УДК 531.383
(Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ»)
Динамические методы аттестации испытательных стендов для калибровки инерциальных систем
Проектирование инерциальных навигационных систем (ИНС) предполагает исследование инструментальных погрешностей трехосных блоков их чувствительных элементов (ЧЭ). Анализ используемого на сегодняшний день испытательного оборудования выявил ряд недостатков, основными из которых являются ограничения в выборе режимов позиционирования.
Разрабатываемые динамические методы аттестации позволяют расширить перечень режимов изменения углов, задаваемых стендом и характерных объекту на котором предполагается эксплуатировать испытуемую ИНС. например, квазигармонические колебания по всем осям одновременно. Это позволит реализовывать новые схемы аттестации стенда и повысить эффективность калибровки ИНС, что в свою очередь приведет к сокращению трудозатрат на проведение испытаний.
Введение.
Перспективы развития интеллектуальных систем навигации и управления движением (ИСНУД) определяются достижениями в области построения интегрированных систем ориентации и навигации (ИСОН), основополагающим элементом которых является инерциальная навигационная система (ИНС).
Проектирование ИНС предполагает исследование инструментальных погрешностей трехосного инерциального измерительного модуля (ИИМ). Анализ используемого на сегодняшний день испытательного оборудования выявил следующие недостатки:
1) обладая высокими точностями, имеют существенные массогабаритные, а соответственно, и стоимостные характеристики, что делает нерентабельным их использование в процессе проектирования ИНС.
2) функциональность стендов определена рекомендациями международной организации IEEE по калибровке инерциальных датчиков, предполагающими либо позиционирование, либо вращение с постоянной за оборот угловой скоростью [1]−[5]. Однако более эффективным с точки зрения качества калибровки является реализация режимов движения, свойственных объекту, для которого разрабатывается ИНС. При этом искомые параметры определяются в интегрированном режиме работы ИНС, предполагающем коррекцию ее показаний по данным об угловой ориентации, задаваемой стендом и определяемой входящими в его состав датчиками угла.
Таким образом, учитывая массовость производства ИНС и тенденции их распространения в новые области науки и техники, актуальным является разработка принципов построения прецизионного оборудования в качестве развития метрологического обеспечения производства интеллектуальных систем навигации и управления движением.
Современные образцы испытательного оборудования.
Процедуры калибровки ИИМ на гироскопах и акселерометрах, основанных на разных физических принципах, описаны в стандартах [1]−[5] (повороты на заданные углы, вращение с заданной угловой скоростью) и позволяют произвести оценку следующих параметров:
- масштабных коэффициентов;
- сдвиги нулей;
- неортогональность измерительных осей.
В качестве средств калибровки ИНС широко используются одно-, двух - и трехосные испытательные стенды. В конструкции любого стенда присутствуют обычно такие элементы, как прецизионные, предварительно нагруженные подшипники, планшайба с плоской поверхностью с отверстиями для установки испытуемой системы, коллектор для подвода и снятия сигналов с нагрузки, высокоточные датчики угла. В таблице 1 приведены краткие характеристики современных отечественных и зарубежных испытательных стендов.
Таблица 1.
СДА-15 (Россия) | iMARTES-24 (Германия) | AcutronicDC2256 (Швейцария) | ActidynST2154 (Франция) | |||||
вн. ось | нар. ось | вн. ось | нар. ось | вн. ось | нар. ось | вн. ось | нар. ось | |
Диапазон углов разворота по осям | не ограничен | не ограничен | не ограничен | не ограничен | ||||
Погрешность позиционирования, …" | 15 | 15 | 3 | 3 | 1 | 1,5 | 1 | 1 |
Неортогональность осей вращения …" | 20 | 3 | 5 | 3 | ||||
Диапазон угловых скоростей вращения, ... °/с | ±720 | ±720 | ±1500 | ±500 | ±1000 | ±200 | ±2000 | ±300 |
Нестабильность угловой скорости вращения (за оборот), …% | 0,005 | 0,005 | 0,002 | 0,002 | 0,0001 | 0,0001 | 0,0001 | 0,0001 |
Диаметр планшайбы, мм | 360 | 285 | 500 | 400 | 360 | 285 | 500 | 400 |
Управление движением испытательного стенда осуществляется замкнутой системой управления сервомотора, состоящей из моментного двигателя, датчика угла и сервоусилителя со встроенным контроллером перемещения. В таблице 2 приведены краткие характеристики современных отечественных и зарубежных систем управления движением (СУД).
