Помощь студентам в учебе
Калибровка точностных параметров бесплатформенных инерциальных навигационных систем
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОБЗОР ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ТЕОРИЙ, КОНЦЕПЦИЙ 10
1.1 Схемы построения БИНС 10
1.1.1 БИНС с акселерометрами и ДУС 10
1.1.2 Акселерометрические БИНС 18
1.1.3 БИНС на акселерометрах и неуправляемых гироскопах 19
1.2 Чувствительные элементы БИНС - маятниковые акселерометры 19
1.3 Чувствительные элементы БИНС - датчик угловой скорости 23
1.4 Точностные параметры БИНС 25
1.5 Методы калибровки БИНС 28
1.5.1 Метод калибровки БИНС в два этапа 28
1.5.2 Метод калибровки БИНС на грубых и точных стендах 29
1.5.3 Методика калибровки измерительных каналов БИНС 30
Вывод по главе 1 34
2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА НОВЫХ НАУЧНЫХ
ИДЕЙ 36
2.1 БИНС с углами Эйлера - Крылова 36
2.2. Модель ошибок БИНС 53
2.3 Анализ ошибок БИНС 54
2.3.1 Ошибки БИНС в случае неточного определения вертикали 56
2.3.2 Ошибки БИНС, вызванные погрешностями акселерометров 59
2.3.3 Ошибки БИНС, вызванные дрейфом гироскопов 62
2.3.4 Ошибки вертикального канала БИНС 66
2.3.5 Структурная схема ошибок северного канала БИНС 67
Вывод по главе 2 69
3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КАЛИБРОВКИ И ПРОГРАММЫ
ИСПЫТАНИЙ 70
3.1 Математическая модель БИНС 70
3.2 Моделирование математической модели БИНС 75
3.5 Внесение ошибок чувствительных элементов в программу 84
3.6 Система фильтрации помех 89
Вывод по главе 3 92
4 ВНЕСЕНИЕ КАЛИБРОВОЧНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ И ПРОВЕДЕНИЕ
ЭКСНРРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ КАЛИБРОВКИ ТОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ 93
4.1 Этапы проведения эксперимента 93
4.2 Проведение калибровки для бесплатформенной инерциальной
навигационной системы 95
4.3 Анализ экспериментальных данных 96
Выводы по главе 4 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 106
ПРИЛОЖЕНИЕ А 112
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 113
ПРИЛОЖЕНИЕ В 114
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 115
1 ОБЗОР ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ТЕОРИЙ, КОНЦЕПЦИЙ 10
1.1 Схемы построения БИНС 10
1.1.1 БИНС с акселерометрами и ДУС 10
1.1.2 Акселерометрические БИНС 18
1.1.3 БИНС на акселерометрах и неуправляемых гироскопах 19
1.2 Чувствительные элементы БИНС - маятниковые акселерометры 19
1.3 Чувствительные элементы БИНС - датчик угловой скорости 23
1.4 Точностные параметры БИНС 25
1.5 Методы калибровки БИНС 28
1.5.1 Метод калибровки БИНС в два этапа 28
1.5.2 Метод калибровки БИНС на грубых и точных стендах 29
1.5.3 Методика калибровки измерительных каналов БИНС 30
Вывод по главе 1 34
2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА НОВЫХ НАУЧНЫХ
ИДЕЙ 36
2.1 БИНС с углами Эйлера - Крылова 36
2.2. Модель ошибок БИНС 53
2.3 Анализ ошибок БИНС 54
2.3.1 Ошибки БИНС в случае неточного определения вертикали 56
2.3.2 Ошибки БИНС, вызванные погрешностями акселерометров 59
2.3.3 Ошибки БИНС, вызванные дрейфом гироскопов 62
2.3.4 Ошибки вертикального канала БИНС 66
2.3.5 Структурная схема ошибок северного канала БИНС 67
Вывод по главе 2 69
3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КАЛИБРОВКИ И ПРОГРАММЫ
ИСПЫТАНИЙ 70
3.1 Математическая модель БИНС 70
3.2 Моделирование математической модели БИНС 75
3.5 Внесение ошибок чувствительных элементов в программу 84
3.6 Система фильтрации помех 89
Вывод по главе 3 92
4 ВНЕСЕНИЕ КАЛИБРОВОЧНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ И ПРОВЕДЕНИЕ
ЭКСНРРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ КАЛИБРОВКИ ТОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ 93
4.1 Этапы проведения эксперимента 93
4.2 Проведение калибровки для бесплатформенной инерциальной
навигационной системы 95
4.3 Анализ экспериментальных данных 96
Выводы по главе 4 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 106
ПРИЛОЖЕНИЕ А 112
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 113
ПРИЛОЖЕНИЕ В 114
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 115
При решении задач с навигацией летательных аппаратов всегда была актуальной проблема точного и быстрого определения местоположения движущихся объектов.
