CC BY
120
5. Галай И.А., Зимин Р.Ю. Анализ характеристик двухосного поворотного стенда компании ActiDyn // Сборник тезисов докладов «Инновации в авиации и космонавтике - 2011». Москва. 2011.
6. Галай И.А. Программно-математическое обеспечение лаборатории испытаний интегрированных навигационных систем // Тезисы докладов Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». Алушта. 2011.
K.K. Veremeenko, I.A. Galay
LABORATORY FOR INERTIAL NAVIGATION SYSYTEM TESTING
The structure and basic elements of laboratory for of inertial navigation system testing are considered. The laboratory software structure is offered. The inclusion of laboratory into the structure of the local computer network is considered. An example of work of inertial system calibration simulation software is given.
Key words: tests, inertial navigation systems, calibration, motion simulators, software.
Получено 08.09.2012
УДК 621.398.694.4
Д.Г. Грязин, д-р техн. наук, нач. отдела, (812) 499-83-38, [email protected] (Россия, г. Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»), О.О. Величко, аспирант, (812) 499-83-37, [email protected] (Россия, г. Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»), А.Б. Чекмарев, инженер, (812) 499-83-37, chekmarev-ab@yandex. ru (Россия, г. Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»)
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ И МОДУЛЕЙ
Рассмотрены основные задачи метрологического обеспечения испытаний микромеханических датчиков, имеющееся оборудование для их решения и сформулированы существующие проблемы в данной области.
Ключевые слова: метрологическое обеспечение, микромеханический датчик, испытание, оборудование, испытательный стенд
Введение
Микромеханические инерциальные датчики (ММД) (гироскопы и акселерометры), а также модули на их основе получили самое широкое распространение в различных областях современной техники. Лидерами в их разработке и производстве в мире являются фирмы AnalogDevices, ATA, Corrsys-Datron, Epson, Gyration, MEMSense, Matsushita Electric
67
Works, Ltd, Kionix, Colibrys, Motorola, Crossbow, Imego и др.
Коммерческая стоимость подобных изделий во многом определяется затратами на их калибровку, которая позволяет многократно повысить точность вырабатываемых с их помощью параметров. Калибровка, в свою очередь, непосредственно связана с комплексом мер по метрологическому обеспечению измерений параметров этих датчиков.
Точностные характеристики современных ММД удовлетворяют требованиям большинства применений, в таких областях, как:
- автомобильные системы (динамическое управление движением автомобиля, антиблокировочные системы торможения, датчики переворота и разворота, системы подушек безопасности и т.д.);
- воздушные, наземные, надводные и подводные автоматические аппараты;
- схемы стабилизации изображения (цифровые фотоаппараты, видеокамеры, камеры сотовых телефонов);
- определение движения в мобильных телефонах, шагомеры;
- пешеходные системы инерциально-спутниковой навигации;
- устройства ввода информации, манипуляторы;
- игрушки, роботы, альтернативные средства передвижения.
Основными динамическими факторами, влияющими на метрологические характеристики ММД, являются:
- угловая скорость;
- ускорение;
- вибрация;
- угловые колебания.
Игровые приставки, мобильные телефоны, бытовые роботы и т.п. при нормальном функционировании не испытывают высоких динамических нагрузок. В связи с этим типовым внешним воздействием для ММД, установленных в указанные изделия, является угловая скорость амплитудой до 100 градус/с и линейное ускорение до 2g с частотами до 5 Гц.
Большая часть гражданского рынка ММД приходится на автомобильную промышленность. При установке на автомобиль, ММД не испытывают воздействия угловых скоростей большой амплитуды и частоты. Например, в системе курсовой устойчивости, на ММГ воздействует угловая скорость, амплитудой до 300 градус/с и частотой не более 2 Гц.
Однако применение ММД в системах управления движением воздушных, наземных, надводных и подводных автоматических аппаратов обуславливает повышенные требования по ударопрочности и стойкости к воздействиям внешней среды. Максимальная амплитуда угловых скоростей находится на уровне 100-300 градус/с, линейного ускорения - на уровне 5 g. При этом частота воздействия достигает 10 Гц [1].
