автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка и исследование методов испытаний микромеханических инерциальных модулей

005000793

Иванов Павел Алексеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ

Специальность: 05.11.16- Информационно-измерительные

и управляющие системы (приборостроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 7 НОЯ 2011

Санкт-Петербург - 2011

005000793

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Боронахин Александр Михайлович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Антонюк Евгений Михайлович

1

кандидат технических наук Литвиненко Юлия Александровна

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева.

Защита состоится « 7 » декабря 2011 г. в 13 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д.5, ауд.5108.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « 3 » ноября 2011 г.

Учёный секретарь совета, к.т.н., доцент

Боронахин А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перспективы развития современных навигационных комплексов связаны с созданием инерциальных навигационных систем (ИНС), обладающих малыми массой, габаритными размерами, энергопотреблением и себестоимостью. Обеспечение требуемой точности таких систем достигается благодаря их комплексированию со спутниковыми системами навигации, магнитными компасами, датчиками пройденной дистанции и т.д. В качестве элементной базы могут рассматриваться, в первую очередь, микромеханические гироскопы (ММГ) и акселерометры (ММА). Интенсивность развития таких датчиков позволяет предполагать возможность достижения в ближайшее время точностных характеристик некоторых макроаналогов. Кроме того, ММГ и ММА разрабатываются и производятся в рамках технологии микросистемной техники, которая, в свою очередь, является одной из официально объявленных критических технологий Российской Федерации.

Проектирование ИНС предполагает исследование инструментальных погрешностей трехосного блока ее чувствительных элементов. Анализ используемого на сегодняшний день испытательного оборудования выявил ряд его существенных недостатков. Во-первых, большинство стендов сориентировано, прежде всего, на проведение испытаний и калибровки макроаналогов миниатюрных ИНС и не удобны для задания некоторых режимов, обусловленных особенностями систем на микромеханических датчиках. Во-вторых, функциональность стендов определена рекомендациями международной организации ШЕЕ по калибровке инерциальных датчиков, предполагающих 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 с использованием оптимальных методов обработки, например, с помощью обобщенного фильтра Калмана (ОФК), предполагающего формирование вектора измерений по данным об угловой ориентации, задаваемой средством испытаний.

Исследование погрешностей чувствительных элементов, входящих в состав ИНС, должно быть реализовано независимо от погрешности начальной установки средства испытаний относительно плоскости горизонта, что позволило бы исключить необходимость установки такого оборудования на «развязанный фундамент».

Целью работы являются разработка и исследование методов испытаний микромеханических инерциальных модулей.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

1. Анализ современного состояния рынка ММГ и ММА и систем на их основе, а также методов и средств их испытаний;

2. Разработка методов, позволяющих исключить ряд источников погрешностей, свойственных традиционным методам и схемам калибровки инерциальных датчиков, а также повысить точность и достоверность результатов испытаний ММА и ММГ;

3. Исследование методов оценки контролируемых характеристик средств испытаний;

4. Разработка метода оценки отклонения от перпендикулярности осей средства испытаний;

5. Разработка опытного образца двухосного стенда для испытаний микромеханических чувствительных элементов (ММЧЭ) и ИНС на их основе;

6. Экспериментальные исследования достоверности полученных результатов.

Методы исследований включают в себя методы математического анализа и линейной аппроксимации, методы статистической обработки экспериментальных данных, методы математического и имитационного моделирования. Метрологическое обеспечение основано на бесконтактных методах контроля. Кроме того, решение поставленных задач базируется на основных положениях теории инерциальной навигации и принципах разработки и построения механических приборов и систем (технологии приборостроения).

На защиту выносятся:

1. Метод калибровки триады ММА, предполагающий определение ее параметров независимо от погрешности начальной установки средства испытаний относительно плоскости горизонта, позволяет повысить достоверность и точность результатов испытаний объекта и исключить необходимость использования «развязанного фундамента»;

2. Метод калибровки триады ММГ, предполагающий динамическое изменение задаваемых угловых скоростей и совместную обработку выходных сигналов объекта испытаний и датчиков угла (ДУ) средства испытаний, позволяет в дополнение к стандартной схеме калибровки уточнять параметры соответствующих чувствительных элементов;

3. Метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей, основанный на использовании оптических (бесконтактных) средств измерений повышает достоверность определения инструментальных погрешностей двухосного средства испытаний.

Научная новизна. В процессе проведения работы получены новые научные результаты:

• С целью повышения достоверности и точности результатов испытаний объекта разработан метод калибровки триады ММА, который позволяет определять параметры соответствующих чувствительных элементов независимо от погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта;

• С целью уточнения параметров ММГ разработан метод калибровки, который предполагает совместную обработку выходных сигналов объекта испытаний и ДУ средства испытаний;

• Для повышения достоверности определения контролируемых характеристик двухосного стенда разработан метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей, основанный на использовании оптических (бесконтактных) средств измерений.

Достоверность научных и практических результатов подтверждается использованием современных научных методов, апробацией результатов в практических условиях, критическим обсуждением результатов работы на научно-технических конференциях. Метрологическое обеспечение прошло предварительную экспертизу в ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.

Практическая ценность работы

1. Разработан опытный образец стенда для испытаний ММЧЭ и ИНС на их основе;

2. Разработан и апробирован метод калибровки триады ММА, методическая погрешность которого составляет порядка 0,01 м/с2, при инвариантности к погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта;

3. Разработан и апробирован метод калибровки триады ММГ, позволяющий обеспечить наблюдаемость и оценку всех параметров модели нескомпенсированных погрешностей соответствующих датчиков;

4. Разработан и реализован метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей стенда с точностью 3".

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты исследований использовались при выполнении научно-исследовательских работ: 2009-2011 гг. № У-2009-2/4 и № У-2010-3/5 «Разработка двухосного автоматизированного стенда для испытаний микромеханических модулей» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере; 2007-2011 гг. №6558/ЛИНС-48 «Разработка автоматизированных средств исследования метрологических характеристик инерциальных навигационных систем»; 2008-2009 гг. №6815/ЛИНС-58 «Двухосный автоматизированный стенд для испытания

микромеханических модулей»; 2010-2011 гг. ЛИНС-62 «Стенд автоматизированный для испытания микромеханических модулей».

Результаты, полученные в работе, могут быть использованы в учебном процессе в соответствующих образовательных учреждениях, а также при проведении работ в научно-исследовательских институтах, конструкторских бюро и т.п. Апробапия работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, Россия, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009, 2010,2011 гг.);

2. XVIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, Россия, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2011 гг.);

3. Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), (2009,2010,2011 гг.), Санкт-Петербург, Россия;

4. 3-я Всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» «СУДОМЕТРИКА-2010», Санкт-Петербург, Россия;

5. Петербургской технической ярмарке (2011 г.), Саша-Петербург, Россия.