Непрерывно растущая интенсивность потоков в воздушном пространстве приводит к тому что необходим постоянный рост к требованиям по точности и достоверности определения навигационных параметров.
Инерциальные навигационные системы является наиболее популярным средством навигации на большинстве видов движущихся объектов. Однако для беспилотных летательных аппаратов наиболее подходящим средством навигации, ввиду своих малогабаритных размеров, является бесплатформенные инерциальные навигационные системы (1).
Инерциальная навигация - метод ориентации подвижных объектов (скорости, ускорения и координат местоположения), работающий на основании показаний чувствительных элементов (акселерометр, датчик угловой скорости) и при этом автономным образом, то есть без использования внешней информации (2). Ввиду своей автономности, метод занимает особое место среди всех навигационных методов, поскольку благодаря данному методу при решении навигационной задачи нет необходимости во внешних сигналах (информации, измерений). Благодаря чему, метод инерциальной навигации находит наиболее широкие применения по управлению летательными аппаратами, космическими аппаратами и различными судами.
Исходя из показаний чувствительных элементов формируются данные в инерциальных навигационных системах (ИНС). Такие как:
- датчик угловой скорости или гироскоп с обратной связью, работающий как динамически настраиваемый гироскоп;
- акселерометр - приборы, измеряющие скорость объекта, благодаря воздействии сил ускорений на их чувствительную массу.
Чувствительные элементы содержат ошибки, показания которых с течением времени приведут к накоплениям ошибок, которые могут привести к серьезным ошибкам определения скоростей, координат и ориентации объекта. Вследствие чего, для решения задачи повышения точности навигации предлагается оценивание ошибок чувствительных элементов, с последующим введением поправок в показания датчиков. Определение ошибок чувствительных элементов, с последующим внесением корректирующего коэффициента и называется калибровкой.
Начиная с 1970-х годов, исследования проблем калибровки датчиков инерциальных навигационных систем затрагивались во многих специализированных предприятиях и научных учреждениях. В частности, можно отметить некоторые посвященные решению задачи калибровки, такие как (3; 4). Существует большое количество исследований посвященные решению этой проблемы, однако нет общей целостной и методически корректной теории, содержащей в себе подробное описание проблемы калибровки. В частности, это связано с тем, что обмен информации между научно-инженерными сообществами недостаточно эффективен, а вследствие секретности публикации очень скупы. В основном предприятия используют свои алгоритмы, основанные на профессиональные точки зрения, благодаря которым получают весьма точные результаты. Данные алгоритмы могут быть весьма полезными и эффективными в частных случаях, которые возникают на предприятиях, однако в таком случае источник основных погрешностей остается непонятен, при этом остаются необсуждаемыми предельно допустимые точности оценивания, в связи с чем улучшить и усовершенствовать алгоритмы калибровки представляется практически невозможным. В связи с вышеизложенной информацией представляется актуальным точное и четкое описание алгоритмов калибровки со строгих математических (5).
Наиболее эффективным подходом к калибровке считается подход, связанные с оцениванием в линейных динамических системах (6).
ИНС бывают двух типов: на гиростабилизированной платформе, то есть платформенные инерциальные навигационные системы (ПИНС) и бесплатформенные (БИНС). В БИНС акселерометры и гироскопы жестко связаны с корпусом прибора (7).
Целью выпускной квалификационной работы является повышение точности и достоверности оценки погрешности измерений параметров бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) с помощью процедур калибровки. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
1. Аналитически обзор по методам анализа точностных параметров БИНС.
2. Разработка математической модели.
3. Разработка алгоритма калибровки параметров БИНС.
4. Проведение эксперимента по разработанной методики калибровки БИНС.
Научная новизна. Разработка нового итерационного алгоритма калибровки блока акселерометров и датчиков угловой скорости в составе БИНС. Разработка математической модели процесса калибровки БИНС.
Практическая значимость работы состоит во внедрении результатов исследования в перспективные разработки предприятий.