На основе анализа применения ММД можно сделать вывод о том, что важными характеристиками ММД являются полоса рабочих частот и диапазон измерений. В табл. 1 приведены диапазоны амплитуд и частот угловых скоростей и линейных ускорений, воздействующих на вход ММД при различных применениях.
Таблица 1
Характеристики входных воздействий ММД
Амплитуда Амплитуда
угловой линейного Частота,
скорости, ускорения, не более, Гц
градус/с не более, g
Бытовое 100 2 5
Автомобиль 150 5 5
Автоматический аппарат 100 - 300 5 10
Таким образом, для повышения точности микромеханических датчиков и модулей необходимо решить следующие задачи:
- Выполнить оценку значения масштабного коэффициента при различных внешних температурах, определить его номинальное значение и температурные поправки, программно учитывающиеся при измерениях.
- Оценить частотные характеристики датчиков и выполнить их селективный отбор для применения в аппаратуре различного назначения.
- Определить уровень шума при воздействии вибрации в заданном диапазоне температур.
- Оценить неортогональность осей триад гироскопов и акселерометров в бесплатформенных инерциальных системах.
Оценка значения масштабного коэффициента
Для решения задачи оценки масштабного коэффициента ММД на рынке испытательного оборудования в настоящий момент представлена широкая номенклатура одно-, двух- и трехосевых стендов как зарубежных, так и российских производителей. Они обладают возможностью углового позиционирования и задания как постоянной, так и переменной угловой скорости вращения. Большинство из них комплектуется температурной камерой, что позволяет определять температурные поправки.
Основными зарубежными фирмами-производителями являются «Акутроник» (США, Швейцария) [2], «Актидин» (Франция) [3], «Идеал Аэросмит» (США) [4], «ИксМоушн» (Франция, США) [5]. Данные фирмы являются поставщиками серийно выпускаемого оборудования, установки которых собираются в виде комбинации стандартных узлов. Это позволяет не только обеспечить широкую номенклатуру изделий, но и накладывает
некоторые ограничения на дополнительные функции, например, возможность синхронизации измерительной информации установки и исследуемого прибора. Дополнительные усовершенствования стандартной комплектации установок приводят к их существенному удорожанию и увеличению сроков поставки.
Российские производители, в отличие от зарубежных, предлагают разработку установки под конкретные требования заказчика. Существующие недостатки такого «подхода» компенсируются индивидуальным подходом к разработке каждой установки для решения конкретных, иногда весьма специфических задач. Основными производителями испытательных стендов в России являются ПО Корпус [6], ГосНИИАС [7], ООО «ИНЕРТЕХ» (дочернее предприятие СПбГЭТУ (ЛЭТИ)) [8], ВНИИМ [9].
Основные характеристики испытательного оборудования для задания постоянных угловых скоростей приведены в общей сводной табл. 2.
Таблица 2
Основные характеристики испытательного оборудования
Зарубежные производители
1 2
Диапазоны воспроизводимых от ±500 до ±10000 градус/с
угловых скоростей
Разрешающая способность задания 0,0001 - 0,00001°/с
угловой скорости
Погрешность задания угловой скорости Типичные значения: 0.0001 % на 360°; 0,01 - 0.001 % на 10°; 0,1 - 0.01 % на 1°; Разделение погрешности по диапазону воспроизводимых угловых скоростей не производится
Погрешность углового От 1-2 до 15-30 угл. с.
позиционирования
Российские производители
Диапазоны воспроизводимых От ±150 до ±10000 градус/с
угловых скоростей
Минимальная воспроизводимая От 0.0005 до 0,01 градус/с
угловая скорость
Погрешность задания угловой скорости Типичные значения: От 0,01 до 0,00001 % на 360° Около 0,001 % на 1°
Погрешность углового от 1-2 до 20 угл. с.
позиционирования
Таким образом, системы высокоточного воспроизведения угловой скорости и углового положения серийно поставляются только зарубежными производителями. При этом они, в основном, предназначены для выполнения измерительных процедур, связанных с типовым технологическим процессом.
Оценка частотных характеристик датчиков
Отметим, что для оценки динамических характеристик ММД обычно используются их частотные характеристики. Для решения этой задачи, как правило, применяются раскачивающиеся стенды различных конструкций. Подобное испытательное оборудование можно классифицировать по нескольким критериям.
