CC BY
60
УДК 681.2.088
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К УСТРАНЕНИЮ ДРЕЙФА НУЛЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ
А. А. Крылов, Д.В. Корниюк
Приведен обзор известных способов компенсации дрейфа нуля микромеханических гироскопов. Представлен алгоритм аппроксимации дрейфа нуля кусочно-линейными функциями. Рассмотрен способ автоматического нахождения точек для этих функций.
Ключевые слова: микромеханические гироскопы, калибровка гироинерциальных блоков, дрейф нуля.
Краткий обзор ГИБ на основе МЭМС гироскопов
ГИБ - гироинерциальный блок, в котором реализованы три преобразовательных канала угловой скорости, обеспечивающие измерение проекций её на взаимно ортогональных осях приборной системы координат, связанной с корпусом блока. ГИБ построен в виде моноблочного корпуса, в котором установлено три МЭМС гироскопа (ДУС), в каждом из которых расположены микромеханические чувствительные элементы преобразователей угловой скорости. В состав ГИБ также входят платы источника вторичного электропитания и интерфейсов и микроконтроллера.
Программируемый микроконтроллер позволяет корректировать показания МЭМС гироскопов с учетом вычисленных систематических погрешностей в реальном времени. В памяти микроконтроллера сохраняются алгоритмы обработки и калибровочные данные, которые могут быть многократно скорректированы и перезаписаны в процессе калибровки изделия.
ГИБ настроен на выдачу информации с частотой 1000 Гц. Рабочий диапазон измеряемых угловых скоростей прибора ±500 °/с.
Определение и особенности температурного дрейфа
В общем случае дрейф смещения нуля датчика - изменение смещения нуля, зависящее от времени, вызванное внутренними свойствами датчика и внешними воздействующими факторами. Физически причиной возникновения дрейфа нуля микромеханических гироскопов является изменение длин составляющих гироскопа из-за тепловой деформации, а также технологического дрейфа[1, 2].
В процессе исследования функционирования микромеханических ДУС в составе ГИБ была установлена явно выраженная зависимость смещения нулевого сигнала от температуры, измеряемой датчиком температуры, интегрированным в микросхему управления, расположенную в корпусе ДУС. Особенно характерно это проявляется в течение первых 2...5 минут после включения прибора, когда внутренняя конструкция прибора начинает достаточно резко нагреваться. Величина дрейфа при каждом следующем включении зависит от времени, прошедшего с момента последне-
го выключения прибора (т.е. от того, насколько конструкция успела остыть). Поэтому важно исследовать дрейф не по одному включению, а по нескольким так, чтобы их можно было считать независимыми (внутренняя конструкция успела остыть) с промежутком между включениями не менее 5 мин. В зависимости от задачи можно выбрать любой временной отрезок, на котором будет происходить компенсация дрейфа. Для наших целей используем отрезок длиной 120 сек от включения прибора.
Дрейф каждого датчика меняется в зависимости от температуры внешней среды. Для получения полной картины изменения дрейфа следует проводить измерения на температурных точках по всему диапазону с шагом не более 10 °С. На одной температуре обычно записываются данные по 5 включениям.
Анализ имеющихся технологических подходов к устранению дрейфа
Наиболее популярным способом устранения температурного дрейфа является применение полинома с коэффициентами, вычисляемыми по методу наименьших квадратов [3, 4].Обычно используются полиномы 3 -4 степеней [3, 5]. Применение такого способа удобно в плане простоты расчетов и небольшого количества сохраняемых коэффициентов. Однако он плохо работает на кривых с большим количеством точек перегиба либо с кривыми, имеющими резкие перегибы. Увеличение степени полинома значительно усложняет расчеты и не всегда дает желаемую точность. Поэтому имеет смысл обратить внимание на другие алгоритмы, например, на алгоритм точечной аппроксимации.
Алгоритм компенсации температурного дрейфа
Для снижения влияния случайных отклонений рассчитывается файл со средними арифметическими значениями для каждого измерения по номеру из пяти файлов на данной температуре. Дальнейшая обработка ведется именно с этим файлом.
Картина дрейфа меняется в зависимости от температуры. Для компенсации используется алгоритм кусочно-линейной аппроксимации (рис. 1): g1 - исходный усредненный сигнал; ф - аппроксимирующая функция, к1 - количество точек после усреднения.
и
Рис. 1. График дрейфа и функции аппроксимации
94
В пределах ожидаемого времени работы на оси времени выбирается некоторое число точек (как правило, имеющих наименьший угол перегиба). Высчитывается коэффициент между двумя соседними точками, зависящий от изменения температуры:
ск+1_ск ]к _ ^ ^
Щ =
БП
где - значение в точке tf.
