CC BY
14
УДК 629.7.054.07
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-80-85
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
И.С. Маслов, В.Д. Столяров
В работе приводятся результаты исследований точностных характеристик двух инерциаль-но-измерительных модулей, которые могут быть использованы в конструкции пилотажно-навигационных блоков и систем летательных аппаратов различного назначения. Рассматривались инерциальные модули «среднего» класса точности. Были проведены испытания опытных образцов, в процессе которых определялся дрейф выходного сигнала гироскопических датчиков, нестабильность дрейфа при постоянной температуре, погрешности масштабных коэффициентов гироскопов; нулевые сигналы и погрешности масштабных коэффициентов акселерометров. Представленные результаты позволяют разработчикам бесплатформенных инерциальных блоков и систем сделать предварительные выводы о целесообразности применения той или иной модификации инерциально-измерительного модуля.
Ключевые слова: инерциально-измерительный модуль, гироскоп, акселерометр, дрейф, масштабный коэффициент.
В настоящее время крайне востребована и перспективна разработка бесплатформенных инерциальных блоков и систем на базе микромеханических датчиков первичной информации «среднего» класса точности. Такие устройства могут применяться как в составе пилотируемых, так и в беспилотных летательных аппаратах (ЛА) различного класса и назначения.
Наиболее широкое применение получили блоки и системы на основе инерциальных измерительных модулей - ИИМ (в иностранной литературе: inertial measurement unit - IMU) [1]. В едином корпусе ИИМ объединены первичные преобразователи инерциального типа: акселерометры и гироскопы (чаще всего, одноосные, объединенные в триады, или же многоосные). Измеряемая информация преобразуется и поступает на микроконтроллер, выполняющий вычислительные или интерфейсные функции (в зависимости от модификации ИММ).
Также широкое распространение получили измерительные модули, объединяющие в едином корпусе как преобразователи инерциального типа, так и геотехнические первичные преобразователи -барометрические или магнитометрические датчики (в иностранной литературе: vertical reference unit -VRU) [2], а также приемник информации от глобальной навигационной спутниковой системы (в иностранной литературе: attitude and heading reference system - AHRS) [3, 13]. Однако, данный тип устройств имеет более широкий функционал, предназначен для решения задач другого уровня, обладает значительно большей по сравнению с ИИМ стоимостью.
В настоящей статье рассматриваются результаты исследований (наземной отработки) ИИМ с целью применения в бесплатформенных инерциальных блоках и системах, в которых использование VRU или AHRS избыточно. Проведенный предварительный анализ ИИМ, представленных на отечественном рынке, позволил выделить два наиболее перспективных модуля: MSI313C («MTMicrosystems», КНР) [4] и MTi-30 («X-Sens», Голландия) [5]. Для сравнения при анализе использовалась информация о модуле STIM300 («Sensonor», Норвегия) [6], как о наиболее распространенном и часто применяемом в составе бесплатформенных инерциальных блоков и систем. К сожалению, ИИМ отечественного производства не удовлетворяют предъявляем требованиям, в первую очередь, по массо-габаритным показателям.
Основные тактико-технические характеристики ИИМ, заявленные производителями, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики ИИМ_
Значение
Наименование параметра STIM300 «Sensonor» Норвегия MSI313C «MTMicrosystems» КНР MTi-30 «X-Sens» Голландия
Максимальная измеряемая угловая скорость ДУС, °/с ± 400 ± 400 ± 450
Нестабильность смещения нуля, °/ч 10 150 18
Полоса пропускания, Гц 131 100 415
Максимальное измеряемое линейное ускорение, Я 10 10 20
Нестабильность смещения нуля, тя 2 2,5 5
Полоса пропускания, Гц 131 100 375
Габариты, мм 45x38,6x21,5 24x22,4x9 57x42x23
Масса, г 55 25 52
Напряжения питания, В 5 5 5
Диапазон рабочих температур, °С -40...+85 -40.. .+85 -40.. .+85
Большинство микромеханических акселерометров и гироскопов имеют ограниченный нижний предел диапазона рабочих температур (до минус 40 °С) и существенную составляющую погрешности от температуры, поэтому при сборке и регулировке инерциальных блоков и систем проводится специальная процедура калибровки, в ходе которой определяются систематические составляющие погрешностей инерциальных датчиков. Наиболее широко для данной цели используются модели погрешностей, учитывающие зависимости нулевых сигналов и масштабных коэффициентов (МК) датчиков от температуры, нелинейности их МК, а также зависимости нулевых сигналов микромеханических гироскопов от линейных ускорений. В ходе калибровочных работ для каждого образца датчика определяются коэффициенты модели погрешностей, после чего они обычно записываются в память вычислительного устройства блока или системы для последующей компенсации погрешностей.
