CC BY
31
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 681.2
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ИСПЫТАНИЙ
ПО ОЦЕНКЕ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ШУМОВ И НУЛЕВЫХ СИГНАЛОВ БЛОКА ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
М.Б. Богданов, О.В. Минина, П.Ю. Шлипкин
Приведены результаты исследовательских испытаний по оценке долговременной нестабильности шумов и нулевых сигналов блока инерциальных чувствительных элементов. Испытания проведены по разработанным программам и методикам. Сопоставляются результаты идентичных испытаний, полученные с промежутком в шесть лет.
Ключевые слова: блок инерциальных чувствительных элементов, испытания, погрешности.
Блоки инерциальных чувствительных элементов (БИЧЭ) предназначены для измерения проекций угловой скорости и кажущегося ускорения на оси связанной с ними системы координат. БИЧЭ применяются в качестве основного измерителя в бесплатформенных инерциальных навигационных системах, которые, в свою очередь, входят в состав систем управления движением различных объектов (беспилотные летательные аппараты, роботы, автомобили и т.п.). Одними из важнейших характеристик БИЧЭ являются их погрешности измерений, такие, как нестабильность нуля в запуске, нестабильность нуля от включения к включению, спектр шума. Кроме перечисленных характеристик, важной, но не паспортизированной является стабильность указанных погрешностей в течение продолжительного времени (годы).
В настоящей статье приводятся результаты исследовательских испытаний на долговременную нестабильность ряда погрешностей одного из отечественных БИЧЭ. Определение термина «исследовательские испытания» дано в [1]. Объектом испытаний является БИЧЭ АИСТ-350 производ-
226
ства фирмы ООО «Айсенс» (г. Москва) [2]. Целью экспериментальных исследований является оценка долговременной нестабильности основных характеристик измерительных каналов блока АИСТ-350 после 6 лет эксплуатации.
Описание блока АИСТ-350
Блок АИСТ-350 состоит из следующих основных узлов: чувствительные элементы (два 2-осевых MEMS гироскопа LPY510 и один 3-осевой MEMS акселерометр ADXL-326), АЦП, нагреватели с термодатчиками, плата электропитания, процессор, корпусные детали. Предусмотрена синхронизация выходных пакетов данных прибора со стандартным PPS сигналом GPS/GLONASS приемников для работы в интегрированных инерциально-спутниковых навигационных системах. Внешний вид БИЧЭ, показанный на рис. 1, - это один из первых образцов, изготовленных в 2011 году [3], в последующем разработчик неоднократно улучшал данную модель.
Рис. 1. Внешний вид блока АИСТ-350
Основные технические характеристики: диапазон измерений угловых скоростей ±400 град/с, линейных ускорений ±16 g, нелинейность - не более 0,1%, время выхода на точностной режим - менее 3 минут (время прогрева блока встроенным термостатом 180 секунд), полоса пропускания от 0 до 100 Гц, электропитание осуществляется от источника постоянного тока с напряжением +(8...31) В; габаритные размеры: диаметр по фланцу 52 мм, высота 54 мм, масса 170 г.
Программа и методика исследовательских испытаний
Испытания проводились в ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» на кафедре «Приборы и биотехнические системы» в два этапа, первый - в феврале 2011 года, второй - в феврале 2017 года. На обоих этапах эксперименты проводились аналогично и состояли из записи в память ПЭВМ сигналов измерительных каналов блока на неподвижном основании и обработки записанных сигналов.
227
При записи сигналов БИЧЭ устанавливался на плите (рис. 2), которая, в свою очередь, выставлялась в плоскости горизонта. Для этого применялся квадрант. Направление измерительных осей блока (обозначение осей соответствует инструкции по эксплуатации): оси ОУ и ОХ лежат примерно в плоскости горизонта, ось ОУ отклонена от направления на север примерно на -550 (в сторону запада), ось О/ направлена вверх.
Схема подключения БИЧЭ к ПЭВМ соответствует указанной в руководстве по эксплуатации [2]. При записи сигналов блока использовалось программное обеспечение «aistWIN.exe». Данная программа производит запись данных на жесткий диск ПЭВМ. Частота опроса сигналов 250 Гц.
