Помощь студентам в учебе
Программное обеспечение калибровки бесплатформенного инерциального блока
|
АННОТАЦИЯ 2
Список используемых сокращений 7
Введение 8
Техническое задание на разработку программного обеспечения
калибровки БИБ 10
1. Общие понятия об инерциальных навигационных системах 11
1.1 Назначение инерциальных навигационных систем 11
1. 1.1 Некоторые сведения о навигации 11
1. 1.2 Классификация навигационных систем 11
1.1.3 Принципы работы инерциальной навигации 13
1.1.4 Области применения инерциальных навигационных систем 16
1.2. Чувствительные элементы, используемые в ИНС 17
1.2.1 Обзор датчиков инерциальной информации 17
1.2.2 Общие сведения об акселерометрах 18
1.2.3 Классификация акселерометров 18
1.2.4 Общие сведения о гироскопах 22
1.2.5 Классификация гироскопов 25
1.2.6 Элементы конструкции и принцип работы ДНГ 27
1.2.7 Области применение динамически настраиваемого гироскопа 29
2. Виды инерциальных навигационных систем 32
2.1 Классификация инерциальных навигационных систем 32
2.2 БИБ АО «НПО электромеханики» 36
2.2.1 Конструктивное исполнение 36
2.2.2 Принцип работы БИБ 38
2.1.3 Чувствительные элементы, применяемые в БИБ НПОэ 40
3. Калибровка чувствительных элементов 42
3.1 Некоторые сведения о калибровке 42
3.2 Испытательное оборудование для калибровки 45
3.3 Описание стенда на котором проводилась калибровка 47
4. Программная реализация калибровки 49
4.1 Описание среды разработки LabVIEW 49
4.2 Создание программы калибровки в среде разработки «LabVIEV» ... 52
4.3 Описание программной среды MATLAB 59
4.4 Программа калибровки в среде моделирования MATLAB 60
4.4.1 Калибровка акселерометров 60
4.4.2 Калибровка ДУС 80
4.5 Создание графического интерфейса пользователя 93
Заключение 96
Библиографический список 98
Приложение А 101
Приложение Б 105
Список используемых сокращений 7
Введение 8
Техническое задание на разработку программного обеспечения
калибровки БИБ 10
1. Общие понятия об инерциальных навигационных системах 11
1.1 Назначение инерциальных навигационных систем 11
1. 1.1 Некоторые сведения о навигации 11
1. 1.2 Классификация навигационных систем 11
1.1.3 Принципы работы инерциальной навигации 13
1.1.4 Области применения инерциальных навигационных систем 16
1.2. Чувствительные элементы, используемые в ИНС 17
1.2.1 Обзор датчиков инерциальной информации 17
1.2.2 Общие сведения об акселерометрах 18
1.2.3 Классификация акселерометров 18
1.2.4 Общие сведения о гироскопах 22
1.2.5 Классификация гироскопов 25
1.2.6 Элементы конструкции и принцип работы ДНГ 27
1.2.7 Области применение динамически настраиваемого гироскопа 29
2. Виды инерциальных навигационных систем 32
2.1 Классификация инерциальных навигационных систем 32
2.2 БИБ АО «НПО электромеханики» 36
2.2.1 Конструктивное исполнение 36
2.2.2 Принцип работы БИБ 38
2.1.3 Чувствительные элементы, применяемые в БИБ НПОэ 40
3. Калибровка чувствительных элементов 42
3.1 Некоторые сведения о калибровке 42
3.2 Испытательное оборудование для калибровки 45
3.3 Описание стенда на котором проводилась калибровка 47
4. Программная реализация калибровки 49
4.1 Описание среды разработки LabVIEW 49
4.2 Создание программы калибровки в среде разработки «LabVIEV» ... 52
4.3 Описание программной среды MATLAB 59
4.4 Программа калибровки в среде моделирования MATLAB 60
4.4.1 Калибровка акселерометров 60
4.4.2 Калибровка ДУС 80
4.5 Создание графического интерфейса пользователя 93
Заключение 96
Библиографический список 98
Приложение А 101
Приложение Б 105
Для осуществления управляемого полета в околоземном или космическом пространстве на борту летательного аппарата необходимо иметь навигационные устройства, определяющие такие навигационные элементы, как угловые и линейные координаты места, величину и направление вектора скорости полета в избранной системе координат. Эта навигационная информация содержит минимальное количество навигационных элементов, необходимых для проведения летательного аппарата по заданной траектории. Среди навигационных систем, служащих для получения навигационной информации о движении объектов важное место занимают инерциальные системы [19].
