угловой скорости, °/с.

Этап 2. Стандартная процедура калибровки каналов ДУС ИИБ [2], [3] предполагает создание тестовых воздействий в виде ускорения силы тяжести и вращения с постоянной скоростью относительно каждой оси чувствительности. Сравнение показаний каналов ДУС ИИБ с тестовыми воздействиями позволяет определить малые поправки к калибровочным константам. В [2], [3] приведены формулы для определения калибровочных констант каналов ДУС. Однако создание тестовых вращений с постоянной угловой скоростью вызывает определенные трудности [5]. Поэтому далее применен интегральный метод калибровки каналов ДУС [4], [5], который предполагает замену тестовых воздействий в виде постоянных угловых скоростей тестовыми воздействиями в виде поворота ИИБ на фиксированный угол с произвольной угловой скоростью за определенное время.

Сводка формул для определения калибровочных констант каналов угловой скорости ИИБ интегральным методом [4], [5]:

- выражения для определения поправок к масштабным коэффициентам -

Iх+ - 1х-

Сх = ^х-3б01х--1, (39)

(40)

(41)

- выражения для определения погрешности выставки оси X ДУС -

1Т + -1Т-

0Х2 =1х 1х , (42)

2 • 3б0 • -

85

1х + -1х-1 х 1 х -1,

2 • 3б0 • -

1Т + -1Т-_ Т Т -1,

2•3б0•-

12 + -12- 1

2 • 3б0 • -

rZ + _ rZ_

Gxy =_i^—L^ ; (43)

^ 2 • 360 • n V 7

- выражения для определения погрешности выставки оси Y ДУС -

JX+ _ JX_

Gyz = _ --—, (44)

YZ 2 • 360 • n

LZ+ _ LZ_

Gyx = Jy-; (45)

YX 2 • 360 • n

- выражения для определения погрешности выставки оси Z ДУС -

LX+ _ LX_

GZY = IZ-, (46)

ZY 2 • 360 • n

Ly + _ Ly _

GZX =_ i^—-^-, (47)

ZX 2 • 360 • n

где n - целое число тестовых оборотов ориентационного приспособления, б/р; IX+, IX+, IX+ - значения интегралов показаний ДУС за время поворота ориентационного приспособления вокруг оси X против часовой стрелки, град.; -X _, IYX _, IX _ - значения интегралов показаний ДУС за время поворота ориентационного приспособления вокруг оси X по часовой стрелке, °; IYX+, IY+, IY+ - значения интегралов показаний ДУС за время поворота ориентационного приспособления вокруг оси Y против часовой стрелки, град.; IYX , IY_, IY_ - значения интегралов показаний ДУС за время поворота ориентационного приспособления вокруг оси Y по часовой стрелке, град.; IX+, IZ+, IZ+ - значения интегралов показаний ДУС за время поворота ориентационного приспособления вокруг оси Z против часовой стрелки, град.; IX _, IZ _, IZ _ - значения интегралов показаний ДУС за время поворота ориен-тационного приспособления вокруг оси Z по часовой стрелке, град.

Схема экспериментальной установки. На массивном лабораторном столе расположено основание с гладкой рабочей поверхностью (рис. 3). Рабочая поверхность основания выставлена в горизонт. На рабочую поверхность основания положена линейка. Основание и линейка скреплены с лабораторным столом двумя струбцинами.

На рабочей поверхности основания находится ориентационное приспособление (рис. 4). В результате ручной лекальной операции обеспечены соответствующие плоскостность, параллельность и ортогональность граней и торцевых посадочных поверхностей ориентационного приспособления. На одной из граней ориентационного приспособления выгравирован трехгранник XYZ, указывающий номинальное направление осей чувствительности акселерометров и ДУС ИИБ.

Внутри ориентационного приспособления размещен объект испытаний - устройство ArduPilot Mega v.2.6 (APM) [6] (рис. 5), представляющее собой клон популярной платформы Arduino Mega 2560 на базе микро-

контроллера АМе1 ATMega 2560 [7] с подключенным по интерфейсу SPI микромеханическим ИИБ InvenSense МРи-6000 [1]. Устройство АРМ установлено в ориентационное приспособление без собственного корпуса (рис. 5).

Цифровая информация с инерциальных датчиков и встроенного канала измерения температуры ИИБ собирается микроконтроллером APM и передается в персональный компьютер (ПК) через стандартный кабель microUSB. Через этот же кабель от ПК осуществляется электропитание устройства APM с микросхемой ИИБ.