По количеству осей стенды делятся на одно-, двух- и многоосные. Большинство стендов [2, 3, 5] кроме вращения могут воспроизводить угловые колебания с частотами от 10 до 50 Гц. В зависимости от количества осей воспроизводится различное движение платформы (плоское или пространственное). Однако подобное оборудование не предназначено для указанных режимов работы из-за значительного износа подшипников и работы привода в заторможенном режиме.
Отметим, что в последние годы на рынке появились стенды со значительным числом осей вращения [2, 5], способные воспроизводить взаимное пространственное положение двух объектов (например, самолет-цель) для проведения испытаний головок самонаведения.
По массогабаритным характеристикам стенды можно разделить на переносные [10] и на стационарные для испытаний крупных измерительных комплексов [11, 12]. Как правило, стационарные стенды воспроизводят качку с частотой не выше 1 Гц. Переносные стенды предназначены для воспроизведения высокочастотных колебаний и имеют больший рабочий частотный диапазон. Увеличение рабочего частотного диапазона двухосного стенда [10] достигается за счет расположения двух приводных двигателей на основании устройства (рис. 1). Однако такая кинематическая схема приводит к появлению перекрестной связи, при которой колебания по внутренней оси модулируют колебания по внешней оси. Отметим, что для устранения этого недостатка в конструкции стенда [10] применен трехстепенной подшипник качения (рис. 1).
В настоящее время большинство существующих стендов способно воспроизводить колебания в некотором диапазоне частот [13, 14], однако существуют установки, работающие в резонансном режиме на одной частоте [15]. Они способны подавлять высшие гармоники, сопутствующие гармоническим колебаниям и влияющие на точность воспроизведения колебаний. Однако применение подобных установок для динамической калибровки датчиков не получило широкого распространения ввиду сложного изменения рабочей резонансной частоты путем программной
Рис. 1. Трехмерная модель двухосного стенда: 1 - платформа, 2, 3 - двигатели с редукторами, 4, 5 - датчики угла, 6 - основание, 7 - трехстепенной подшипник
Для обеспечения требуемых характеристик испытательного оборудования возможно применение как разомкнутой системы управления стендом [12], так и замкнутой цепи обратной связи управления двигателями [16].
Классификация испытательного оборудования по указанным критериям приведена на рис. 2.
В настоящее время в ЦНИИ «Электроприбор» ведутся работы по созданию испытательного стенда для оценки частотных характеристик ММД и модулей на их основе при угловых колебаниях в расширенном диапазоне частот [17]. Общий вид трехмерной модели стенда приведен на рис. 3.
Работа стенда основана на преобразовании осевых возвратно-поступательных движений подвижной катушки управления электромагнитного привода в угловые колебательные движения платформы. Подобный линейный электродинамический привод широко используется в вибростендах, функционирующих на частотах до нескольких килогерц.
Как было отмечено выше, значительную долю себестоимости ММД и БИНС составляют затраты на калибровку неортогональности осей датчиков и оценку частотных характеристик. Таким образом, уменьшение их стоимости напрямую связано с автоматизацией процесса калибровки. Для этих целей необходимо создание высокочастотных стендов, воспроизводящих колебания с заданным спектром частот.
72
Критерии
Вид движения платформы
Стенды с плоским движением платф ормы
одноосные стенды
Стенды с пространственным движением платф ормы
двухосные стенды
многоосные стенды
Массогабаритные характеристики Малогабаритные (переносные) стенды
-►
Крупногабаритные (стационарные) стенды
Воспроизводимый частный диапазон Низкочастотные стенды (до 1 Гц)
Высокочастотные стенды (свыше 1 Гц)
Наличие пер екр естных связей между осями Стенды с перекрестными связями
Стенды без перекрестных связей
Режимы работы Стенды, работающие в диапазоне частот
Стенды, работающие на одной частоте в резонансом режиме
Построение системы управления (СУ) Стенды с разомкнутой СУ
-►
Стенды с замкнутой СУ
Рис. 2. Классификация испытательного оборудования для оценки кинематических характеристик датчиков и систем
Л-
Рис. 3. Трехмерная модель стенда для задания угловых колебаний: 1 -электромагнит, 2 - обмотки управления, 3 - платформа, 4 - шарнир, 5 - датчик угла поворота платформы, 6 - электромагнитная муфта
73
В связи с этим в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» предполагается произвести разработку стенда, обеспечивающего возможность воспроизведения колебаний в заданном спектре частот в диапазоне от 0,1 до 4 Гц. Экспериментально определенная передаточная функция исследуемого прибора позволит произвести оценку дисперсии ошибки системы во всем частотном диапазоне, что облегчит процесс калибровки микромеханических датчиков, что, в свою очередь, приведет к снижению их себестоимости.