В общем виде модели погрешностей инерциальных датчиков могут быть представлены следующими выражениями [7]:
- для гироскопов:
Дсо = К (:, юд) • юд + ) + Юлу(и), где К (:, юд) - масштабный коэффициент, зависящий от температуры и действующей угловой скорости; Сд - действующая угловая скорость; с0(:) - нулевой сигнал, зависящий от температуры; юлу(и)- составляющая выходного сигнала, вызванная действием линейных ускорений.
- для акселерометров:
Ди = К (: ,ид) • и д + и о(: ^ где К(:,ид) - масштабный коэффициент, зависящий от температуры и действующего ускорения; ид -действующее ускорение; и 0(:) - нулевой сигнал, зависящий от температуры.
Поэтому основными параметрами, оцениваемыми в процессе исследований, являлись:
- дрейф гироскопов (смещение выходного сигнала при отсутствии измеряемой угловой скорости) [8,11, 12], его нестабильность при постоянной температуре;
- погрешности МК гироскопов;
- нулевые сигналы акселерометров;
- погрешности МК акселерометров.
При отработке использовались поверенные аттестованные средства измерения: испытательная поворотная платформа И1II 1-902АМ.7 (погрешность измерения не более 0,25 %) [9] и оптическая делительная головка ОДГЭ-5 (погрешность измерения ± 5'') [10]. Исследования проводились в специализированной лаборатории и на испытательном оборудовании ПАО АНПП «ТЕМП-АВИА».
Определение характера дрейфа выходных сигналов гироскопов в одном включении проводилось при постоянной рабочей температуре (минус 40 ° С, н.к.у, плюс 60 °С). Перед каждым включением ИИМ выдерживался при установившейся температуре в течение часа. На каждой температуре проводилось несколько замеров, результаты представлены в табл. 2.
Для иллюстрации характера дрейфа, на рис. 1-3 приведены графики выходных сигналов гироскопов (с осреднением по 30 секунд) модулей МБ1313С и МТ1-30 при различных температурах. Приведены по два замера по оси «Х», результаты остальных замеров аналогичны.
Результаты
Таблица 2
Температура № Максимальные изменения дрейфов, °/ч
замера Ось X Ось У Ось г
М$1313С МТ1-30 М$1313С МТ1-30 М81313С МТ1-30
- 40 °С 1 37 175 42 131 20 210
2 27 174 68 111 20 248
3 28 - 45 - 18 -
4 32 - 55 - 15 -
5 24 - 41 - 21 -
н.к.у. 1 18 163 23 156 15 182
2 16 162 21 152 24 157
3 17 - 22 - 14 -
4 15 - 19 - 9 -
5 16 - 14 - 11 -
+ 60 °С 1 13 223 28 223 37 108
2 12 387 22 252 12 238
3 10 - 14 - 12 -
4 10 - 24 - 12 -
5 11 - 17 - 10 -
Для определения зависимости погрешности МК гироскопов от температуры было произведено по два замера при постоянной рабочей температуре (минус 40 °С, н.к.у, плюс 60 °С), угловые скорости задавались в диапазоне от 5 °/с до 300 °/с. Результаты замеров (погрешности МК (ДК, %) от задаваемой угловой скорости (ю, °/с)) представлены на рис. 4-6.
а)
Рис. 1,
16 г
0) МИИ
Графики дрейфа гироскопов по оси «X.» при температуре минус 40 °С: а - MSI313C; б - МЛ-30
7 : .....
..........Т1
м АШипУил
|"т| ; ....... I ; ; ! ■
а)
Рис. 2.
100 120
^ МИН ())
Графики дрейфа гироскопов по оси «X» в н.к.у: а - М81313С; б - МП-30
...........