Обработка данных в экспериментальной установке проводится на трех аппаратных уровнях:

- первый (нижний) уровень - Digital Motion Processor (DMP), входящий в состав микросхемы ИИБ;

- второй (средний) уровень - микроконтроллер устройства APM;

- третий (верхний) уровень - управляющий ПК.

Для управляющего ПК и микроконтроллера устройства АРМ написано специальное программное обеспечение на языках программирования С# и С++. Интерактивная программа руководит действиями оператора, осуществляет съем данных и обработку результатов измерений.

Рис. 5. Устройство АРМ, доработанное для установки в ориентационное приспособление. Кружком обозначена микросхема МРи-6000

Программно установлен диапазон измеряемых ускорений ±2 g. Дискретность (номинальная цена единицы младшего разряда) измеряемых ускорений при 16-разрядном АЦП-преобразовании составляет

4 • 9,81 м / с2

216

= 0,0005987 м/ с2

Программно установлен диапазон измеряемых угловых скоростей ±250 °/с. Дискретность (номинальная цена единицы младшего разряда) измеряемых угловых скоростей при 16-разрядном АЦП-преобразовании

2 • 250

составляет ( 216 ) °/с=0,00763 °/с, или 27,5 °/ч, то есть превышает угловую скорость Земли.

Программно установлена частота опроса данных - примерно 50 Гц.

Выставка ориентационного приспособления на нужную грань осуществляется вручную по подсказке персонального компьютера. Тестовый поворот ориентационного приспособления относительно нормали к основанию также осуществляется вручную по указанию персонального компьютера.

Работа программы. Исполняемый модуль интерактивной программы калибровки ИИБ на ПК calc_const_mpu6000.exe имеет объем 26 К.

После вызова программы на исполнение на дисплее компьютера появится сообщение:

Программа определения калибровочных констант ИИБ MPU-6000 v. 1.0

Прервать работу с потерей всех данных можно в любой момент времени одновременным нажатием клавиш <Ctrl> и <C>.

Прервать процесс измерения можно нажатием клавиши <Esc>.

Горизонтируйте основание.

Подключите ИИБ к компьютеру USB кабелем.

После подключения кабеля на устройстве APM в ориентационном приспособлении должен засветиться светодиод зеленого цвета.

Далее появится сообщение:

Введите серийный номер изделия: serial number <Enter>

Серийный номер (до 12 позиций) передается в качестве части имени образующихся в результате испытаний файлов. Серийный номер должен быть введен обязательно.

Следующее сообщение предложит:

Выдержите ИИБ во включенном состоянии порядка 10 мин

По готовности нажмите любую клавишу ...

Выдержка ИИБ во включенном состоянии порядка 10 мин позволяет исключить влияние на калибровку переходных процессов в объекте испытаний при включении.

Далее компьютер предлагает оператору:

Провести измерения в 6 статических ориентациях < Y > или перейти к калибровке каналов ДУС интегральным методом < N >?

Если выбрано < N >, то испытания в 6 статических ориентациях будут пропущены. Компьютер сразу перейдет к испытаниям каналов ДУС интегральным методом.

Если выбрано < Y >, появится указание:

Введите время накопления измерений в каждой ориентации, в секундах: . <Enter>

Никаких ограничений на время накопления измерений нет. Обычно время накопления измерений устанавливают начиная от 10 до нескольких сотен секунд. Время накопления измерений должно быть введено обязательно.

После ввода времени накопления измерений появится указание:

Установите ориентационное приспособление на горизонтальном основании осью X вверх

По готовности нажмите любую клавишу.

Далее компьютер издаст звуковой сигнал, и появится сообщение с бегущей строкой в конце:

Проводится измерение.................

По истечении заказанного времени измерений бегущая строка остановится. Компьютер издаст звуковой сигнал.

Далее компьютер предлагает оператору:

Сохранить результат < Y > или повторить измерение < N >?

Если выбрано сохранение результата < Y >, компьютер предложит установить ориентационное приспособление в следующую ориентацию и провести измерение в следующей ориентации. Если выбрано повторение измерения в той же ориентации < N >, то предыдущий результат будет отброшен и будет проведено повторение измерения. Указанный порядок действий будет продолжен до накопления измерений во всех 6 ориентаци-ях.