В зависимости от наличия стабилизированной платформы инерциальные системы навигации разделяют на два класса: платформенные и бесплатформенные. В первом применяются стабилизированные платформы, физически реализующие опорные системы координат, относительно которых определяется текущая угловая ориентация ЛА. В платформенных ИНС взаимосвязь блока измерителей ускорений и гироскопических устройств, обеспечивающих ориентацию акселерометров в пространстве, определяет тип инерциальной системы. Известны три основных типа платформенных инерциальных систем: геометрический, полуаналитический, аналитический тип. В БИБ гироскопы и акселерометры установлены непосредственно на корпусе объекта и могут точно работать без стабилизированной площадки, за счет этого достигается значительная экономия в габаритах и в весе системы. Сигналы акселерометров и гироскопов, поступают на вход электронно - вычислительной машины, которая решает задачу ориентации аналитически, как бы заменяя собой карданов подвес и координатный преобразователь гироплатформы. Основная сложность, возникающая в этой системе, состоит в том, что при быстрых поворотах объекта гироскопы подвергаются гораздо более сильному воздействию угловых скоростей по сравнению с гироскопами, установленными на стабилизированной площадке и тем самым изолированными от влияния резких поворотов. Погрешности обычно считаемые несущественными для гироскопов, расположенных на гиростабилизированной площадке оказывают существенное влияние на выходной сигнал гироскопа в бескарданных системах. Подобные соображения относятся и к акселерометрам. Поэтому к выбору инерциальных датчиков для ИНС бесплатформенного типа нужно подходить особо внимательно.
Существует большое разнообразие типов акселерометров и гироскопов. Это объясняется тем, что инерциальные элементы находятся в процессе развития и что еще не для всех возникающих задач найдены окончательные решения. Наиболее трудной проблемой при создании инерциальных элементов является обеспечение необходимой высокой точности наряду с соответствующей надежностью и технологичностью. Погрешности приборов проявляются в измеряемой величине, например, как ложное ускорение в случае акселерометров или как ложная угловая скорость в случае гироскопов.
Повышение точности характеристик гироскопов и акселерометров осуществляется путем совершенствования их конструкций и калибровки, то есть введением алгоритмической компенсации инструментальных погрешностей измерения приборов с учетом математической модели инерциальных датчиков. Калибровка является одним из важнейших этапов по подготовке к работе и обеспечению точностных параметров БИБ. Учитывая, что БИБ обладают некоторыми весьма серьезными преимуществами при решении определенных задач перед традиционными платформенными ИНС, проблема является актуальной.
В зависимости от наличия стабилизированной платформы инерциальные системы навигации разделяют на два класса: платформенные и бесплатформенные. В первом применяются стабилизированные платформы, физически реализующие опорные системы координат, относительно которых определяется текущая угловая ориентация ЛА. В платформенных ИНС взаимосвязь блока измерителей ускорений и гироскопических устройств, обеспечивающих ориентацию акселерометров в пространстве, определяет тип инерциальной системы. Известны три основных типа платформенных инерциальных систем: геометрический, полуаналитический, аналитический тип. В БИБ гироскопы и акселерометры установлены непосредственно на корпусе объекта и могут точно работать без стабилизированной площадки, за счет этого достигается значительная экономия в габаритах и в весе системы. Сигналы акселерометров и гироскопов, поступают на вход электронно - вычислительной машины, которая решает задачу ориентации аналитически, как бы заменяя собой карданов подвес и координатный преобразователь гироплатформы. Основная сложность, возникающая в этой системе, состоит в том, что при быстрых поворотах объекта гироскопы подвергаются гораздо более сильному воздействию угловых скоростей по сравнению с гироскопами, установленными на стабилизированной площадке и тем самым изолированными от влияния резких поворотов. Погрешности обычно считаемые несущественными для гироскопов, расположенных на гиростабилизированной площадке оказывают существенное влияние на выходной сигнал гироскопа в бескарданных системах. Подобные соображения относятся и к акселерометрам. Поэтому к выбору инерциальных датчиков для ИНС бесплатформенного типа нужно подходить особо внимательно.
Существует большое разнообразие типов акселерометров и гироскопов. Это объясняется тем, что инерциальные элементы находятся в процессе развития и что еще не для всех возникающих задач найдены окончательные решения. Наиболее трудной проблемой при создании инерциальных элементов является обеспечение необходимой высокой точности наряду с соответствующей надежностью и технологичностью. Погрешности приборов проявляются в измеряемой величине, например, как ложное ускорение в случае акселерометров или как ложная угловая скорость в случае гироскопов.
Повышение точности характеристик гироскопов и акселерометров осуществляется путем совершенствования их конструкций и калибровки, то есть введением алгоритмической компенсации инструментальных погрешностей измерения приборов с учетом математической модели инерциальных датчиков. Калибровка является одним из важнейших этапов по подготовке к работе и обеспечению точностных параметров БИБ. Учитывая, что БИБ обладают некоторыми весьма серьезными преимуществами при решении определенных задач перед традиционными платформенными ИНС, проблема является актуальной.
В последнее время все большее внимание уделяется созданию ИНС отличающихся отсутствием гиростабилизированной платформы и называемых бесплатформенными инерциальными навигационными системами. При разработке бесплатформенных инерциальной системы навигации стремятся к максимальному снижению уровня инструментальных и методических погрешностей. Инструментальные погрешности могут быть снижены за счет высокого качества элементов конструкции и грамотно выполненной калибровки.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы было доработано программное обеспечение осуществляющее управление двухосевым наклонно-поворотным стендом и сбор информации с прибора. Доработанное программное обеспечение использовалось для проведения калибровочных испытаний и снятия данных с чувствительных элементов БИБ. В среде программирования «Matlab», было разработано программное обеспечение, осуществляющие обработку собранной с прибора информации и формирование калибровочных матриц для акселерометров и ДУС. Также, в среде программирования «Matlab», создан интерфейс программы для проведения калибровки БИБ.