30
I. мин
Рис. 3. Графики дрейфа гироскопов по оси «X» при температуре плюс 60 °С: а - М81313С; б - МЛ-30
а) 6>- с б)
Рис. 4. Графики погрешности МК гироскопов по оси «X» от температуры: а - MSI313C; б - МЛ-30
дк, %
1.2 г 1 0 8 0 6 0.4 02 0 -02 -04
| I ____________I...........[...........
...........I...........|
:
...........:...........
\ \ !
О
ОХ "/с
300 "-зоо
а) ю> б)
Рис. 5. Графики погрешности МК гироскопов по оси «У» от температуры: а - MSI313C; б - МЛ-30
дк 1.2
0.8 0.6 0.4 0 2 О
-зоо -200 -юо о юо гоо эоо :}„„ ,200 _то „ 1П 2оо зоо а) б) ®.°/с
Рис. 6. Графики погрешности МК гироскопов по оси <&» от температуры: а - МБ1313С; б - МТ1-30
В результате исследования установлено, что максимальные погрешности МК гироскопических датчиков в диапазоне воздействия угловых скоростей от 5 °/с до 300 °/с для модуля MSI313С - до 0,3 %; для МТь30 - до 0,9 %.
Определение погрешностей МК и нулевых сигналов акселерометров при постоянной температуре окружающей среды производилось на ОДГ. Было проведено по два замера в н.к.у., при температурах минус 40 °С и +60 °С. Результаты определения погрешностей акселерометров приведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты определения погрешностей акселерометров_
Нулевые сигналы, mg
Температура № замера Ось X Ось Y Ось Z
MSI3130 MTi-30 MSI3130 MTi-30 MSI3130 MTi-30
- 40 °C 1 -0,1808 6,86 -0,3030 0,90 0,4893 -0,81
2 -0,2236 7,08 -0,0177 0,62 -0,4286 -1,03
н.к.у 1 0,1126 5,47 0,1532 1,32 -2,1163 5,46
2 0,4532 4,52 0,3076 1,13 -2,2014 5,15
+60 °C 1 -0,1533 4,58 -0,1315 -0,00 -1,3872 5,90
2 0,0837 4,06 0,1922 -0,07 -1,4850 6,52
Погрешности МК, %
- 40 °C 1 0,0467 0,038 0,0517 0,030 0,0482 0,050
2 0,0477 0,032 0,0482 0,037 0,0172 0,047
н.к.у 1 0,0517 0,041 0,0467 0,053 0,0679 0,040
2 0,0490 0,053 0,0459 0,44 0,0676 0,052
+60 °C 1 0,0512 0,039 0,0434 0,049 0,0492 0,06
2 0,0504 0,055 0,0393 0,44 0,0453 0,061
Результатом проведенных исследований явилась оценка основных точностных характеристик опытных образцов микромеханических ИИМ MSI313C («MT Microsystems», КНР) и MTi-30 («X-Sens», Голландия). Представленные результаты позволяют разработчикам бесплатформенных инерциальных блоков и систем сделать предварительные выводы о целесообразности применения той или иной модификации ИИМ.
В дальнейшем планируется проведение испытаний на устойчивость опытных образцов модулей к механическим воздействиям (широкополосная случайная вибрация, механические удары, линейные ускорения), а также оценка дополнительных специфических факторов.
Список литературы:
1. SBG Systems. What is an Inertial Measurement Unit - IMU. [Электронный ресурс] URL: https://www.sbg-svstems.com/inertial-measurement-unit-imu-sensor (дата обращения: 30.10.2022).
2. SBG Systems. Vertical Reference Unit (VRU/MRU). [Электронный ресурс] URL: https://support.sbg-svstems.com/sc/kb/latest/integrated-motion-navigation-sensors/vertical-reference-unit-vru-mru (дата обращения: 30.10.2022).
3. SBG Systems. Attitude and Heading Reference System (AHRS). [Электронный ресурс] URL: https://support.sbg-svstems.com/sc/kb/latest/integrated-motion-navigation-sensors/attitude-heading-reference-system-ahrs (дата обращения: 30.10.2022).
4. MT Microsystems. MSI313C MIMU. [Электронный ресурс] URL: https://en.mtmems.com/product/61.html?productCateId=6 (дата обращения: 30.10.2022).