Публикации

Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 9 публикациях, среди которых 4 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 1 статья в другом издании, 4 - в научных сборниках и трудах российских и международных конференций. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 48 наименований. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, включает 71 рисунок и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность работы, определяется цель и формулируются задачи исследования.

В первой главе представлены сведения о современном состоянии и тенденциях развития ММЧЭ и систем на их основе. Выполнен обзор традиционных методов и средств испытаний измерительных модулей на ММА и ММГ. Кроме того, изложены и проанализированы источники погрешностей, оказывающие влияние на результаты испытаний по рассмотренным методам и схемам.

Отмечается, что быстроразвивающийся глобальный рынок ММЧЭ к 2010 г. составил порядка 9 млрд. долл. США, что значительно превысило прогнозы, сделанные в 2003 г.

Системы на основе ММЧЭ получили широкое применение в различных областях, таких как: медицина, энергетика, нефтяная и газовая промышленность, автомобилестроение и др.

По точностным характеристикам ММГ пока проигрывают традиционным чувствительным элементам и относятся к категории грубых. Но, несмотря на это, они широко используются в гражданской и военной промышленности и уверенно занимают свою нишу на современном рынке датчиков угловой скорости. Прогноз состояния гироскопии на 2020 г. предполагает, что ММГ будет обеспечивать точность 0,01 "/час, что будет соответствовать высокому классу точности.

ММА занимают обособленное от остальных видов акселерометров положение. Сдвиг нуля ММА составляет 3 и более. Однако существуют промышленные образцы миниатюрных акселерометров среднего класса точности со сдвигом нуля 0,3

Точностные характеристики ММА и ММГ различных классов точности сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Точностные характеристики ММЧЭ

Класс точности Сдвиг нуля ММА, mg Случайный дрейф ММГ, "Мч Chrüioi перпенцикуля ение от рности осей, 0 Погрешность масштабного коэффициента, %

ММА ММГ ММА ММГ

' Низкий 05? ' 0,36 , ■ 0,1 ' ^ 0,1 "

Средний " ' 03 ■ . 0,03 0,057 • 0,036 ,' • 0,01 * 0,01 • '

■' , - ' ' ' j 'V- ■ " ••.и„«Щ .V , -vi

Достигнутый уровень разработки ММА и ММГ позволил многим производителям таких датчиков перейти к созданию инерциальных измерительных модулей (ИИМ) и систем. Темпы развития рынка ММЧЭ привели к тому, что требования к точностям таких датчиков и систем на их основе при решении задач навигации и ориентации с каждым днем ужесточаются, что, в свою очередь, приводит к необходимости совершенствования методов и средств испытаний таких систем.

Современные методы испытаний и калибровки инерциальных датчиков и определение их параметров (сдвига нуля, масштабного коэффициента и т.д.) основываются на международных стандартах IEEE, предполагающих реализацию серии позиционирований в гравитационном поле Земли и последовательности вращений с заданными угловыми скоростями вокруг всех осей связанной с ИИМ системы координат Oxyz. Для этих целей используют двухосные испытательные стенды, которые обеспечивают достоверное определение коэффициентов традиционных математических моделей выходных сигналов триад ММА и ММГ [<всф] соответственно:

>;р" К 0 0 1 ~а°у К ' X" ~KaJVx Kw,

w;> = 0 К 0 ■■ < 1 -у' w, + KFy K"„Wy Kwy

0 0 К_ -р: г; i KaJV! K"JVt

о>7 X' 0 0 " I -ч р; fl>, K'a X 0 0

< = 0 К 0 а. i -y! ау + 0 K>y 0

0 0 У1 1 a1 0 0 KL<oz

W

íC

W

"ya

CO X

ta У ■ + <V

(!) _ z.

(1)

(2)

где 1Ухвр, - выходные сигналы триад ММА и ММГ соответственно;

К", К", К", Кгх,Кгу,Кгг - масштабные коэффициенты ММА и ММГ;

- углы, характеризующие положение измерительных осей ММА и ММГ относительно осей связанной системы координат; 1УХ, IVу, У/г - проекции действующего ускорения на оси связанной системы координат; юх,ыу,а>! - проекции действующей угловой скорости на оси связанной системы координат; К^К'^К^ - коэффициенты нелинейности выходной

характеристики ММА и ММГ; К^К^К^К^К^К^ - коэффициенты перекрестных

связей ММА; mi0, ш>0,ш20- сдвиги нулей ММА и ММГ.

В настоящее время существует достаточно большое количество модификаций двухосных стендов, сориентированных, в первую очередь, на испытания макроаналогов ММА и ММГ. Среди компаний, производящих такое оборудование, лидирующие позиции занимают ACUTRONIC, ACTIDYN, IDEAL AER0SM1TH, iMAR и др. Однако, учитывая массовость производства ММЧЭ различного назначения, остро стоит вопрос о потребностях производителей таких датчиков в доступных малогабаритных средствах испытаний для оснащения соответствующих лабораторий технического контроля.

Кроме того, анализ стандартных методов и схем калибровки триад ММА и ММГ выявил ряд источников погрешностей, которые оказывают влияние на результаты испытаний:

• погрешность ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта;

• инструментальные погрешности средства испытаний;

• неадекватность математических моделей выходных сигналов ММА (1) и ММГ (2).

Это обстоятельство приводит к довольно жестким требованиям по установке средства испытаний относительно плоскости горизонта и оснащению производственных лабораторий «развязанным» фундаментом. Кроме того, зависимость результатов калибровки ММЧЭ от инструментальных погрешностей средств испытаний накладывает требования на технические характеристики последних.

Таким образом, необходимо разработать новые методы калибровки ММЧЭ, способные обеспечивать оценку параметров инерциальных датчиков на требуемом уровне точности (табл. 1), а также разработать опытный образец малогабаритного стенда, способного реализовать такие методы.

Во второй главе представлены результаты разработки методов калибровки триад ММА и ММГ, позволяющих исключить ряд источников погрешностей, свойственных традиционным методам и схемам, а также повысить точность и достоверность результатов испытаний.

Оси средства испытаний, представляющего собой двухстепенной карданов подвес, будем называть большая и малая соответственно.

Погрешность ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта характеризуется тремя углами:

• Ду - отклонение большой оси средства испытаний от плоскости горизонта;

• ДО - отклонение малой оси средства испытаний от вертикали места;

• Дк - отклонение связанной системы координат Oxyz от базовой <Эхг>'222 •

Переход от горизонтной системы координат (Og<]Q к связанной Oxyz может быть записан как последовательность разворотов на плоские углы: Ау -> Д9 -» а Дк -» (3 (рис.1), где а - угол разворота по большой оси стенда, р - угол разворота по малой оси стенда. Проекции линейного ускорения (гравитационного ускорения Земли) на оси приборной системы координат имеют вид:

Wx = -g(sin a cos р - Akshi a sin Р - Ду sin (3 + Дб cos а cos Р) Wy = я(Ду cos р + sin а sin р + Дк sin а cos р + Д9 cos а sin Р) Wz = g(cos<x — Д9 sin а).