Явых(ю) = \(М2 Вас(ю) (1)
где 8вЬ1х(ю) - спектр выходного сигнала датчика; \(]ю)\ - частотная передаточная функция исследуемого датчика; 8вх (ю) - спектр входного сигнала.
Другой важной задачей метрологического обеспечения испытаний является определение динамических характеристик ММД при воздействии на них линейных ускорений, поскольку в процессе эксплуатации объекты могут испытывать значительные перегрузки. Для ее решения возможно использование двойной центрифуги, представляющей собой ротор, с установленным на нем малым поворотным столом [3]. При неполной компенсации скорости вращения ротора центрифуги путем задания гармонического закона изменения скорости вращения малого стола обеспечивается одновременное поступление на вход исследуемого датчика гармонического сигнала и задание воздействующего на него постоянного линейного (центростремительного) ускорения величиной до 100 g. Варьируя частоту вращения малого поворотного стола, возможно получить АЧХ ММД.
Определение уровня шума при воздействии вибрации
ММД подвергаются испытаниям на вибрационную устойчивость. Испытательные стенды позволяют задавать линейные высокочастотные перемещения относительно одной или нескольких взаимоперпендикулярных осей, а также линейное ускорение до 100g с частотой до 18 кГц относительно горизонтальной и вертикальной осей [18].
Однако, помимо подтверждения возможности функционирования датчика при воздействии на него вибрации, необходимо убедиться в точностных качествах ММД при данном воздействии. Таким образом, необходимо комбинированное воздействие вида «вращение+вибрация».
В ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» на базе вибростенда ВЭДС-1500 была создана экспериментальная установка, представленная на рис. 4. Она состоит из вибростенда и установленного на его планшайбе сервопривода. ММГ, установленный на платформу сервопривода, испытывает воздействие угловой скорости до 180 градус/с и линейной вибрации вдоль оси чувствительности. Проведенные исследования показали работоспособность данной установки и возможность ее применения для испытаний ММД.
Однако, как правило, линейные вибростенды создают значительное электромагнитное поле, которое частично может компенсироваться дополнительной катушкой, но остаточное поле оказывается весьма значительным. Поэтому использование электродинамических вибростендов, имеющих в составе своей конструкции катушки намагничивания и управления, для проведения испытаний ММД может вызвать искажение показаний датчиков из-за влияния магнитных полей вблизи поверхности планшайбы.
Таким образом, при проведении виброиспытаний ММД разделение влияния магнитных полей и вибрации на показания ММД представляет собой достаточно сложную задачу. Для обеспечения возможности оценивания влияния вибрации на показании ММД необходимо либо экранировать ММД от внешнего поля, либо применять электродинамические вибростенды с низким полем рассеяния. Возможно также использование механических вибростендов.
Рис. 4. Общий вид экспериментальной установки: 1-вибростенд ВЭДС-1500, 2-сервопривод, 3 - поворотная платформа, 4 - испытываемый датчик
Заключение
Испытания ММД и модулей на их основе с метрологической точки зрения представляют собой достаточно сложную задачу, поскольку необходимо учесть все возможные влияющие факторы, возникающие в процессе эксплуатации ММД и смоделировать их воздействие на исследуемые датчики в процессе испытаний.
Для большинства коммерческих приложений можно использовать универсальное стендовое оборудование для воспроизведения постоянной угловой скорости и угловых колебаний в небольшом частотном диапазоне до единиц Гц, широко представленное на рынке в настоящий момент. Од-
нако этого недостаточно для ММД и модулей, используемых на высокодинамичных подвижных объектах. Оборудование, в полной мере удовлетворяющее требованиям для испытаний ММД, производится в основном за рубежом и весьма дорогостоящее, что осложняет его приобретение. В связи с этим разработка подобного специализированного оборудования является актуальной задачей.