Таблица 2.
Siemens «Simotion D» | Elmo Motion Control «Harmonica» | ЛИНС «ИСНУД-1» | |
Количество осей | 1-3 | 1 | 1-3 |
Габариты (ШхВхГ) | 50 мм x 380 мм x 230 мм | 82 мм x 25.4 мм x 75 мм | 365 мм х 80 мм х 101 мм |
Программное обеспечение для настройки | Закрытое, без прямого доступа к МК и ПЛИС | Закрытое, без прямого доступа к МК и ПЛИС | Закрытое, доступ ко всем элементам сервоконтроллера |
Возможность временного согласования с сигналами дополнительных устройств | Нет | Нет | Да |
Наличие шкалы времени | Нет | Нет | Да, внутренний высокостабильный генератор 400 МГц |
Состояние | Доступно к заказу | Доступно к заказу | Опытный образец |
Стоимость | 4000 € | 2000 € | ~ 1000 € |
При анализе современного испытательного оборудования необходимо отметить следующее:
1) Функциональность стендов определена рекомендациями международной организации IEEE по калибровке инерциальных датчиков, предполагающими либо позиционирование, либо вращение с постоянной за оборот угловой скоростью. Однако более эффективным с точки зрения качества калибровки является реализация режимов движения, свойственных объекту, для которого разрабатывается ИНС. При этом искомые параметры определяются в интегрированном режиме работы ИНС, предполагающем коррекцию ее показаний по данным об угловой ориентации, задаваемой стендом и определяемой входящими в его состав датчиками угла.
2) Использование систем управления движением с закрытой архитектурой, что значительно усложняет оценки различных параметров движения и в принципе не позволяет вводить дополнительные сигналы от внешних устройств во время аттестации.
Таким образом, учитывая массовость производства, современный уровень ИНС и тенденции их распространения в новые области науки и техники, актуальным является разработка динамических методов, позволяющих аттестовать испытательный стенд как «имитатор» движений, характерных объекту на котором предполагается применять испытуемую ИНС. Например, такими движениями являются квазигармонические колебания по двум осям одновременно.
Методы аттестации испытательно оборудования.
Существующие на сегодняшний день методы аттестации испытательного оборудования предполагают проведение испытаний каждой оси стенда по отдельности. Для одноосного стенда этого более чем достаточно для подтверждения его метрологических характеристик. Однако, при калибровке ИНС в основном используются многоосные стенды, что предьявляет более жесткие требования к аттестации.
Рассмотрим основные составляющие погрешности определния угла стендом:
, (1)
где:
- погрешность датчика угла,
- систематическая погрешность,
- погрешность, вносимая влиянием скорости вращения,
- погрешность, вносимая угловым ускорением,
- погрешность призмы,
- случайная составляющая погрешности, характерная для одноосного стенда.
Однако в случае многоосного стенда случайная составляющая погрешности превратится в функциональную зависимость от угла поворота, скорости вращения и углового ускорения, которые воздействуют на ортогональные оси при их одновременном вращении:
= f(
, 
), (2)
где 
- угловая скорость, - угловое ускорение по второй оси.
Исходя из этого возникает необходимость разработки таких методов аттестации, которые позволят оценивать параметры стенда с учетом взаимного влияния вращения осей. На основе анализа существующих методик аттестации испытательных стендов и общих принципов классической гониометрии, были сделаны предложения о возможности реализации динамических методов аттестации, которые предполагают движение стенда по двум осям одновременно с одинаковыми или различными угловыми скоростями, и использование различных дополнительных измерительных устройств, таких как лазерный гироскоп, интерференционный нуль-индикатор и высокоточный генератор временной шкалы.