Рисунок 1 - Ориентация связанной системы координат относительно горизонтной

Для дальнейшего рассмотрения предложенного метода целесообразно в выражение (1) ввести следующее преобразование:

Ках О О О к; О О О К"

1 -«; < 1 -р; г;

р:

1

А', К. 2 К3

АГ4 К5 К6 К-, К% Кд

(4)

Анализ модели (1) и преобразования (3) показал, что могут быть получены выражения, при которых оценки параметров триады ММА инвариантны к погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта:

а, = + ЛГ3 + + .¡V,! =

4-Ж,

>•0

4 сое2 Лц/ ■ сое2 Д9+4 •

4-Ж,

>о

4.А, # • соэ Ду ■ соэ Д9 '4

«2 = ЛГ, + ^з-ЛГ,-Л^,! = •^•соэ Ду^соэ ДО г 4-А.-г

^•созДу-соэДЭ 4-^-в.

4-Касоэ2 Д9 - сое2 Ац1 • сое2 Дк+4 • Щ,с

А-Ш.

уО

4-Ж„

4-Г.

>0

-4 ■ • й • соя • сое Дв - соэ Дк "-4-К, ■ё

-4-^-созД\1/.созД0-(ЛГ4 'СозДк-Л", -втДк) £ -4-К4 •ё

-4-К, ^-созДу-созДО-созДк -4-К,

4 ■ Кyy-g1- cos! Д9 • cos2 Ду • cos2 Дк+4 • Wc

4-JK.

4-K№-g2+4-W.

«6 =N6-Nt-Nu+Ni6 =

4 • g ■ cos Ду • cos Д0 • (K2 ■ cos Дк+AT, • sin Дк) 4-Ks • g ■ cos Ay • cos AG • cos Дк 4 ■ iQ • g ■ cos Ay • cos ДО ■ cos Дк

"4 .K2.g

£ 4 .K,.g

4-Kt-g

где N1 (/=1,2—16) - показания ММА [^пр]| ^ в определенных угловых положениях, задаваемых стендом (табл. 2).

Таблица 2 - Положения осей стенда при калибровке триады ММА

№ а р № а Р № а Р № а Р

1 0 5 0 9 0 13 0

2 n nil 6 тс/2 я/2 10 я л/2 14 Зл/2 я/2

3 л 7 я И я 15 я

4 Зя/2 8 Зя/2 12 Зя/2 16 Зя/2

Значения углов Дц/ и Д0 определяются средствами контроля, используемыми при начальной установке (уровни, квадранты и т.п.) и обычно составляют ~1 угл. мин. Значение угла Дк определяется требованиями к специальной плите, предназначенной для крепления испытуемого объекта на планшайбу стенда. Современный уровень обработки металлов на производстве позволяет обеспечить это значение также на уровне 1 угл. мин.

Тогда с учетом выражения (4) можно оценить элементы математической модели выходных сигналов триады ММА (1):

i, оХк)

• коэффициенты пропорциональности: К, =—'-—, где /-1...9; /-2,4,6; ¿=1,2,3

4-g

соответственно;

а.(к)

• сдвиги нулей: Wl0 = ——, где /=1,3,5; £=1,2,3 соответственно;

4

а (k)-A-W.

• коэффициенты нелинейности: К„ = -i--——, где /=/=1,3,5; Л=1,2,3

4-Г

соответственно.

Определенные соответствующим образом параметры триады ММА в силу независимости коэффициентов от углов Ду, Д9 и Дк характеризуют предложенный

метод как инвариантный к погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта.

Анализ погрешности разработанного метода показал, что для калибровки триады ММА среднего класса точности (табл. 1) необходимо средство испытаний, обладающее следующими техническими характеристиками:

• погрешность позиционирования по обеим осям Да и Др не более 20";

• отклонение от перпендикулярности осей у не более 20" (причем значение Ду -погрешность оценки отклонения от перпендикулярности осей, не должно превышать 10-).

В дополнение к стандартной схеме калибровки триады ММГ, рекомендованной международными стандартами IEEE (глава 1), может быть предложен следующий метод

ее калибровки, предполагающий динамическое изменение задаваемых средством испытаний угловых скоростей и совместную обработку выходных сигналов объекта испытаний и датчиков угла (ДУ) средства испытаний. Структура метода представлена на рисунке 2.

Средством испытаний задаются тестовые воздействия, например, квазигармонические колебания а(7) и (3(7). По выходным сигналам триады ММГ с использованием известных элементов ее математической модели (блок преобразования (2)) рассчитываются проекции относительной угловой скорости <вх, ту, со, на оси связанной системы координат. Кроме того, необходимо учитывать влияние линейного ускорения на показания ММГ [ю8]. Для этого в математическую модель выходных сигналов триады ММГ (2) необходимо добавить слагаемое вида:

СО® ¿1 ¿3

со* У = ¿4 ¿5 Ь6 г,

А А А. К.

где Ь, - коэффициенты, характеризующие чувствительность ММГ к проекциям линейного ускорения на связанные оси Охуг (/=1,2...9) рГ], которые, в свою очередь, в штатном режиме вырабатываются триадой ММА, входящей в испытуемый НИМ.

Рисунок 2 - С труктура метода калибровки триады ММГ

Проинтегрировав полученные по выходным сигналам триады ММГ проекции угловой скорости [и], можно определить значения углов а и Р, сравнить их с показаниями ДУ стенда а' и р* и сформировать тем самым вектор измерений У. После чего, используя обобщенный фильтр Калмана (ОФК), производится оценка остаточных погрешностей триады ММГ, модель которых можно представить в следующем виде:

8<вх =5'со, +8АГХ +а>, ~Р>г +5ю®, 8соу = 8'<ву +8К*<оу -а^ш, +у>2 + <в* +6ш®, 8(0, = 8'еог +8К;сог -у'уюу +&»?,

где 5'ш^, 8'<ar, ô'w_. - систематические составляющие сдвигов нулей; 8К*, ЬКгу, 8К* -погрешности масштабных коэффициентов; ôcaf, Зш®, ôcof - «белошумные» составляющие, характеризующие флуктуационные погрешности датчиков.