= Гг!
с1е1ТЛ1
где
(1)
(2) (3)
(1еЩ = 7у — Ту-!. - разность температур между соседними точками.
У = 0 ...я, (4)
где п - количество измерений; Fn - частота выдачи информации прибора. Коэффициенты высчитываются для каждого ¿. Алгоритм поиска точек
Выбираем количество точек для усреднения бИ. Общее количество точек данных 1к делится на бИ, частное — - количество усредненных точек
(рис. 2); - исходный усредненный сигнал по нескольким измерениям, gз - усреднение сигнала по бН, 1<п - частота работы прибора.
Рис. 2. Изначальный график данных (красный) и усредненный (синий)
Из трех любых последовательно взятых точек можно построить треугольник, причем угол у средней вершины будет углом, определяющим изменение направления дрейфа (рис. 3). Основная идея заключается в том, чтобы отмечать те точки, в которых угол будет наименьшим. По этим точкам можно составить график, наиболее точно описывающий основные точки перегиба. Для корректной работы алгоритма необходимо выбрать достаточно большой бЬ для фильтрации низкочастотных колебаний. Обычно бЬ принимается равным 1000, что соответствует частоте прибора. По причине ограниченного объема памяти микроконтроллера количество точек для калибровки следует ограничить определенным числом - /р. При
проходе через все точки можно найти количество углов у, меньших заданного а. Для соответствия необходимому числу точек угол можно динамически корректировать, поразрядно прибавляя/отнимая некоторое значение до достижения необходимого количества.
Рис. 3. Нахождение угла между точками усредненного массива
Формула нахождения угла у:
- b2 + а2 + с2
cos у =---. (5)
2ас
Расстояния между точками (А,В и С) вычисляются по формулам:
а = л/(УВ - УС )2 + (shl)2 , (6)
b Ч (УА - УС )2 + (2shl)2 , (7)
с Ч (у в - УА )2 + (^/)2, (8)
где 8к/ = 8к * /, / - динамически подстраиваемая величина, зависящая от ординат точек ув - уА , используемая для приближения величин катетов и, как следствие, получения более интуитивно понятных углов.
Заключение
Приведенный алгоритм позволяет в 5.. .20 раз уменьшить значение дрейфа нуля по сравнению со значениями без компенсации и в 2.3 раза по сравнению с полиномиальной аппроксимацией 3.4-й степени. Значение дрейфа при кусочно-линейной аппроксимации получилось меньше.
Список литературы
1. Лысенко И.Е. Влияние температурных и технологических погрешностей на динамику трехосевого микромеханического гироскопа // Гироскопия и навигация. 2006. № 2. 6 с.
96
2. Вторушин С.Е., Аршинова А.А., Нестеренко Т.Г. Температурный дрейф собственных частот микромеханического гироскопа // Вестник науки Сибири. 2014. №1(11). С. 3 - 5.
3. Ломакин М.А. Особенности построения модели погрешности микроэлектромеханических датчиков при решении навигационной задачи // Инженерный вестник Дона, 2014. Т. 29. №2. С. 2 - 7.
4. Пазычев Д.Б. Температурная калибровка бесплатформенной инерциальной навигационной системы, построенной на базе микромеханических чувствительных элементов // Наука и образование. 2011. С. 9 - 12.
5. Шаймарданов И.Х. Метод калибровки бесплатформенной инер-циальной навигационной системы на микромеханических акселерометрах и гироскопах // Материалы докладов XIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», 2011. С. 6 - 8.
Крылов Алексей Анатольевич, инженер-программист 1-й категории, akril9l@ ramhler.rH, Россия, Москва, АО ГосНИИП,
Корниюк Дмитрий Владимирович, инженер-программист 2-й категории, Dmi-try6170@ mail.rH, Россия, Москва, АО ГосНИИП
TECHNOLOGICAL APPROACHES TO ELIMINATING ZERO DRIFT OF MICROMECHANICAL GYROSCOPES
A.A. Krylov, D. V. Korniyuk
The overview of known methods for zero drift compensation of micromechanical gyroscopes is given. The algorithm for zero drift approximation hy piecewise linear functions is presented. The methodfor automatically finding points for these functions is considered.
Key words: micromechanical gyroscopes, calibration of gyroinertial blocks, zero
drift.
Krylov Alexei Anatolevich, 1st class engineer-programmer, akril9l@ramhler.ru, Russia, Moscow, JSC GosNIIP,
Korniyuk Dmitriy Vladimirovich, 2nd class engineer-programmer, Dmi-try6170@mail.ru, Russia, Moscow, JSC GosNIIP
