СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ДРЕЙФА НУЛЕВЫХ СИГНАЛОВ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ Российский патент 2017 года по МПК G01C23/00 G01C19/56 

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано в одноосных и трехосных измерителях угловых скоростей и линейных ускорений, используемых в инерциальных навигационных системах и в пилотажных системах управления подвижными объектами в качестве датчиков первичной информации.

Одним из главных источников погрешности измерений гироскопов и акселерометров является дрейф нулевого сигнала, вызванный его нестабильностью в запуске и от пуска к пуску. Эта проблема особенно остро проявляется в микромеханических гироскопах и акселерометрах, на базе которых строятся малогабаритные авиационные приборы.

Существует несколько способов решения этой проблемы. Один из них - это использование фильтра Калмана в инерциальных навигационных системах [1]. Основным недостатком этого способа является необходимость дополнительных внешних источников информации для компенсации ошибок датчиков первичной информации.

Еще одним способом является компенсация дрейфа гироскопов по показаниям акселерометров в автономных гировертикалях с радиальной коррекцией [2, 3]. Недостаток такого способа заключается в том, что при этом не учитываются погрешности самого акселерометра.

Прототипом изобретения является способ компенсации систематических составляющих от пуска к пуску [4] путем выделения компенсирующего сигнала из измеряемого по результатам сравнения измеряемого сигнала с заданным уровнем, рассчитанным по калибровочным коэффициентам, и последующей корректировкой измеряемого сигнала с помощью выделенного компенсирующего сигнала.

Основным недостатком такого способа является остаточная недокомпенсация измеряемого сигнала как из-за несовершенства алгоритмической компенсации, так и из-за нестабильности нулевого сигнала - его дрейфа в процессе эксплуатации.

Заявленное изобретение решает задачу компенсация дрейфа нулевого сигнала в процессе эксплуатации прибора, при этом достигается такой технический результат как повышение точностных характеристик гироскопических датчиков первичной информации.

Заявленный технический результат достигается способом компенсации дрейфа нулевых сигналов гироскопических датчиков путем выделения компенсирующего сигнала из измеряемого по результатам сравнения измеряемого сигнала с заданным уровнем и последующей корректировкой измеряемого сигнала с помощью выделенного компенсирующего сигнала, при этом выделение компенсирующего сигнала осуществляется путем фильтрации измеряемого сигнала, накоплением отфильтрованного сигнала, его осреднения, сравнения с заданным уровнем сигнала, накоплением массива выделенного сигнала, его осреднения, прогнозирования, сравнения прогнозируемого сигнала с заданным уровнем и по результатам сравнения при превышении заданного уровня сигнала в качестве компенсирующего сигнала принимается спрогнозированный сигнал, а при не превышении заданного уровня сигнала спрогнозированный сигнал в качестве компенсирующего не принимается.

При накоплении компенсирующих сигналов равным или большим как минимум четырех значений производится осреднение значений компенсирующего сигнала по как минимум трем предыдущим значениям компенсирующего сигнала, вычитание осредненного компенсирующего сигнала из прогнозируемого, сравнение с заданным уровнем допустимого дрейфа и по результатам сравнения при превышении заданного уровня допустимого дрейфа в качестве компенсирующего сигнала принимается текущий прогнозирующий сигнал, а при не превышении заданного уровня допустимого дрейфа в качестве компенсирующего сигнала принимается предыдущий компенсирующий сигнал.

При накоплении выделенных нулевых сигналов меньше заданного количества производится прогнозирование компенсирующего сигнала по осредненным значениям выделенных нулевых сигналов как минимум четырех предыдущих измерений.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2 чертежей.

На фиг. 1 приведена структурная схема алгоритма определения и компенсации дрейфа нулевого сигнала гироскопа в процессе его эксплуатации,

где 1 - блок приема информации с чувствительного элемента;

2 - блок фильтрации информации;

3 - блок суммирования отфильтрованных сигналов ;

4 - блок осреднения отфильтрованного сигнала по числу измерений N;

5 - блок выделения нулевого сигнала из осредненного значения измеренной угловой скорости ω_icp(N) по условию ω_iдр(N)=|ω_icp(N)|≤ω₀;

6 - блок суммирования выделенного нулевого сигнала ;

7 - блок контроля числа N₁ выделенных сигналов ω_iдр(N) с числом измерений N₀;

8 - блок осреднения выделенного нулевого сигнала по числу измерений N₁ на интервале p измерений - ;

9 - блок прогнозирования сигнала коррекции ;

10 - блок контроля количества корректирующих сигналов на интервалах p с числом выбранных для корректировки значений нулевых сигналов N⋅N₁;

11 - блок выборки прогнозируемых сигналов для осуществления коррекции измеряемого сигнала по условию ;

12 - блок принятого для корректировки сигнала при выполнении условия блока 11 - ;

13 - блок принятого для корректировки сигнала при невыполнении условия блока 11 - ;

14 - блок осреднения корректирующих сигналов при выполнении условия блока 10;