Непрерывно растущая интенсивность потоков в воздушном пространстве приводит к тому что необходим постоянный рост к требованиям по точности и достоверности определения навигационных параметров.
Инерциальные навигационные системы является наиболее популярным средством навигации на большинстве видов движущихся объектов. Однако для беспилотных летательных аппаратов наиболее подходящим средством навигации, ввиду своих малогабаритных размеров, является бесплатформенные инерциальные навигационные системы (1).
Инерциальная навигация - метод ориентации подвижных объектов (скорости, ускорения и координат местоположения), работающий на основании показаний чувствительных элементов (акселерометр, датчик угловой скорости) и при этом автономным образом, то есть без использования внешней информации (2). Ввиду своей автономности, метод занимает особое место среди всех навигационных методов, поскольку благодаря данному методу при решении навигационной задачи нет необходимости во внешних сигналах (информации, измерений). Благодаря чему, метод инерциальной навигации находит наиболее широкие применения по управлению летательными аппаратами, космическими аппаратами и различными судами.
Исходя из показаний чувствительных элементов формируются данные в инерциальных навигационных системах (ИНС). Такие как:
- датчик угловой скорости или гироскоп с обратной связью, работающий как динамически настраиваемый гироскоп;
- акселерометр - приборы, измеряющие скорость объекта, благодаря воздействии сил ускорений на их чувствительную массу.
Чувствительные элементы содержат ошибки, показания которых с течением времени приведут к накоплениям ошибок, которые могут привести к серьезным ошибкам определения скоростей, координат и ориентации объекта. Вследствие чего, для решения задачи повышения точности навигации предлагается оценивание ошибок чувствительных элементов, с последующим введением поправок в показания датчиков. Определение ошибок чувствительных элементов, с последующим внесением корректирующего коэффициента и называется калибровкой.
Начиная с 1970-х годов, исследования проблем калибровки датчиков инерциальных навигационных систем затрагивались во многих специализированных предприятиях и научных учреждениях. В частности, можно отметить некоторые посвященные решению задачи калибровки, такие как (3; 4). Существует большое количество исследований посвященные решению этой проблемы, однако нет общей целостной и методически корректной теории, содержащей в себе подробное описание проблемы калибровки. В частности, это связано с тем, что обмен информации между научно-инженерными сообществами недостаточно эффективен, а вследствие секретности публикации очень скупы. В основном предприятия используют свои алгоритмы, основанные на профессиональные точки зрения, благодаря которым получают весьма точные результаты. Данные алгоритмы могут быть весьма полезными и эффективными в частных случаях, которые возникают на предприятиях, однако в таком случае источник основных погрешностей остается непонятен, при этом остаются необсуждаемыми предельно допустимые точности оценивания, в связи с чем улучшить и усовершенствовать алгоритмы калибровки представляется практически невозможным. В связи с вышеизложенной информацией представляется актуальным точное и четкое описание алгоритмов калибровки со строгих математических (5).
Наиболее эффективным подходом к калибровке считается подход, связанные с оцениванием в линейных динамических системах (6).
ИНС бывают двух типов: на гиростабилизированной платформе, то есть платформенные инерциальные навигационные системы (ПИНС) и бесплатформенные (БИНС). В БИНС акселерометры и гироскопы жестко связаны с корпусом прибора (7).
Целью выпускной квалификационной работы является повышение точности и достоверности оценки погрешности измерений параметров бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) с помощью процедур калибровки. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
1. Аналитически обзор по методам анализа точностных параметров БИНС.
2. Разработка математической модели.
3. Разработка алгоритма калибровки параметров БИНС.
4. Проведение эксперимента по разработанной методики калибровки БИНС.
Научная новизна. Разработка нового итерационного алгоритма калибровки блока акселерометров и датчиков угловой скорости в составе БИНС. Разработка математической модели процесса калибровки БИНС.
Практическая значимость работы состоит во внедрении результатов исследования в перспективные разработки предприятий.
В последнее время одним из самых популярных средств навигации на большом количестве летательных аппаратов становятся инерциальные навигационные системы. В то время как бесплатформенные инерциальные навигационные системы всё чаще используются на беспилотных летательных аппаратах. При этом важно, чтобы любая система навигации показывала точные навигационные параметры, вследствие чего необходима правильная калибровка.