Используя выражение (б), был предложен следующий вид вектора состояния:

X = [Sa 8р5'шх Ь'Юу 5'сог Щ Щ ЬКг2 агу pf агх f2 fy Lx ^ ¿3 Ц L5 ¿6 ¿7 Ц, Ц]т. (7)

Формирование математической модели ОФК потребовало также проведения исследований случайных составляющих погрешностей ММГ, которые в результате были описаны случайным процессом типа «белый» шум.

Спектральный анализ сигналов, описанных выражением (6), показал, что при задании квазигармонических колебаний относительно двух осей (a(f) и |3(i)) с периодами 7\ и Тг, при 7\ = 3 Tj, инструментальные погрешности ММГ будут сосредоточены на 1, 2, 3, 4, б и 8 гармониках (7\), которых достаточно для аналитической оценки 7-ми коэффициентов каждого датчика. Это послужило критерием выбора характера движения при калибровке и обеспечило в дальнейшем наблюдаемость вектора состояния X по измерениям У (см. рис, 2).

Третья глава посвящена исследованию и разработке метрологического обеспечения двухосных испытательных стендов, к контролируемым характеристикам которых относятся:

• погрешность позиционирования по обеим осям стенда;

• погрешность задания угловой скорости и ее нестабильность в среднем за оборот;

• отклонение от перпендикулярности двух осей.

Погрешность позиционирования по обеим осям оценивается с помощью известного метода определения точности углов поворота [1].

При контроле угловой скорости различают два основных метода косвенных измерений [2]:

• метод фиксированного времени;

• метод фиксированного угла.

Преимущественным с точки зрения технической реализуемости является метод фиксированного угла (360°), поэтому погрешность задания угловой скорости и ее нестабильность рассчитываются в среднем за один оборот.

Для определения отклонения от перпендикулярности двух осей в машино- и приборостроении наиболее часто используются два метода:

• с помощью коленчатой оправки с прибором для измерения длин и контрольной оправки [1];

• с помощью рамного уровня и контрольных оправок [1].

Представленные методы имеют ряд принципиальных ограничений, связанных, прежде всего, с особенностями применяемых контактных средств измерений и контроля, таких как рамные уровни и контрольные оправки, требующие обеспечения одновременной физической доступности к обеим осям установки, что не всегда возможно.

Таким образом, необходимо разработать и апробировать новый метод оценки отклонения от перпендикулярности, не требующий одновременной физической доступности к осям стенда и способный обеспечивать точность определения искомого параметра на уровне ±10" (см. главу 2).

На рисунке 3 представлена схема реализации предлагаемого метода, суть которого заключается в формировании осями стенда опорной плоскости и в определении искомого параметра по изменению угловой ориентации малой оси при ее развороте вокруг большой оси на 180°. Для организации угловых измерений предлагается использовать автоколлимационные устройства, расположенные в вершинах пространственного

треугольника, лежащего, в свою очередь, в опорной плоскости. В качестве последней целесообразно выбрать плоскость горизонта. Для передачи положения малой оси предлагается использовать отражающую поверхность, например, грань многогранной призмы (или оптическое зеркало).

3

Рисунок 3 - Схема реализации метода оценки отклонения от перпендикулярности осей

Для угловых измерений могут быть использованы автоколлимационные теодолиты (Т1, Т2, ТЗ), которые должны быть предварительно отгоризонтированны и сориентированы по высоте друг относительно друга с точностью:

где р - величина углового поля зрительной трубы прибора, I - наименьшее расстояние визирования без дополнительных насадок для автоколлимационного устройства.

Обеспечив оптическую связь между приборами и реализовав соответствующие рисунку 3 развороты можно измерить все углы пространственного треугольника а], с^ и аз, исключив при этом влияние на результат измерения величины пирамидальности призмы 8 (заклона зеркала).

После чего, исходя из известного правила суммы углов треугольника (рис. 3), рассчитывают величину отклонения от перпендикулярности двух осей:

_ (180°-(а] +а2 +аз)) Гс _ .

Точность оценки искомого параметра будет определяться техническими характеристиками используемых в методе средств измерений, а также погрешностями их ориентации относительно плоскости горизонта. С использованием направляющих косинусов и теории конечных поворотов получена зависимость погрешности

предлагаемого метода от совокупности погрешностей, как поверяемого объекта, так и инструментов поверки:

2(у с + Ду с) = (5 + у с + ДасДРс + с cos pt - cyt sin рт + 2cos Рг + cm sin Рт + су с sin Рт -

- 2MZl cos рт - 2Арс/ cos pr - 2yTl cos Рт - сДР5 sin рт - cMZ sin pt) /

/(Дас2 + Дрс2 + MZ1 + 62 + yc2 + y,2 +1) + (АасДРс cos 2рт + 2Да CMZ cos 2рт + + 2Дасут cos2PT - 2Даcm cos 20г - Дасц/с cos 2РТ - Apc5sin 2pt - 5yc sin 2рт + ycy c sin 2Pt) / /(Дас2 + ДРС2 + MZ1 + S2 + ут2 + +1) - (8 cos 2РТ - уе cos 2р, + Да„cos 2РТ -

- ДРС5 sin 2РТ - 2A/Z5sin 2pt + ДРсус sin 2РТ + 2Шуе sin 2Pr - 25у,. sin 2РТ + 2ycv|»c sin 2рт) / /(Дас2 + ДРС2 + MZ1 + 52 + уг2 + у/ + Vc2 +1),

где Дас,Дрс, Д\^с,ДОс,ус - погрешности поверяемого стенда (погрешности позиционирования, ориентации относительно горизонта и отклонение от перпендикулярности осей соответственно); c,MZ,m,l, у7 - паспортные данные средств измерений (коллимационная ошибка, место пуля, погрешности выставки прибора в плоскости горизонта и отклонение от перпендикулярности его осей соответственно); Рт -отсчет прибора по вертикальному кругу; 5 - пирамидальность призмы (заклон зеркала).

После преобразований была получена оценка искомой погрешности Аус в случае использования в качестве средств измерений автоколлимационных теодолитов серии ЗТ2КА:

Дус = 3,01".

Анализ показал, что основной вклад в погрешность предложенного метода вносит величина коллимационной ошибки теодолита с, однако при работе с теодолитами методом полного приема (двумя кругами) величину данной погрешности можно существенно снизить.

В главе 4 приводится результат разработки опытного образца двухосного автоматизированного стенда, с помощью которого реализованы экспериментальные исследования миниатюрного ИИМ по разработанным в главе 2 методам.

На основании структурной схемы стенда (рис. 4) и требований к его техническим и эксплуатационным характеристикам, выработанным в предыдущих главах работы, выбраны соответствующие комплектующие.