Во время измерения в каждой из 6 ориентаций происходит накопление «сырых» показаний ИИБ в шести разных файлах. Каждый файл представляет собой таблицу (массив) из 8 столбцов:

- первый столбец - время после звукового сигнала о начале измерений до завершения времени накопления измерений, размерность - мс;

- второй, третий, четвертый столбцы - показания акселерометров X, Y, Z с четырьмя значащими цифрами после запятой, размерность - м/с2;

- пятый, шестой, седьмой столбцы - показания ДУС X, Y, Z с тремя значащими цифрами после запятой, размерность - °/с;

- восьмой столбец - показания канала температуры с одной значащей цифрой после запятой, размерность - °С.

В конце каждого файла дается строка-подчеркивание. В предпоследней строчке каждого файла приводятся средние арифметические значения (англ. mean - среднее) показаний акселерометров и ДУС. В последней строчке приводятся стандартные отклонения (англ. std - стандартное отклонение) показаний акселерометров и датчиков угловой скорости.

По завершении измерений в каждой из шести ориентаций компьютер формирует таблицу с промежуточными результатами

Ax : mean=............std=......

Ay : mean=............std=......

Az : mean=............std=......

Gx : mean=............std=......

Gy : mean=............std=......

Gz : mean=............std=......

В результате калибровки ИИБ в 6 статических ориентациях образуются 6 файлов: serialnumber_x_up.txt; serialnumber_x_dn.txt; serial-number_y_up.txt; serialnumber_y_ dn.txt; serialnumber_z_up.txt; serial-number_z_dn.txt.

Имена файлам программа присваивает автоматически. Имя каждого файла содержит серийный номер, введенный оператором в начале испытаний; наименование оси, в направлении которой осуществляется приложение тестового воздействия в виде ускорения силы тяжести. Сокращение в имени файла up (англ. up - вверх) означает ориентацию соответствующей оси чувствительности ИИБ вверх, а сокращение в имени файла dn (англ. down - вниз) означает ориентацию соответствующей оси чувствительности вниз. Объем каждого файла составляет 48...49 К при времени накопления измерений 15 с, и примерно 96.97 К при времени накопления измерений 30 с.

Средние арифметические значения показаний каналов акселерометров и каналов ДУС используются при вычислении калибровочных констант по формулам (3) - (38).

В результате проведенных действий можно получить по три оценки смещения нуля в каждом из каналов акселерометров и ДУС. В итоговый Протокол испытаний передаются в качестве смещений нуля средние арифметические значения этих оценок.

Наибольшие значения стандартных отклонений в каждом канале по измерениям в 6 ориентациях передаются в Протокол испытаний как значения общего уровня шума (СКО).

После калибровки в 6 статических ориентациях завершается 1-й этап калибровки. Программа выводит на дисплей значения установленных калибровочных констант, которые передает в итоговый Протокол испытаний.

Далее компьютер предлагает оператору:

Провести калибровку каналов ДУС интегральным методом < У > или перейти к выводу результатов < N > ?

Если оператор выбирает вывод результатов < N >, компьютер дает указание:

Для выхода из программы нажмите любую клавишу ...

Если оператор выбирает калибровку интегральным методом < Y >, компьютер требует:

Введите число оборотов при калибровке: ... <ЕП;ег>

Никаких ограничений на число оборотов нет. Но, учитывая, что при тестовых разворотах происходит скручивание кабеля тюго^В, число оборотов не рекомендуется назначать больше трех.

Далее появится указание:

Установите ориентационное приспособление на горизонтальном основании осью X вверх

По готовности нажмите любую клавишу .

Следующее указание:

Приготовьтесь к вращению ориентационного приспособления на . оборота против часовой стрелки.

По готовности нажмите любую клавишу .

После звукового сигнала осуществите . оборота против часовой стрелки

Для этого в исходном положении оператор должен прижать ориен-тационное приспособление к горизонтальному основанию и к линейке. Затем после звукового сигнала персонального компьютера оператор, прижимая ориентационное приспособление к горизонтальному основанию, должен осуществить поворот против часовой стрелки на целое назначенное число оборотов и до появления второго звукового сигнала персонального компьютера вернуть ориентационное приспособление в исходное положе-

ние. Для удобства работы на линейке нанесены риски по длине и по ширине ориентационного приспособления. Программа осуществляет накопление показаний между двумя звуковыми сигналами: для 1 оборота - в течение 7 с, для 2 оборотов - в течение 12 с, для 3 оборотов - в течение 15 с.

Программа также контролирует, чтобы показания каналов ДУС во время поворота находились в пределах рабочего диапазона (в нашем случае ±250 °/с). Превышение показаниями канала ДУС рабочего диапазона сопровождается тревожным звуковым сигналом. Программа предлагает оператору повторить неудачный тестовый поворот.