Оценка внутриоборотной нестабильности скорости вращения.
В качестве основы для дальнейших разработок был взят классический метод фиксированного времени - измерение угла поворота за фиксированные промежутки времени. Для отсчета временных интервалов используется встроенный в СУД высокоточный генератор временных импульсов. На оси вращения выбираются определенные точки (рис. 1, 1-3), относительно которых производится серия колебаний с заданным интервалом.
Рис. 1. Вращение оси относительно определенных точек. T1, T2, T3…Tn – фиксированные промежутки времени
В результате эксперимента будут получены временные интервалы, содержащие определенное количество импульсов датчика угла (ДУ) (встроенный в стенд инкрементный или внешний датчик) (рис.2).
Рис. 2 Сопоставление сигналов ДУ и временных интервалов. Kn – количество импульсов датчика угла
Оценивая полученные данные, появляется возможность оценить в динамике внутриоборотную нестабильность скрости вращения и реализовать алгоритм автокалибровки стенда.
Оценка нестабильности скорости вращения при непрерывном вращении.
Для полной оценки нестабильности скорости вращения предлагается применять нуль-индикатор(рис.3, НИ) и зеркало (рис.3, Z1), которое устанавливается на одну из осей. При вращении осей будут фиксироваться отсчеты НИ, нуль-метки ДУ и временные интервалы.
Рис. 3. Аттестация стенда с помощью нуль-индикатора.
В результате будут получены массивы отсчетов, на основании которых можно будет оценить нестабильность скорости вращения. Пример массива для одного оборота приведен в таблице 3.
Таблица 3.
|
| ||
НМ1 | Х | T1 | |
НМ2 | Х | T2 | |
НИ | Х | Х | T3 |
Оценка нестабильности осуществляется по повторяемости отсчетов НМ1, НМ2 и НИ за фиксированный промежуток времени в серии экспериментов.
Заключение.
Рассмотрены динамические методы аттестации, предполагающие использование стандартизованных процедур поверки, а также сформулирован перечень мероприятий по выработке косвенных оценок такого параметра как внутриоборотная нестабильность угловой скорости вращения. Очевидным преимуществом предложенной к практической реализации схемы должно стать комплексное решение в организации режимов работы сервосистемы с одновременной оценкой динамических погрешностей используемых для формирования управляющих сигналов датчиков углов.
В рамках дальнейшей работы над ИСНУД предполагается введение новых методов и режимов аттестации, которые позволят создать испытательное оборудование, полностью имитирующее реальные условия использования ИНС и предоставляющее требуемую точность при испытании систем навигации и ориентации.
ЛИТЕРАТУРА
1) «IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Single-Axis Laser Gyros»
2) (R2005) «IEEE Specification Format Guide and Test Procedure for Two-Degree-of-Freedom Dynamically Tuned Gyros»
3) (R2003) «IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Single-Axis Interferometric Fiber Optic Gyros»
4) «Specification Format Guide and Test Procedure for Coriolis Vibratory Gyros»
5) P836/D7 (June 2006) «Draft Recommended Practice for Precision Centrifuge Testing of Linear Accelerometers»
6) Лазерные системы динамической аттестации угловых преобразователей различного типа [Текст] / , , . // 2 С.-Петерб. междунар. конф. по гироскопической технике и навигации. 24-25 маяг. - Ч.1. - С.128-132.
7) Агапов, и исследование лазерных гониометрических систем контроля преобразователей угла [Текст]: дис. канд. техн. наук: 05.11.16/ . – СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008. – 143 с.
8) Гончаров, и исследование динамического гониометра на основе фотоэлектрического преобразователя угла [Текст]: дис. канд. техн. наук: 05.11.16/ . – СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. – 126 с.
9) , Емельянцев системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов / Под общ. ред. академика РАН . Изд. 2-е, переработанное и дополненное. – СПб.: ГНЦ РФ «ЦНИИ «Электроприбор», 2003. – 390 с.