Механическая часть стенда представляет собой двухстепенной карданов подвес, на каждой из осей (малой и большой) которого установлены датчики угла (углового положения) и бесконтактные моментные двигатели (сервомоторы). Для сбора и предварительной обработки информации с ДУ и испытуемого объекта (электронный блок синхронизации), а также для управления сервомоторами (система управления) используется электронный блок. Формирования команд в систему управления осуществляется с использованием персонального компьютера (ПК), который также служит для обработки и хранения измерительной информации.

Электронный блок СШЩ>ОМПН1*НИ 1 1

1 1

Рисунок 4 - Структурная схема стенда

Согласно методике поверки, представленной в главе 3, было проведено исследование контролируемых параметров стенда, в том числе апробирован предложенный метод оценки отклонения от перпендикулярности его осей.

а)

Рисунок 5 - Стенд, внешний вид с установленным ИИМ (а) и окно интерфейса программного обеспечения (б)

Для реализации разработанных в работе методов испытаний триад ММА и ММГ выработаны рекомендации по функционалу интерфейса программного обеспечения стенда (рис. 5 (б)), которое должно позволять:

• создавать сценарии и автоматизировать испытания инерциальных датчиков согласно требованиям международных стандартов IEEE и по предложенным в главе 2 методам калибровки («Ручной режим», «Создание сценария» и «Выполнение сценария»);

• задавать движения, например, квазигармонические колебания, характерные для потенциального носителя;

• контролировать дебаланс осей стенда в зависимости от массогабаритных характеристик испытуемого объекта (режим «Балансировка»);

• обеспечивать трансляцию потребителю в режиме реального времени показаний ДУ стенда, что дает возможность более глубокого анализа качества работы ИИМ.

Апробация предложенного метода калибровки триады ММА была выполнена следующим образом:

1. Начальная установка испытуемого объекта на планшайбе стенда (рис. 5 (а)), предварительно отгоризонтированой поверенньм цилиндрическим уровнем (погрешность - 15");

2. Съем и обработка данных:

2.1. в соответствии со стандартной схемой калибровки ММЧЭ;

2.2. в соответствии с предложенным алгоритмом в положениях из таблицы 2;

3. С использованием «Ручного режима» ПО стенда изменение угла Д8 на 0,1°;

4. Повторный съем и обработка данных согласно пп. 2.1 и 2.2.

На рисунках 6, 7 представлены графики погрешности аппроксимации экспериментальных данных, полученных по стандартной схеме калибровки триады ММА и по предложенному методу соответственно (при позиционировании вокруг оси Ох) (а) -до изменения угла Д6, б) - после изменения угла Д0).

Рисунок 6 - Результат обработки экспериментальных данных, полученных по стандартной схеме калибровки триады ММА

Рисунок 7 - Результат обработки экспериментальных данных, полученных по предложенному методу

Видно, что в первом случае изменение угла Д0 напрямую оказывает влияние на результаты оценки параметров математической модели (1), тогда как во втором -погрешность калибровки остается на одном уровне, порядка 0,01 м/с2, что подтвердило

вывод об инвариантности метода к погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта.

Для апробации метода калибровки триады ММГ стендом, на планшайбе которого установлен ИИМ (рис. 5 (а)), задавались квазигармонические колебания по обеим осям в соответствии со следующими законами движения:

а =Аа /7)), р = Ае /Т2),

где Аа и .Лр- амплитуды колебаний по большой и малой осям стенда соответственно, Т\ и Тг - периоды этих колебаний.

Параметры колебаний выбирались таким образом, чтобы обеспечить калибровку триады ММГ в их рабочем диапазоне угловых скоростей (±75%): Ла=360°, ^=90°, ГгЗО е., 72=10 с.

В результате работы ОФК были получены оценки X вектора состояния (7). На рисунке 8 (а) представлен график оценок масштабных коэффициентов бЩ (I = х, у, г) триады ММГ. На рисунке 8 (б) приведены графики СКО ошибок соответствующих оценок, вырабатываемых в ковариационном канале, а их уменьшение со временем подтверждает факт наблюдаемости, что свидетельствует о корректности работы ОФК.

ЩЛ

0,2

0,0-.J ja3®*"*

-0,4 -0.6 ■-0,8 -1,0

О too 200 300 400 500 600

a) t, с

1,00Л-

100 200 300 400 500 600

б) t, С

Рисунок 8 - Оценки погрешностей масштабных коэффициентов триады ММГ и их СКО

-5-I-,-,-.-,-.-,---1---,-,-,— -,-,-,-,---,---,-,-,-,-<_

0 100 200 300 400 500 600 0 100 200 300 400 500 600

а) /, с б) г, с

Рисунок 9 - Разность значений углов, полученных от ДУ стенда, и соответствующих значений, выработанных блоком ММГ

На основе ранее определенных с использованием стандартной калибровки параметров математической модели (2), получены численные оценки всех параметров

вектора состояния (7). На рисунке 9 (а) показана разность значений углов, полученных от ДУ стенда, и соответствующих значений, выработанных триадой ММГ, т.е. элементов вектора измерений Y (рис. 2), а на рисунке 9 (б) представлена погрешность оценки этих элементов.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

1. Проанализированы недостатки стандартных методов и средств испытаний инерциальных чувствительных элементов. Выявлены основные источники погрешностей таких испытаний.

2. Разработан и апробирован метод калибровки триады ММА, методическая погрешность которого составляет порядка 0,01 м/с2 при инвариантности к погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта.

3. Разработан и апробирован метод калибровки триады ММГ, позволяющий обеспечить наблюдаемость и оценку всех параметров модели нескомпенсированных погрешностей соответствующих датчиков;

4. Разработан опытный образец стенда, предложена программа и методика оценки его контролируемых характеристик. Разработан и реализован метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей стенда с точностью 3".

Цитируемая литература

1. Станки металлорежущие. Схемы и способы измерений геометрических параметров [Текст]: ГОСТ 22267 - 76. - Введ. 1.01.88. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - С. 87-90.

2. Иванов, В.А. Метрологическое обеспечение гироприборов [Текст] / В.А. Иванов. -Л.: Судостроение, 1983. - 180 е., ил.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Содержание диссертации опубликовано в работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Иванов, П. А. Исследование погрешностей триады микромеханических гироскопов с использованием малогабаритного двухосного стенда / A.M. Боронахин, П.А. Иванов, И.Л. Суров //Нано- и микросистемная техника.-2010. -№1.- С. 35-41.

2. Иванов, П. А. Коррекция влияния линейного ускорения на показания микромеханического гироскопа / A.M. Боронахин, П.А. Иванов, И.Л. Суров // Нано- и микросистемная техника. - 2010. - №7. - С. 41-44.

3. Иванов, П.А. Исследование влияния инструментальных погрешностей испытательного средства на результаты калибровки блока микроакселерометров / A.M. Боронахин, П.А. Иванов, И.Л. Суров // Нано- и микросистемная техника. -2011.-№3.-С. 9-11.