Рис. 2. Экспериментальная установка: 1 - ПЭВМ, 2 - окно программы «aistWIN.exe»; 3 - БИЧЭ АИСТ-350;
4 - плита для выставки БИЧЭ в плоскости горизонта;
5 - секундомер
Для оценки стабильности сигналов от запуска к запуску необходимо провести не менее 7 экспериментов. Для обеспечения начальной стабилизации параметров блока необходимо, чтобы соблюдались два условия:
- между экспериментами блок должен оставаться неподвижен, т.е. углы тангажа, крена и рыскания для всех экспериментов одинаковы;
- между экспериментами должно проходить не менее 2 часов.
Запись в память ПЭВМ сигналов измерительных каналов БИЧЭ.
1. Одновременное включение электропитания блока и секундомера.
2. Прогрев блока, ожидание времени точностной готовности 180±5 с.
3. Запуск программы записи сигналов «aistWIN.exe».
228
4. Запись данных на жесткий диск. Время записи 180 секунд. Время отсчитывается по секундомеру. В ходе записи БИЧЭ должен быть по возможности неподвижен.
5. Остановка программы записи сигналов.
6. Отключение электропитания.
Методика построения спектра
Исходные данные представляют собой файл записанных в память ПЭВМ сигналов измерительных каналов блока. Анализ проводится при помощи программы Microsoft Excel, в которой имеется встроенная функция «Fourier analysis». С помощью указанной функции необходимо выполнить преобразование Фурье над записанными данными.
Так как частота опроса данных 250 Гц, то для устранения так называемого «зеркального эффекта» результат преобразования отображается в диапазоне частот (0...125) Гц. Так как максимальное количество данных
для преобразования Фурье с помощью стандартной функции «Fourier anal-
12
ysis» равно 2=4096, то необходимо использовать данные, записанные в течение 16,384 с. Для определенности взят промежуток времени (7,996.24,38) с, считая от начала записи.
Результатом преобразования является ряд, представляющий собой разложение исходных данных по гармоникам.
Метод определения нестабильности сигналов в запуске
Ввиду большой шумовой составляющей сигналов измерительных каналов нестабильность в запуске нулевых сигналов оценить затруднительно. Для уменьшения шума необходимо пропустить сигналы измерительных каналов через цифровой фильтр Баттерворда второго порядка с полосой пропускания 1 Гц. После этого нестабильность нулевых сигналов в запуске оценивается как размах низкочастотного (с частотой менее 1 Гц) шума. Максимальный и минимальный размах низкочастотного шума, т.е. максимальная и минимальная нестабильность нулевых сигналов, по результатам 7 экспериментов сводится в сравнительную таблицу.
Для выполнения указанных операций возможно применить программу MathCad.
Метод определения нестабильности сигналов от запуска к запуску
Нестабильность нулевых сигналов от запуска к запуску определяется как максимальная разница результатов осреднения сигналов (на промежутке измерений, т.е. за 180 секунд) среди 7 экспериментов.
Для этого необходимо пропустить сигналы через цифровой фильтр с указанными выше характеристиками. Далее необходимо найти математические ожидания сигналов на промежутке измерений. В результате получаются семь величин, после чего вычисляется разница между их максимальным и минимальным значенями.
Результаты исследовательских испытаний
На рис. 3 представлены типовые спектры шумов сигналов измерительных каналов блока АИСТ-350 для одного из экспериментов.
229
ДУС ох
Угловая скорость, Градус/ч 150
ду< оу
Угловая скорость, градус/ч
ДХ ОУ. Угловая скорость, градус/ч 150
Ускорение, м/сЛ2 0,008
Частота, Гц
акс оу
Ускорение м/сл2 0,008
акс о Ъ
Ускорение, м/сл2 0,008
Частота, Гц
Рис. 3. Спектры сигналов измерительных каналов блока АИСТ-350
Из полученных спектров видно, что полоса пропускания измерительных каналов составляет от 0 до 100 Гц. Шум в измерительном канале ДУС О/ примерно в 1,25 раза меньше, чем в каналах ДУС ОХ и ДУС ОУ. Шум в канале измерения ускорения О/ примерно в 3 раза больше, чем в каналах ОХ и ОУ. В канале измерения ускорения оси ОХ присутствует ярко выраженная составляющая шума на частоте 19Гц. Анализ экспериментальных данных показал, что спектры шумов не изменились и аналогичны результатам, полученным в 2011 году.