Сразу после завершения каждого тестового разворота компьютер вычисляет и выводит на дисплей значения интегралов показаний ДУС за время разворота. Интегрирование показаний каналов ДУС ИИБ осуществляется методом трапеций. Значения интегралов показаний ДУС за время тестового поворота используются для расчетов калибровочных констант ДУС по формулам (39) - (47).

Далее компьютер спрашивает:

Сохранить результат < Y > или повторить измерение < N >?

При выборе < N > предусмотрена возможность повторения неудачного тестового поворота. При выборе < Y > компьютер указывает:

Установите ориентационное приспособление на горизонтальное основание осью X вверх

По готовности нажмите любую клавишу ...

Следующее указание:

Приготовьтесь к вращению ориентационного приспособления на . оборотов по часовой стрелке

По готовности нажмите любую клавишу .

После звукового сигнала осуществите . оборота по часовой стрелке

Поворот по часовой стрелке производится аналогично повороту против часовой стрелки за то же время. После проведённого измерения программа спрашивает, передавать ли накопленные данные в обработку. Таким образом, предусмотрена возможность повторения неудачного тестового поворота.

Аналогично проводятся измерения при поворотах против часовой стрелки и по часовой стрелке вокруг осей Y и Z.

Во время измерений в каждом из 6 поворотов происходит накопление «сырых» показаний ИИБ в шести разных файлах serialnumber_x_cw.txt; serialnumber_x_ccw.txt; serialnumber_y_cw.txt; serial-number_y_ccw.txt; serialnumber_z_cw.txt; serialnumber_z_ccw.txt. Имена файлам программа присваивает автоматически. Имя каждого файла содержит серийный номер, введенный оператором в начале испытаний; наименование оси, вокруг которой осуществляется тестовое вращение; направление вращения. Сокращение в имени файла cw (англ. clockwise - по часовой стрелке) означает вращение по часовой стрелке. Сокращение в имени файла ccw (англ. counter clockwise - против часовой стрелки) означает вращение против часовой стрелки. Объем каждого файла составляет при

одном тестовом обороте примерно 23 К, а при двух тестовых оборотах -38...39 К.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИИ ИИБ МРи-6000 зав№ 29151

Дата 07.09.22 12:54

КАНАЛЫ ДАТЧИКОВ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

Относительная погрешность масштабного коэффициента, б/р

Gxx = -0,01949 Допуск = ±0.03 +

Gyy = -0,00356 Допуск = ±0.03 +

Gzz = -0,00176 Допуск = ±0.03 +

Погрешность выставки осей чувствительности, б/р

Gxz = -0,01378 Допуск = ±0.02 +

Gxy = -0,00325 Допуск = ±0.02 +

Gyz = 0,01520 Допуск = ±0.02 +

Gyx = 0,00633 Допуск = ±0.02 +

Gzy = 0,01148 Допуск = ±0.02 +

Gzx = -0,00794 Допуск = ±0.02 +

Смещение нуля, о/с

Gox = 0,72911 Допуск = ±20 +

Goy = 2,56893 Допуск = ±20 +

Goz = 1,07202 Допуск = ±20 +

Коэффициенты влияния кажущихся ускорений на смещение нуля, (о/с)^

Gaxx = 0,00488 Допуск = ±0.1 +

Gaxy = -0,00231 Допуск = ±0.1 +

Gaxz = 0,00099 Допуск = ±0.1 +

Gayx = 0,00506 Допуск = ±0.1 +

Gayy = -0,00157 Допуск = ±0.1 +

Gayz = -0,00042 Допуск = ±0.1 +

Gazx = 0,00506 Допуск = ±0.1 +

Gazy = -0,00022 Допуск = ±0.1 +

Gazz = 0,00276 Допуск = ±0.1 +

Общий уровень шума (СКО), о/с

Gstdx = 0,02089 Допуск = ±0.05 +

Gstdy = 0,02244 Допуск = ±0.05 +

Gstdz = 0,02559 Допуск = ±0.05 +

КАНАЛЫ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ

Относительная погрешность масштабного коэффициента, б/р

Ахх = -0,00284 Допуск = ±0.03 +

Ауу = 0,00910 Допуск = ±0.03 +

Azz = 0,01313 Допуск = ±0.03 +

Погрешность выставки осей чувствительности, б/р

Axz = -0,00248 Допуск = ±0.02 +

Аху = -0,01299 Допуск = ±0.02 +

Ayz = 0,00390 Допуск = ±0.02 +

Аух = -0,00532 Допуск = ±0.02 +

Azy = 0,00850 Допуск = ±0.02 +

Azx = 0,00136 Допуск = ±0.02 +

Смещение нуля, м/с2

Аох = 0,08362 Допуск = ±0.5 +

Аоу = -0,19953 Допуск = ±0.5 +

Aoz = -0,08358 Допуск = ±0.8 +

Общий уровень шума (СКО), м/с2

Astdx = 0,00756

Astdy = 0,00782

Astdz = 0,01126

Представитель Заказчика " " 202 г.