4. Иванов, П.А. Концепция построения испытательного оборудования для калибровки систем навигации и ориентации / П.А. Иванов [и др.] // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. - Вып. 8. - С. 76-82.

Другие статьи и материалы конференций:

5. Двухосный автоматизированный стенд для испытаний микромеханических модулей / П.А. Иванов // Навигация и управление движением: материалы докл. XI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». - 2009. - С. 208-214.

6. Исследование влияния линейного ускорения на показания микромеханических гироскопов / П.А. Иванов, И.Л. Суров // Навигация и управление движением: материалы докл. XII конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». - 2011. - С. 355-361.

7. Алгоритм испытаний триады гироскопов на двухосном испытательном стенде/ П.А. Иванов [и др.] // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. - Вып. 8. - С. 26-34.

8. Средства испытаний инерциальных систем и их чувствительных элементов / A.M. Боронахин, П.А. Иванов, Е.Д. Бохман, Ю.В. Филатов, И.Л. Суров // материалы докл. XVIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». -2011. - С. 34-41.

9. Иванов, П. А. Разработка двухосного автоматизированного стенда для микромеханических модулей / П.А. Иванов // «У.М.Н.И.К.» в Санкт-Петербурге: разработки победителей конкурса протраммы Фонда содействия малых предприятий в научно-технической сфере «У.М.Н.И.К.». - СПб.: Изд-во Политех Ун-та,2010.-С. 47-49.

Подписано в печать 02.11.11. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 107.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИСПЫТАНИЙ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1 Современное состояние микромеханических чувствительных элементов (ММЧЭ) и систем на их основе.

1.2 Традиционные методы и схемы калибровки ММЧЭ.

1.2.1 Описание систем координат и переходов между ними.

1.2.2 Математические модели выходных сигналов ММА и ММГ.

1.2.3 Стандартная.схема калибровки триад-ММА и ММГ.

1.2.4 Обработка данных стандартной калибровки.

1.2.4.1 Оценка параметров математической модели выходных сигналов триады ММА.

1.2.4.2 Оценка параметров математической модели выходных сигналов триады ММГ.

1.3 Анализ источников погрешностей стандартной калибровки ММЧЭ

1.3.1 Погрешность ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта.

1.3.2 Инструментальные погрешности испытательного средства.

1.3.3 Неадекватность математических моделей выходных сигналов триад ММА и ММГ.

1.3.4 Погрешность аппроксимации данных, полученных при калибровке.

1.4 Современное состояние средств испытаний инерциальных ЧЭ и систем на их основе.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ММЧЭ И СИСТЕМ НА ИХ

ОСНОВЕ.

2.1 Метод калибровки триады ММА.

2.1.1 Анализ инструментальной погрешности калибровки триады ММА предложенным методом.

2.2 Влияние линейного ускорения на показания триады ММГ.

2.3 Метод калибровки триады ММГ.

2.3.1 Алгоритм обобщенного фильтра Калмана (ОФК).

2.3.1.1 Общие сведения.

2.3.1.2 Описание алгоритма работы.

2.3.1.3 Модель погрешности алгоритма.

2.3.1.4 Исследование случайных погрешностей.

2.3.1.5 Математическое описание алгоритма.

2.3.2 Анализ погрешности метода калибровки триады ММГ.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ СРЕДСТВА ИСПЫТАНИЙ'ММЧЭ И СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ.

3.1 Традиционные способы аттестации двухосных установок.

3.1.1 Методы оценки погрешности позиционирования (точности углов разворота).

3.1.2 Методы оценки погрешности'задания угловой скорости и ее нестабильности в среднем за оборот.

3.1.3 Методы.оценки отклонения от перпендикулярности осей стенда.

3.2 Метод оценки отклонения от перпендикулярности осей.

3.2.1 Анализ погрешности метода оценки отклонения от перпендикулярности осей.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ММЧЭ НА ДВУХОСНОМ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ СТЕНДЕ.

4.1 Принцип построения и описание стенда двухосного автоматизированного.

4.1.1 Структурная схема стенда.

4.1.1.1 Механический агрегат.

4.1.1.2 Электронный блок.

4.1.2 Стенд двухосный автоматизированный. Внешний вид и технические характеристики.

4.1.3 Программное обеспечение стенда.

4.1.4 Результаты испытаний опытного образца стенда.

4.2 Испытания ИИМ по предложенным методам калибровок.

4.2.1 Объект испытаний.

4.2.2 Испытания триады ММА.

4.2.3 Испытания триады ММГ.

4.2.3.1 Описание эксперимента.

4.2.3.2 Результаты эксперимента.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы. Перспективы развития современных навигационных комплексов связаны с созданием инерциальных навигационных систем (ИНС), обладающих малыми массой, габаритными размерами, энергопотреблением и себестоимостью. Обеспечение требуемой точности таких систем достигается благодаря- их комплексированию со спутниковыми системами навигации, магнитными компасами, датчиками пройденной дистанции и т.д. В качестве элементной базы могут рассматриваться, в первую очередь, микромеханические гироскопы (ММГ) и акселерометры (ММА). Интенсивность развития таких датчиков позволяет предполагать возможность достижения в ближайшее время точностных характеристик некоторых макроаналогов. Кроме того, ММГ и ММА разрабатываются и производятся в рамках технологии микросистемной техники, которая, в свою очередь, является одной из официально объявленных критических технологий Российской Федерации.

Проектирование ИНС предполагает исследование инструментальных погрешностей трехосного блока ее чувствительных элементов. Анализ используемого на сегодняшний день испытательного оборудования выявил ряд его существенных недостатков. Во-первых, большинство стендов сориентировано, прежде всего, на проведение испытаний и калибровки макроаналогов миниатюрных ИНС и не удобны для задания некоторых режимов, обусловленных особенностями систем на микромеханических датчиках. Во-вторых, функциональность стендов определена рекомендациями международной организации IEEE по калибровке инерциальных датчиков, предполагающих 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 с использованием оптимальных методов обработки, например, с помощью обобщенного фильтра Калмана (ОФК), предполагающего формирование вектора измерений по данным об угловой ориентации, задаваемой средством испытаний.

Исследование погрешностей чувствительных элементов, входящих в состав ИНС, должно быть реализовано независимо от погрешности начальной установки средства испытаний относительно плоскости горизонта, что позволило бы исключить необходимость установки такого оборудования на «развязанный, фундамент».