Список литературы
1. URL: http://www.darpa.mil
2. URL: http://acutronic.com/ru/
3. URL: http://www.actidyn.com/
4. URL: http://www.ideal-aerosmith.com/
5. URL: http://www.wuilfert.com
6. URL: http://www.korpus64.ru
7. URL: http://www.gosniias.ru/
8. URL: http://inertech.org
9. URL: http://www.vniim.ru
10. Двухстепенной стенд для задания угловых колебаний: пат. 2367921С2 РФ. № 2007132944/28; заявл. 23.08.07; опубл. 20.09.09.
11. Стенд для испытаний инерциальных навигационных систем / Ю.В. Филатов [и др.] // Сборник тезисов Третьей Всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях (Судометрика 2008)», 18-20 октября 2010 г., Санкт-Петербург. СПб., 2010. С. 54.
12. Стенд для контроля гироскопических приборов: науч. тр. НПО «Азимут». Л., 1990.
13. Иванов В. А., Соловьева Н. С., Суслов Б. Л. Двухосная установка для поверки и градуировки угловых акселерометров // Труды метрологических институтов СССР. 1973. Вып. 143 (203). Измерение угловых ускорений. С. 5-12.
14. Леванов С. Ф. Установка для воспроизведения гармонических угловых ускорений в диапазоне частот от 0,05 до 0,6 Гц // Труды метрологических институтов СССР. 1977. Вып. 206 (266). Исследования в области измерений угловых параметров движения. С. 89- 92.
15. Иванов В. А., Менчиков В. М. Резонансная образцовая установка // Приборы и системы управления. 1976. № 7. С. 39 - 41.
16. Стенд трехстепенной динамический: науч. тр. КИИГА. Киев,
1991.
17. Чекмарев А. Б. Стенд для контроля частотных характеристик микромеханических гироскопов и модулей на их основе. Навигация и управление движением: Материалы докладов XII конференции молодых
ученых «Навигация и управление движением». СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. 408с. 18. URL: http://www.tira-gmbh.de
D.G. Gryazin, O.O. Velitchko, A.B. Chekmarev
MEASUREMENT ASSURANCE OF MICROMECHANICAL SENSORS AND UNITS TESTING
The major task of measurement assurance of micromechanical sensors and units testing and present equipment are considered. The main problems of this issue are formulated.
Key words: measurement assurance, micromechanical sensor, testing, equipment,
testbed.
Получено 08.09.2012
УДК 6.297
Е.А. Дорофеева, инженер, (812) 339-52-53, кагта [email protected] (Россия, Санкт-Петербург, ФГУП «НИИ командных приборов»), Ю.П. Саенко, вед. инженер, (812) 339-52-53, [email protected] (Россия, Санкт-Петербург, ФГУП «НИИ командных приборов»), С.К. Золотарев, нач. отдела, (812) 339-51-61, stazolot@yandex. ги (Россия, Санкт-Петербург, ФГУП «НИИ командных приборов»), Л.А. Северов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (812) 494-70-12, [email protected] (Россия, Санкт-Петербург, СПбГУАП), В.К. Пономарев, канд. техн. наук, доц., (812) 494-70-12, [email protected] (Россия, Санкт-Петербург, СПбГУАП)
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА
Представлены основные преимущества датчика угловой скорости (ДУС) на базе твердотельного волнового гироскопа (ТВГ) по сравнению с ДУС на базе двухстепенного гироблока с быстровращающимся роторо. Приведены основные результаты испытаний макетного образца ДУС на базе ТВГ. Показаны пути улучшения технических и эксплуатационных характеристик приборов данного типа.
Ключевые слова: ТВГ, ДУС, металлический резонатор, макетный образец, результаты испытаний.
Введение
В статье представлены предварительные результаты испытаний макетного образца датчика угловой скорости (ДУС) на базе твердотельного волнового гироскопа (ТВГ) совместной разработки ФГУП «НИИ командных приборов» (НИИ КП) и Санкт-Петербургского государственного уни-
77