В табл. 1 приведены результаты оценки нестабильности нулевых сигналов в запуске.
Таблица 1
Результаты оценки нестабильности нулевых сигналов в запуске
Измерительный канал Нестабильность нулевого сигнала в запуске, шах/шт, для ДУС 0/ч, для АКС м/с2
2011 год 2017 год
ДУС ОХ 750/470 517/232
ДУС ОУ 980/586 2213/911
ДУС 07 443/330 435/351
АКС ОХ 0,037/0,011 0,101/0,077
АКС ОУ 0,027/0,022 0,016/0,006
АКС О7 0,07/0,05 0,21/0,05
Из приведенных данных следует, что нестабильность нулевых сигналов каналов ДУС ОХ и ДУС О7 изменилась не более чем на 50 %, а канала ДУС ОУ увеличилась примерно в 2 раза. В канале измерения кажущегося ускорения АКС ОХ нестабильность нулевых сигналов увеличилась примерно в 7 раз, а в канале АКС О7 в 3 раза. В канале АКС ОУ нестабильность нулевых сигналов в запуске уменьшилась приблизительно в 3 раза.
В табл. 2 приведена оценка нестабильности нулевых сигналов от запуска к запуску.
Таблица 2
Оценка нестабильности нулевых сигналов от запуска к запуску
Нестабильность нулевых сигналов от Разница показаний, %
Измерительный канал запуска к запуску, для ДУС 0/ч, для АКС м/с2
2011 год 2017 год
ДУС ОХ 246 173 -42
ДУС ОУ 263 363 +38
ДУС О7 46 116,5 +153
АКС ОХ 0,006 0,004 -50
АКС ОУ 0,008 0,013 +63
АКС О7 0,036 0,12 +233
Из приведенных данных следует, что нестабильность нулевых сигналов от запуска к запуску каналов ДУС ОХ, ДУС ОУ, АКС ОХ и АКС ОУ изменилась, примерно, на (50.60) %. Наибольшие изменения - в каналах ДУС О7 и АКС О7, их нестабильность увеличились на 150.230 %.
231
Заключение
Таким образом, при помощи разработанных программ и методик выполнены исследовательские испытания по оценке долговременной нестабильности погрешностей блока инерциальных чувствительных элементов. Установлено, что полоса пропускания и спектр шумов не изменились в течение 6 лет. Характеристики нестабильности нулевых сигналов существенно изменились. Так, нестабильность в запуске за 6 лет эксплуатации блока изменилась по максимуму в 7 раз, а от запуска к запуску - в 3 раза.
Список литературы
1. ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. Введ. 1981-12-08. М.: Изд-во стандартов, 1981. 48 с.
2. Общество с ограниченной ответственностью Айсенс [Электронный ресурс]. 2017. URL: http://isense.ru (дата обращения 25.02.2017).
3. Техническое описание и руководство по эксплуатации. ООО «Айсенс». Инерциальный измерительный блок АИСТ-350 / М., 2011. 20 с.
Богданов Максим Борисович, канд. техн. наук, доц., bmb 75@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Минина Ольга Владимировна, студент, OL-within-sun@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шлипкин Павел Юрьевич, студент, pavelshlipkin@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE RESULTS OF RESEARCH TESTS TO ASSESS THE LONG-TERM INSTABILITY OF NOISE AND ZERO SIGNALS OF A BLOCK OF INERTIAL SENSING ELEMENTS
M.B. Bogdanov, O. V. Minina, P. Yu. Shlipkin
The article presents the results of research tests to assess the long-term instability of noise and zero signals of a block of inertial sensory elements. The tests were carried out according to the developed programs and methods. Comparison of the results of identical tests obtained with an intermediate in six years.
Key words: block of inertial sensing elements, tests, errors.
Bogdanov Maxim Borisovich, candidate of technical sciences, docent, bmb 75@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Minina Olga Vladimirovna, student, OL-w ithin-sun@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Shlipkin Pavel Yurievich, student, pavelshlipkin@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