Целью работы являются разработка и исследование методов испытаний микромеханических инерциальных модулей.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

1. Анализ современного состояния рынка-ММГ и ММА и систем на их основе, а также методов и средств их испытаний;

2. Разработка методов, позволяющих исключить ряд источников погрешностей, свойственных традиционным методам и схемам калибровки инерциальных датчиков, а также повысить точность и достоверность результатов испытаний ММА и ММГ;

3. Исследование методов,оценки-контролируемых характеристик средств испытаний;

4. Разработка метода оценки отклонения = от перпендикулярности осей средства испытаний;

5. Разработка опытного образца двухосного стенда для испытаний микромеханических чувствительных элементов (ММЧЭ) и- ИНС на их основе;

6. Экспериментальные исследования достоверности полученных результатов.

Методы исследований включают в себя методы математического анализа и линейной аппроксимации, методы статистической обработки экспериментальных данных, методы математического и имитационного моделирования. Метрологическое обеспечение основано на оптических методах контроля. Кроме того, решение поставленных задач базируется на основных положениях теории инерциальной навигации и принципах разработки и построения механических приборов и систем (технологии приборостроения).

Научная новизна. В процессе проведения работы получены новые научные результаты:

• С целью повышения достоверности и точности результатов испытаний объекта разработан метод калибровки триады ММА, который позволяет определять параметры соответствующих чувствительных эле

• ментов независимо от погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости' горизонта;

• С целью уточнения параметров ММГ разработан метод калибровки, который предполагает совместную обработку выходных сигналов объекта испытаний и датчиков угла средства, испытаний;

• Для повышения достоверности определения контролируемых характеристик двухосного стенда разработан метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей, основанный на использовании оптических (бесконтактных) средств измерений.

Достоверность научных и практических результатов подтверждается использованием современных научных методов, апробацией результатов в практических условиях, критическим обсуждением результатов работы на научно-технических конференциях. Метрологическое обеспечение прошли предварительную экспертизу в ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.

Практическая ценность работы

1. Разработан опытный образец стенда для испытаний ММЧЭ и ИНС на их основе;

2. Разработан и апробирован метод калибровки триады ММА, методиче-екая погрешность которого составляет порядка 0,01 м/с , при инвариантности к погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта;

3. Разработан и апробирован метод калибровки триады ММГ, позволяющий обеспечить наблюдаемость и оценку всех параметров модели не-скомпенсированных погрешностей соответствующих датчиков;

4. Разработан и реализован метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей стенда с точностью 3".

Реализация м внедрение результатов работы

Результаты исследований использовались, при выполнении научно-исследовательских работ: 2009-2011 гг. № У-2009-2/4 и, №У-2010-3/5 «Разработка двухосного автоматизированного стенда для испытаний микромеханических модулей» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» при^ поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в- научно-технической сфере; 2007-2011 гг. №6558/ЛИНС-48 «Разработка автоматизированных средств исследования метрологических характеристик инерциальных навигационных систем»; 2008-2009'гг. №6815/ЛИНС-58 «Двухосный автоматизированный стенд для испытания-микромеханических модулей»; 2010-2011 гг. ЛИНС-62.«Стенд автоматизированный для-испытания микромеханических модулей».

Результаты, полученные,в работе, могут быть использованы, в учебном процессе в соответствующих образовательных учреждениях, а также при проведении работ в научно-исследовательских институтах, конструкторских бюро и т.п.

Апробация, работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях:

1. Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, Россия, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009, 2010, 2011 гг.);

2. XVIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, Россия, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2011 гг.);

3. Научно-техническая конференция профессорско-преподавательскіох^о состава Санкт-Петербургского государственного электротехничесьсозгчэ университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), (2009, 2010, 20 X 1 гг.), Санкт-Петербург, Россия;

4. 3-я Всероссийская научно-техническая конференция «Измерения и: пытания в судостроении и смежных отраслях» <<СУДОМЕТРИЕС^^. 2010», Санкт-Петербург, Россия;

5. Петербургская техническая ярмарка (2011 г.), Санкт-Петербург, Россия.

На защиту выносятся:

1. Метод калибровки триады ММА, предполагающий определение ее параметров независимо от погрешности начальной установки средегзгіва испытаний относительно плоскости горизонта, позволяет повыс^аггь достоверность и точность результатов испытаний объекта и исклюй необходимость использования «развязанного фундамента»;

2. Метод калибровки триады ММГ, предполагающий-динамическое менение задаваемых угловых скоростей и совместную обработку выходных сигналов объекта испытаний и датчиков угла (ДУ) средсггьа испытаний, позволяет в дополнение к стандартной схеме калибр оівісц уточнять параметры соответствующих чувствительных элементов;

3. Метод оценки отклонения от перпендикулярности двух осей, основанный на использовании оптических (бесконтактных) средств измереанцй повышает достоверность определения инструментальных погрешностей двухосного средства испытаний.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Проанализированы основные сведения о современном состоянии и тенденциях развития ММЧЭ и систем на их основе, а также рассмотрены традиционные методы и схемы калибровки ММА и ММГ. Анализ показал:

• на результат калибровки ММЧЭ оказывает влияние погрешность, ориентация средства испытаний относительно плоскости горизонта, что приводит к довольно жестким требованиям по его выставке и к необходимости оснащения лаборатории «развязанным» фундаментом;

• результаты калибровки ММЧЭ и систем на их основе зависят от инструментальных погрешностей средства испытаний, что накладывает требования на его технические характеристики.

2. Разработан метод калибровки триады ММА, позволяющий оценить ее параметры независимо от погрешности ориентации средства испытаний относительно плоскости горизонта. Таким образом, повышается достоверность получаемых результатов и появляется возможность отказа от оборудования лабораторий технического контроля дорогостоящим «развязанным» фундаментом. Для средства испытаний, которое будет использоваться при реализации метода, выработаны требования по его техническим характеристикам,.таким как погрешность позиционирования по осям и отклонение от их перпендикулярности.

3. Разработан метод калибровки триады ММГ, подразумевающий комплексирование ИИМ с ДУ средства испытаний и обеспечивающий наблюдаемость и оценку всех параметров модели нескомпенсированных погрешностей соответствующих датчиков в заданном диапазоне угловых скоростей. СКО ошибок оценивания уменьшаются, достигая некоторых установившихся значений, величины которых зависят от уровня ошибок измерений и порождающего шума.

4. Создан опытный образец стенда, с помощью которого реализованы экспериментальные исследования миниатюрного ИИМ по предложенным методам. Выработаны рекомендации по функционалу интерфейса программного обеспечения стенда, которое должно позволять:

• создавать сценарии и автоматизировать испытания инерциальных датчиков согласно требованиям международных стандартов IEEE и по предложенным методам;

• задавать движения, характерные для потенциального носителя, например, квазигармонические колебания;

• контролировать дебаланс осей стенда в динамическом режиме в зависимости от массогабаритных характеристик испытуемого объекта;

• обеспечивать трансляцию потребителю в режиме реального времени показаний ДУ стенда, что дает возможность более глубокого анализа качества работы ИИМ.