15 - блок сравнения разницы между спрогнозированным сигналом и усредненным корректирующим сигналом блока 14;

16 - блок выбора в качестве корректирующего сигнала прогнозируемого сигнала при выполнении условия блока 15;

17 - блок выбора в качестве корректирующего сигнала корректирующего сигнала предыдущего такта при невыполнении условия блока 15;

18 - блок контроля набора заданного числа N₁ на интервале p;

19 - блок выработки прогнозирующего сигнала по осредненным значениям выделенных нулевых сигналов ω_iдр(r)=ω_iдд(p);

20 - блок выбора корректирующего сигнала по результатам спрогнозированного в блоке 19 значения дрейфа нулевого сигнала при невыполнении условия блока 18;

21 - блок корректировки измеряемого сигнала с помощью вычисленного значения дрейфа гироскопа .

На фиг. 2 показаны графики накопления угловой погрешности гироскопического курсового угла ψ_г(t): 1 - при скомпенсированном дрейфе нулевого сигнала ω_y(t); 2 - при нескомпенсированном дрейфе нулевого сигнала .

Реализуется изобретение следующим образом. В блоке 1 (фиг. 1) осуществляется прием измеренного сигнала гироскопа . В блоке 2 производится фильтрация принятого сигнала с целью устранения высокочастотных составляющих, например, с помощью следующего фильтра: , где β=T_фƒ, T_ф - постоянная времени фильтра, ƒ - частота входящей информации.

В блоке 3 производится накопление массива N отфильтрованного сигнала . В блоке 4 накопленный массив осредняется . В блоке 5 производится выделение нулевого сигнала из осредненного значения измеренной угловой скорости ω_icp(N) путем сравнения с заданным уровнем нулевого сигнала ω₀. В качестве дрейфа нулевого сигнала используются значения измеренной угловой скорости, удовлетворяющие условию ω_iдр(N)=|ω_icp(N)|≤ω₀. Если рассчитанное значение дрейфа меньше или равно допустимому, то это значение используется для дальнейшего накопления в блоке до заданной величины массива N₁≥N₀ (блок 7).

При выполнении условия блока 7 в блоке 8 производится осреднение выделенного нулевого сигнала по числу измерений N₁ на интервале p измерений - .

Далее в блоке 9 производится линейное прогнозирование по результатам двух соседних измерений, например, , где ω_iдр(r)=ω_iдд(p) - выделенный для прогнозирования нулевой сигнал.

При накоплении компенсирующих сигналов меньше чем как минимум четырех значений (блок 10) текущий прогнозирующий сигнал сравнивается в блоке 11 с заданным значением допустимого дрейфа .

По результатам сравнения при превышении заданного в блоке 11 уровня сигнала в качестве компенсирующего сигнала принимается спрогнозированный сигнал (блок 12) при невыполнении условия блока 11 спрогнозированный сигнал в качестве компенсирующего не принимается (блок 13).

После накопления более четырех корректирующих значений нулевого сигнала производится осреднение корректирующего сигнала по трем предыдущим значениям корректирующих сигналов (блок 14) . В блоке 15 рассчитывается разница между прогнозируемым сигналом и осредненным в блоке 14 и сравнивается с допустимым дрейфом нулевого сигнала . Если эта разница меньше допустимой Δω_0др, то в качестве компенсирующего сигнала принимается текущий прогнозирующий сигнал (блок 16), а при непревышении заданного уровня допустимого дрейфа в качестве корректирующего сигнала принимается предыдущий корректирующий сигнал - на предыдущем шаге (блок 17).

При накоплении выделенных нулевых сигналов меньше заданного количества (блок 7) производится прогнозирование компенсирующего сигнала по осредненным значениям выделенных нулевых сигналов как минимум четырех предыдущих измерений ω_iдр(r)=ω_iдд(p) (блок 8) дрейфа нулевого сигнала, например:

(блок 19). Результат этого прогноза используется для компенсации дрейфа нулевого сигнала (блок 20).

Для уменьшения объема вычислений в блоке 19 контролируется количество массивов, не удовлетворяющих условию блока 7. Если массив не удовлетворяет требованию блока 7 первый раз - в блоке 18 R=0, то в качестве корректирующего сигнала принимается результат расчета прогноза, произведенный в блоке 19. Если массив не удовлетворяют условию блока 7 во второй раз подряд - в блоке 18 R≠0, то новый расчет в блоке 19 не производится, а в качестве корректирующего сигнала принимается результат предыдущего расчета (блок 20).

В блоке 21 производится вычитание принятого для коррекции дрейфа нулевого сигнала из измеренного входного сигнала : , где - измеренный сигнал до коррекции; ω_i(n) - измеренный сигнал после коррекции; индекс i - наименование измерительных осей.

На фиг. 2 приведены результаты сравнения накопленной угловой погрешности курсового гироскопа STIM-210 норвежской фирмы Sensonor с компенсацией дрейфа нулевого сигнала (график 1) по предложенному изобретению и без компенсации (график 2).