5. Xsens. MTi User Manual. [Электронный ресурс] URL: https://www.manualslib.com/manual/1469992/Xsens-Mti-30-Ahrs.html?page=3 (дата обращения: 30.10.2022).
6. Safran. STIM300. [Электронный ресурс] URL: https://www.sensonor.com/products/inertial-measurement-units/stim300 (дата обращения: 30.10.2022).
7. Камерилова Е.А., Лосев В.В. Инерциальный блок измерения параметров полета летательного аппарата // Автоматика и электронное приборостроение (АЭП-2017). Материалы Всероссийской мо-
83
лодежной научно-технической конференции, посвященной 85-летию КНИТУ-КАИ. Сборник докладов. 2017. С. 146-153.
8. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / Под. общ. ред. д.т.н. В.Я. Распопова. СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 280 с.
9. Тесар инжиниринг. Испытательная поворотная платформа ИПП-902АМ7-2. [Электронный ресурс] URL: http://tesar-eng.ru/portfolio/IPP-902AM7-2 (дата обращения: 30.10.2022).
10. Головки делительные оптические ОДГЭ-2, ОДГЭ-5, 0ДГЭ-20. Паспорт АЛ2.787.055ПС. [Электронный ресурс] URL: https://npzoptics.m/ffles/%D0%9E%D0%94%D0%93%D0°/oAD-2,-5,-20.pdf (дата обращения: 30.10.2022).
11. Прохорцов А.В., Богданов М.Б., Савельев В.В., Смирнов В.А., Сухинин Б.В., Чепурин А.А. Интегрированная система ориентации и навигации высокоманевренного подвижного объекта с малым временем полета. Гироскопия и навигация, №2, 2007. С. 115-125.
12. Прохорцов А.В., Богданов М.Б., Савельев В.В., Сухинин Б.В., Гаскова Н.Д Способ уменьшения погрешностей бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. Издание Российской академии ракетных и артиллерийских наук. М., 2009. Вып.2(60). С. 31-34.
13. Прохорцов А.В., Богданов М.Б., Савельев В.В., Смирнов В.А. Опыт создания навигационных систем сотрудниками кафедры ПБС // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып.11. 2018. С. 213-222.
Маслов Иван Сергеевич, инженер 3 категории, plootty@smail.com, Россия, Арзамас, ПАО «Арзамасское научно-производственное предприятие «Темп-Авиа»,
Столяров Владимир Дмитриевич, инженер, tempavia@bk.ru, Россия, Арзамас, ПАО «Арзамасское научно-производственное предприятие «Темп-Авиа»,
Научный руководитель: Корнилов Анатолий Викторович, канд. техн. наук, начальник сектора тематического отдела, kornilov_a@inbox. ru, Россия, Арзамас, ПАО «Арзамасское научно-производственное предприятие «Темп-Авиа»
RESEARCH OF INER TIAL MODULES FOR THE CONSTR UCTION OF FLIGHT AND NAVIGATIONSYSTEMS
I.S. Maslov, V.D. Stolyarov
The paper presents the results of studies of the accuracy characteristics of two inertial measurement modules that can be used in the design offlight and navigation units and systems of aircraft for various purposes under the prevalent restrictions. Modules of the "average" accuracy class were considered. Experimental models were tested, during which the drift of the output signal of gyroscopic sensors, the instability of the drift at a constant temperature, the errors of the scale factors of gyroscopes, zero signals and errors of the scale factors of accelerometers were determined. The presented results allow developers of strapdown inertial units and systems to draw preliminary conclusions about the feasibility of using one or another modification of the inertial measuring module.
Key words: inertial measurement module, gyroscope, accelerometer, drift, scale factor.
Maslov Ivan Sergeevich, third rank engineer, plootty@gmail.com, Russia, Arzamas, PJSC «Arzamas research and production enterprise «TEMP-AVIA»,
Stolyarov Vladimir Dmitrievich, engineer, tempavia@bk.ru, Russia, Arzamas, PJSC «Arzamas research and production enterprise «TEMP-AVIA»,
Scientific adviser: Kornilov Anatoly Viktorovich, candidate of technical sciences, head of the sector of the thematic department, kornilov_a@inbox.ru, Russia, Arzamas, PJSC «Arzamas research and production enterprise «TEMP-AVIA»