5. Согласно предложенной методике поверки стенда, было проведено исследование его контролируемых параметров, в том числе апробирован разработанный метод оценки отклонения от перпендикулярности осей с точностью 3".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Памяти профессора Л.П. Несенюка. Избранные труды и воспоминания Текст. / Сост.: акад. РАН В.Г. Пешехонов [и др.] / СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. — 254 с.

2. Анучин, О.Н. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов Текст. / О.Н. Анучин, Г. И. Емельянцев/ Под общей-ред. акад. РАН ВТ. Пешехонова. СПб.:: ГНЦ РФ ОАО «Концерн><<ЦНИИ «Электроприбор», 2003*. — 390 с.

3. Advances нг Gyroscope Technologies / Mario N. Armenise at al. / Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2010, - P. 83-108.

4. Распопов, В.Я. Микромеханические приборы Текст.: учеб. пособие / В .Я. Распопов. — М.: Машиностроение, 2007. — 400 е.: ил.

5. Пешехонов; В.Г. Гироскопы XXI века Текст. / В:Г. Пешехонов^/ Ги- ■ роскопия и навигация. — 2003. — №4. — С. 5-18.

6. Лукьянов, Д.П. Микромеханические навигационные приборы Текст.: учеб: пособие / Д.П. Лукьянов, В .Я: Распопов, Ю.В. Филатов. — СПб.: Изд. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2008. - 204с. ,

7. Inertial Measurement Units and Inertial1 Navigation (http://www.vectomav.com/index.php?option=com content&view=article& id=21 &Itemid= 11V

8. Официальный интернет сайт компании Vectornav (http://www.vectomav.com/index.php?option=comcontent&view=article& id=14&Itemid=8).

9. Официальный интернет сайт компании Analog Devices. rhttp://www.analog.com/static/imported-files/data sheets/ADIS 16375.pdf).

10. Официальный интернет сайт компании Cloud Cap Technology. (http://www.cloudcaptech.com/crista imu.shtm).

11. Официальный интернет сайт компании Текнол (http://www.teknol.ru/products/products-new/companav-3/).

12. Официальный интернет сайт ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (http://www.elektropribor.spb.ru/rufrset.htmn.

13. Официальный интернет сайт компании Xsens (http://www.xsens.com/en/general/mti-g).

14. Draft Recommended Practice for Precision Centrifuge Testing of Linear Accelerometers. Working Draft P836/D7, June 2006.

15. IEEE Standart Specification Format Guidé and' Test Procedure for Single-axis. Interoferometric Fiber Optic. Gyros. Working .Draft P952/D25, June 1997. .•■, . . ;•

16. Синельников, A.E. Низкочастотные линейные акселерометры. Методы; и средства поверки^ ш градуировки Текст.? / А.Е. Синельников; — М: : Изд-во стандартов; —1979: — 176;с., ил.

17. Бесконтактные моментные двигатели ДБМ Текст.: Справ. / Товарищество «МЭЛМА». -1992. 90 с.

18. Официальный интернет сайт компании Ideal Aerosmith (http://www.ideal-aerosmith.com/).

19. Официальный интернет сайт компании iMAR (http://www.imar-паущайоп^еЛ.

20. Официальный интернет сайт компании Acutronic (http ://wvm.acutronic.comA^.

21. Официальный интернет сайт компании Actidyn (http;//www.actidyn.com/).

22. Maenaka, К. A study of silicon rate sensors using anisotropic etching technology / K. Maenaka, T. Shiozawa / Sensors and Actuators A. — 1994. -№43.-p. 72-77.

23. Иванов, П.А. Коррекция влияния линейного ускорения на показания микромеханического гироскопа Текст. / П.А. Иванов, И;Л. Суров // Нано- и микросистемная техника, М.: Изд. «Новые технологии». — 2010.-№7(120).- С. 41-44.

24. Степанов, O.A. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Ч. 1. Введение в теорию оценивания Текст. / O.A. Степанов. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». - 2010. - 509 с.

25. Гупалов, В.И. Инерциальные методы и средства определения параметров движения объектов и свойств рельсового пути Текст.: учеб. пособие / В.И. Гупалов, A.B. Мочалов, A.M. Боронахин. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2003. - 144с.

26. Матвеев, В.В. Основы- построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем, Текст. / В.В. Матвеев, В.Я. Распопов. — СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 2801 с.

27. Агапов, М.Ю. Разработка и исследование гониометрических систем контроля преобразователей угла Текст.: дис. канд. техн. наук: 05.11.16/ Агапов »Михаил Юрьевич. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009'. - 139 с.

28. Об утверждении Порядка проведения испытаний стандартных образцов или средств« измерений в целях утверждения типа= Текст. / приказ Минпромтогрга РФ№1081. 30:11.2009.

29. Станки металлорежущие. Схемы и способы измерений геометрических параметров!Текст.: ГОСТ 22267 — 76. Введ. 1.01.88. - М.: Изд-во стандартов, 1988. — 149 с:

30. Метрология, стандартизация и сертификация Текст.: учебник для студ. высш. учеб. Заведений / Б.Я. Авдеев [и др.]. 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 384 с.

31. Иванов, В.А. Метрологическое обеспечение гироприборов Текст. / В.А. Иванов. Л.: Судостроение, 1983. - 180 е., ил.

32. Государственная система обеспечения единства измерений. Частотомеры. Методы и средства поверки Текст.: ГОСТ 8.422 81. - Введ. 1.07.82-М.: Изд-во стандартов, 1981.-8 с.

33. Лукьянов, Д.П. Лазерные системы динамической аттестации угловых преобразователей различного типа Текст. / Бурнашев M.Hi, Лукьянов; Д.П:, Павлов П.А., Филатов Ю.В. Л: Изв.ТЭТУ, 1997. - вып. 509; - С. 36-40.

34. Меры плоского угла призматические: Общие технические: условия Текст.: ГОСТ 2875 88. - Введ. 1.01.89 - М.: Изд-во стандартов,. 1988. - и с. ' v ' ; '•. '.'■.

35. Официальный интернет сайт компании СКБ ИС Chttp://www.skbis.ru/).

36. Официальный интернет сайт компании ОАО «Машиноаппарат» (bttp://mashap.maverick.ru/).

37. Официальный интернет сайт компании Siemens (ht1p://www.siemens.com/answers/ru/m/index.htm?stc=ruccc020001).

38. Сервоприводы Mitsubishi? Electric. Преимущества: работы с сервоприводами Mitsubishi Electric (http://www.avt.com.ru/servo.htm).

39. Официальный интернет сайт компании Отгоп (http://www.omron.com/).