В данной работе был использован тип построения БИНС с акселерометрами и ДУС, поскольку он является наиболее точным и обладает высокой помехозащищенностью. Согласно ТЗ для ВКР были выбраны ЧЭ для БИНС, с подходящими характеристиками.
Проведен анализ существующих методов калибровки БИНС, найдены их недостатки и способы устранения.
Сформирована целостная структурная схема работы БИНС, на основе алгоритмов с углами Эйлера-Крылова которой лежат географические координаты, определяющие объект посредством долготы X, широты ^ и высота h, а также углы крена, тангажа и рыскания. Сформирована модель ошибок БИНС. Проведен анализ всех возможных вариаций ошибок и причины их возникновения в БИНС. Сформирована структурная схема ошибок северного канала БИНС.
Разработана математическая модель бесплатформенной инерциальной навигационной системы и промоделирована в среде MathCad. Проведена проверка работоспособности созданной программы БИНС. Результат подтвердил правильность работы алгоритма БИНС.
Создана вторая программа БИНС в которую были внесены ошибки чувствительных элементов. Заданы одинаковые параметры точек старта, начальных скоростей и ускорений ЛА в идеальной программе БИНС и программе БИНС с ошибками ЧЭ. Проведен анализ полученных результатов, проведено сравнение и получено понимание влияние погрешностей ЧЭ на ориентацию БИНС.
Разработана схема калибровки алгоритма БИНС. Получены значения навигационных параметров идеальной работы БИНС, навигационные параметры работы БИНС с ошибками ЧЭ, навигационные параметры работы БИНС после проведения калибровки, значение ошибки после калибровки. После чего проведен анализ полученных данных, а также графики погрешностей до калибровки и после калибровки.
Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод что после программной калибровки точность БИНС улучшилась. Погрешность определения широты уменьшилась на 88%. Погрешность определения долготы уменьшилась на 87%. Погрешность определения высоты уменьшилась на 61%. Погрешности углов Эйлера (рыскание, тангаж, крен) уменьшились на 90%. Погрешность определения скорости вдоль меридиана уменьшилась на 88%. Погрешность определения скорости движения по вертикали уменьшилась на 64%. Погрешность определения скорости вдоль параллели уменьшилась на 88%.
В данной работе был использован тип построения БИНС с акселерометрами и ДУС, поскольку он является наиболее точным и обладает высокой помехозащищенностью. Согласно ТЗ для ВКР были выбраны ЧЭ для БИНС, с подходящими характеристиками.
Проведен анализ существующих методов калибровки БИНС, найдены их недостатки и способы устранения.
Сформирована целостная структурная схема работы БИНС, на основе алгоритмов с углами Эйлера-Крылова которой лежат географические координаты, определяющие объект посредством долготы X, широты ^ и высота h, а также углы крена, тангажа и рыскания. Сформирована модель ошибок БИНС. Проведен анализ всех возможных вариаций ошибок и причины их возникновения в БИНС. Сформирована структурная схема ошибок северного канала БИНС.
Разработана математическая модель бесплатформенной инерциальной навигационной системы и промоделирована в среде MathCad. Проведена проверка работоспособности созданной программы БИНС. Результат подтвердил правильность работы алгоритма БИНС.
Создана вторая программа БИНС в которую были внесены ошибки чувствительных элементов. Заданы одинаковые параметры точек старта, начальных скоростей и ускорений ЛА в идеальной программе БИНС и программе БИНС с ошибками ЧЭ. Проведен анализ полученных результатов, проведено сравнение и получено понимание влияние погрешностей ЧЭ на ориентацию БИНС.
Разработана схема калибровки алгоритма БИНС. Получены значения навигационных параметров идеальной работы БИНС, навигационные параметры работы БИНС с ошибками ЧЭ, навигационные параметры работы БИНС после проведения калибровки, значение ошибки после калибровки. После чего проведен анализ полученных данных, а также графики погрешностей до калибровки и после калибровки.
Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод что после программной калибровки точность БИНС улучшилась. Погрешность определения широты уменьшилась на 88%. Погрешность определения долготы уменьшилась на 87%. Погрешность определения высоты уменьшилась на 61%. Погрешности углов Эйлера (рыскание, тангаж, крен) уменьшились на 90%. Погрешность определения скорости вдоль меридиана уменьшилась на 88%. Погрешность определения скорости движения по вертикали уменьшилась на 64%. Погрешность определения скорости вдоль параллели уменьшилась на 88%.