Математическая модель, используемая при калибровке акселерометров, включает в себя следующие погрешности: погрешности масштабных коэффициентов, погрешности нулевых, погрешности, связанные с не ортогональностью осей чувствительности . Математическая модель, используемая при калибровке ДНГ учитывает: перекрестные связи по каналам измерения угловой скорости; составляющие скорости ухода ДНГ, не зависящие от перегрузки; составляющие скорости ухода ДНГ, зависящие от перегрузки, действующей по измерительной оси; составляющие скорости ухода ДНГ, зависящие от перегрузки, действующей перпендикулярно плоскости, содержащей ось кинетического момента и измерительную ось; составляющие скорости ухода ДНГ, зависящие от произведения перегрузок, действующих по оси кинетического момента и измерительной оси. Учет и компенсация каждого типа погрешностей будет делать навигационную систему точнее.
Цель проделанной калибровки — определение параметров инструментальных погрешностей датчиков инерциальной информации для осуществления их компенсации.
Полученный результат: отклонение откалиброванных значений акселерометров от «идеальных» приближено равно нулю, а максимальная разница не превышает ± 0,005 м/с2, для каждого из трех акселерометров. В то время, как разница между идеальными и фактическими результатами достаточно значима, ее максимальное значение достигает -0,0309 м/с2.
Отклонение откалиброванных значений ДУС от «идеальных» минимально, а максимальная разница не превышает 4 мин/мин, для каждого из трех датчиков угловой скорости. В то время как максимальная разница, между «идеальными» и фактическими показаниями ДУС, составляет примерно 44 мин/мин.
Сравнительно небольшое отличие «идеальных» и откалиброванных показаний чувствительных элементов БИБ свидетельствует о том, что реализуемый метод калибровки является приемлемым. В дальнейшем при калибровке ДУС БИБ необходимо ввести более разнообразные ориентации, кроме того, рассмотреть вопрос о возможности динамической калибровки.
Цели и задачи выпускной квалификационной работы полностью достигнуты, обработка результатов экспериментальных исследований с применением разработанного программного обеспечения выполнения калибровки проведена успешно.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы было доработано программное обеспечение осуществляющее управление двухосевым наклонно-поворотным стендом и сбор информации с прибора. Доработанное программное обеспечение использовалось для проведения калибровочных испытаний и снятия данных с чувствительных элементов БИБ. В среде программирования «Matlab», было разработано программное обеспечение, осуществляющие обработку собранной с прибора информации и формирование калибровочных матриц для акселерометров и ДУС. Также, в среде программирования «Matlab», создан интерфейс программы для проведения калибровки БИБ.
Математическая модель, используемая при калибровке акселерометров, включает в себя следующие погрешности: погрешности масштабных коэффициентов, погрешности нулевых, погрешности, связанные с не ортогональностью осей чувствительности . Математическая модель, используемая при калибровке ДНГ учитывает: перекрестные связи по каналам измерения угловой скорости; составляющие скорости ухода ДНГ, не зависящие от перегрузки; составляющие скорости ухода ДНГ, зависящие от перегрузки, действующей по измерительной оси; составляющие скорости ухода ДНГ, зависящие от перегрузки, действующей перпендикулярно плоскости, содержащей ось кинетического момента и измерительную ось; составляющие скорости ухода ДНГ, зависящие от произведения перегрузок, действующих по оси кинетического момента и измерительной оси. Учет и компенсация каждого типа погрешностей будет делать навигационную систему точнее.
Цель проделанной калибровки — определение параметров инструментальных погрешностей датчиков инерциальной информации для осуществления их компенсации.
Полученный результат: отклонение откалиброванных значений акселерометров от «идеальных» приближено равно нулю, а максимальная разница не превышает ± 0,005 м/с2, для каждого из трех акселерометров. В то время, как разница между идеальными и фактическими результатами достаточно значима, ее максимальное значение достигает -0,0309 м/с2.
Отклонение откалиброванных значений ДУС от «идеальных» минимально, а максимальная разница не превышает 4 мин/мин, для каждого из трех датчиков угловой скорости. В то время как максимальная разница, между «идеальными» и фактическими показаниями ДУС, составляет примерно 44 мин/мин.
Сравнительно небольшое отличие «идеальных» и откалиброванных показаний чувствительных элементов БИБ свидетельствует о том, что реализуемый метод калибровки является приемлемым. В дальнейшем при калибровке ДУС БИБ необходимо ввести более разнообразные ориентации, кроме того, рассмотреть вопрос о возможности динамической калибровки.
Цели и задачи выпускной квалификационной работы полностью достигнуты, обработка результатов экспериментальных исследований с применением разработанного программного обеспечения выполнения калибровки проведена успешно.