Представитель ОТК " " 202 г.

Представитель цеха " " 202 г.

Рис. 6. Протокол испытаний ИИБ МРи-6000

Каждый файл представляет собой таблицу (массив) из 8 столбцов:

93

- первый столбец - время от звукового сигнала о начале тестового разворота до истечения времени тестового разворота, размерность - мс;

- второй, третий, четвертый столбцы - показания акселерометров X, Y, Z с четырьмя значащими цифрами после запятой, размерность - м/с2;

- пятый, шестой, седьмой столбцы - показания ДУС X, Y, Z с тремя значащими цифрами после запятой, размерность - °/с;

- восьмой столбец - показания канала температуры с одной значащей цифрой после запятой, размерность - °С.

После 6 тестовых разворотов завершается 2-й этап калибровки. Результатом работы являются значения погрешностей масштабных коэффициентов и погрешностей выставки осей чувствительности каналов ДУС, которые программа выводит на дисплей и передает в итоговый Протокол испытаний.

Окончательным результатом работы интерактивной программы калибровки ИИБ является файл под именем serialnumber_result.txt объемом 2 К (рис.6). Файл представляет собой готовый для распечатки Протокол испытаний. Заголовок Протокола испытаний содержит название объекта испытаний - MPU-6000, заводской номер, дату и время, которые соответствуют моменту начала работы программы и передаются из установок компьютера.

Далее в Протоколе испытаний приведены фактически измеренные значения параметров каналов ДУС и каналов акселерометров ИИБ.

В одной строчке с фактически измеренными значениями параметров в Протоколе испытаний приведены допуски в соответствии с [1]. При соответствии параметра допуску программа устанавливает в той же строчке знак < + >, а при несоответствии - знак < - >.

В завершении Протокола испытаний выделено место для подписей Представителей Заказчика, ОТК и производства.

Список литературы

1. MPU-6050 Six-Axis (Gyro + Accelerometer) MEMS MotionTrack-ing™ Devices [Электронный ресурс]. URL: https://invensense.tdk.com/products/motion-tracking/6-axis/mpu-6050 (дата обращения: 10.05.2023).

2. Попов Г.В. Микромеханические инерциальные датчики: лабораторный практикум. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2015. 269 c.

3. Попов Г.В., Перлина О.А. Измерение параметров и калибровка микромеханических инерциальных измерительных блоков // Авиакосмическое приборостроение. 2014. № 12. С. 38 - 48.

4. Попов Г.В., Попов В.Г. Интегральный метод калибровки каналов угловых скоростей микромеханических инерциальных измерительных блоков // Программа XLV Академических чтений по космонавтике памяти академика С.П. Королева. Секция 21. С. 121.

94

5. Попов Г.В., Попов В.Г. Интегральный метод калибровки каналов угловых скоростей микромеханических инерциальных измерительных блоков // Авиакосмическое приборостроение. 2022. № 8. С. 15 - 22.

6. Mega 2560 Rev3 [Электронный ресурс]. URL: https://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoMega2560 (дата обращения: 10.05.2023).

7. ATmega2560 [Электронный ресурс]. URL: https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATMega2560 (дата обращения: 10.05.2023).

Попов Георгий Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,

Попов Владимир Георгиевич, инженер, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

INTERACTIVE PROGRAM OF INERTIONAL MEASUMENT UNITS CALIBRATION

G.V. Popov, V.G. opov

Due to the linear error model of the micromechanical inertial measuring unit, its calibration under normal climatic conditions is presented as a two-stage procedure: at the first stage in six static orientations, and at the second stage - by means of the integral method of calibration of the angular velocity channels. The transfer of the test object in the orientation fixture from one orientation to another and the creation of test impacts when using the integral calibration method are carried out manually. Formulas for determining the calibration constants are given. A description of the experimental setup for carrying out the calibration is presented. The interaction of the operator with the equipment is described. The final test report is given.

Key words: micro-mechanical inertial measurement unit, accelerometer, rate gyro, error model, IMU calibration, IMU test.

Popov Georgiy Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University,

Popov Vladimir Georgievich, engineer, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University