Графики на фиг. 2 рассчитаны на основе экспериментально снятого массива нулевых сигналов микромеханического гироскопа .

Как видно из приведенных графиков, накопленная за 2,5 часа угловая погрешность при осуществлении компенсации дрейфа нулевого сигнала по предлагаемому изобретению (график 1) уменьшилась почти на два порядка по сравнению с накопленной погрешностью без компенсации дрейфа нулевого сигнала (график 2): со 108 град, до 1,07 град.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / В.В. Матвеев, В.Я. Распопов / Под общ. ред. д.т.н. В.Я. Распопова - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - 280 с. ISBN 978-5-900780-73-3.

2. Инерциальная навигация. Под редакцией К.Ф. О Доннела. М.: Наука, 1969, 592 с.

3. Гироскопические системы, ч. II. Гироскопические приборы и системы / П.В. Бромберг, И.А. Михалев, Е.А. Никитин, В.А. Бауман, А.А. Балашова / Под ред. Д.С. Пельпора. - М.: Высшая школа, 1971. - 488 с.

4. Галкин В.И., Воробьев Д.Н., Крайнева Н.Н. Способ компенсации систематических составляющих дрейфа гироскопических датчиков и его реализация в трехосном микромеханическом измерителе параметров движения/ Заявка на изобретение №2015133432 от 11.08.15 г.

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано в одноосных и трехосных измерителях угловых скоростей и линейных ускорений, используемых в инерциальных навигационных системах и в пилотажных системах управления подвижными объектами в качестве датчиков первичной информации. Технический результат – повышение точности. Для этого компенсацию дрейфа нулевых сигналов гироскопических датчиков осуществляют путем выделения компенсирующего сигнала из измеряемого по результатам сравнения измеряемого сигнала с заданным уровнем и последующей корректировкой измеряемого сигнала с помощью выделенного компенсирующего сигнала, при этом выделение компенсирующего сигнала осуществляется путем фильтрации измеряемого сигнала, накопления отфильтрованного сигнала, его осреднения, сравнения с заданным уровнем, накоплением массива выделенного сигнала, его осреднения, прогнозирования, сравнения прогнозируемого сигнала с заданным уровнем и по результатам сравнения при превышении заданного уровня сигнала в качестве компенсирующего сигнала принимается спрогнозированный сигнал, а при непревышении заданного уровня сигнала спрогнозированный сигнал в качестве компенсирующего не принимается. Изобретение позволяет решить задачу путем компенсации дрейфа нулевого сигнала в процессе эксплуатации прибора за счет выделения нулевого сигнала из измеряемого по результатам сравнения измеряемого сигнала с заданным уровнем, прогнозирования компенсационного сигнала, контроля его уровня и последующей корректировки измеряемого сигнала с помощью выделенного компенсационного сигнала. Исследования показали, что за счет использования предложенного изобретения удалось почти на порядок уменьшить накапливаемую угловую погрешность курсового угла в микромеханическом гироскопе STIM-210 норвежской фирмы Sensonor. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ компенсации дрейфа нулевых сигналов гироскопических датчиков путем выделения компенсирующего сигнала из измеряемого по результатам сравнения измеряемого сигнала с заданным уровнем и последующей корректировкой измеряемого сигнала с помощью выделенного компенсирующего сигнала, отличающийся тем, что выделение компенсирующего сигнала осуществляется путем фильтрации измеряемого сигнала, накопления отфильтрованного сигнала, его осреднения, сравнения с заданным уровнем, накоплением массива выделенного сигнала, его осреднения, прогнозирования, сравнения прогнозируемого сигнала с заданным уровнем и по результатам сравнения при превышении заданного уровня сигнала в качестве компенсирующего сигнала принимается спрогнозированный сигнал, а при не превышении заданного уровня сигнала спрогнозированный сигнал в качестве компенсирующего не принимается.

2. Способ компенсации дрейфа нулевых сигналов по п. 1, отличающийся тем, что при накоплении компенсирующих сигналов равным или большим как минимум четырех значений производится осреднение значений компенсирующего сигнала по как минимум трем предыдущим значениям компенсирующих сигналов, вычитание осредненного компенсирующего сигнала из прогнозируемого, сравнение с заданным уровнем допустимого дрейфа и по результатам сравнения при превышении заданного уровня допустимого дрейфа в качестве компенсирующего сигнала принимается текущий прогнозирующий сигнал, при не превышении заданного допустимого дрейфа в качестве компенсирующего сигнала принимается предыдущий компенсирующий сигнал.

3. Способ компенсации дрейфа нулевых сигналов по пп. 1, 2, отличающийся тем, что при накоплении выделенных нулевых сигналов меньше заданного количества в качестве компенсирующего сигнала принимается результат прогнозирования по осредненным значениям выделенных нулевых сигналов как минимум четырех предыдущих измерений, при повторном накоплении выделенных нулевых сигналов меньше заданного количества в качестве компенсирующего сигнала принимается результат предыдущего прогноза.