СПОСОБ АВТОНОМНОГО ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ Российский патент 2019 года по МПК G01C19/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к микромеханическим элементам (ММЭ) - гироскопам (ММГ) и акселерометрам (ММА).

Цель и главный технический результат изобретения - возможность эффективного использования «грубой» современной и ближней перспективы ММ элементной базы в широком спектре технических приложений, благодаря автономному (без внешних корректирующих средств) радикальному повышению точности ее применения, практически, до уровня обычных инерциальных элементов средней точности.

Принципиальная основа способа

Основными погрешностями ММГ7ММА являются:

- смещения нулей

систематические - случайные числа от включения к включению, постоянные в запуске, в диапазонах, порядка (50-70)°час/5⋅10^-3g;

случайные - переменные в запуске реализации стационарного эргодического случайного процесса, автокоррелированные с вариативностью порядка (5-10)°/час/10^-3g;

- высокочастотные шумы измерений большой мощности.

Смещение нуля является негативным физическим свойством ММЭ, определяемым технологией, «привязанным» к измерительной оси и не зависящим ни от ориентации, ни от движения последней. Поэтому при вращении ММЭ измеряемый параметр, представляющий собою проекцию вектора движения, соответственно меняется, а смещение - нет.

В этом - принципиальная возможность отделения смещения от реального движения.

Эта возможность в обычных инерциальных устройствах практически нереализуема из-за проблематичности регламентированного вращения измерительных осей обычных гироскопов и акселерометров в процессе работы. Материализация принципа вращения всех измерительных осей в процессе работы стала возможной с появлением микромеханики.

Информационный поиск способов автономного повышения точности применения инерциальных элементов не дал результата. Поэтому за прототип был принят аналогичный по целевому назначению общеизвестный неавтономный способ оценивания фильтром Калмана погрешностей инерциальных элементов по информации корректирующих измерителей ([1], [2], [3]).

Основной недостаток прототипа - его неавтономность т.е. необходимость использования корректоров (в основном радиотехнических) для повышения точности. В ряде приложений такая коррекция принципиально невозможна (например, инерциальный способ позиционирования визира в наголовных системах целеуказания), а там, где есть принципиальная возможность коррекции (например, инерциальная навигация), по тактическим условиям или из-за негативных воздействий наличествуют протяженные участки автономной работы, что особенно критично для грубой микромеханики. Существенно и то, что использование корректоров снижает эффект применения микромеханики в части стоимости, надежности, помехо- и отказоустойчивости и физических характеристик.

Предлагаемый способ свободен от этих недостатков.

Способ ориентирован на простейшую аппаратную реализацию - поворот на 180° при соблюдении соосности положений ММЭ.

Абстрагируясь от других погрешностей, будем рассматривать измерения ММЭ как суммы проекций вектора реального движения и суммарных (систематические плюс случайные) смещений. Повернем измерительную ось на 180°. Если вектор движения постоянен, то его проекция просто изменит знак, и смещение найдется как полусумма измерений до и после поворота. Естественно, при реальном переменном движении такое решение непригодно. Кроме того, в этом случае во время поворота пользоваться измерителем нельзя. Предлагаемый способ решает эти проблемы установкой избыточного количества соосных измерителей (любой кратности).

Во-первых, избыточность позволяет продолжать работу во время поворота.Во-вторых, поскольку до поворота измерения соосных ММЭ в одни и те же моменты времени суть суммы одного и того же движения и смещений, разности измерений будут разностями смещений.

После поворота одного из элементов проекция вектора движения в его измерении изменит знак и суммы парных соосных и синхронных измерений будут суммами смещений.

Так как за время поворота смещения практически не меняются, легко найдем суммарное смещение каждого элемента.

Отметим важные отличительные особенности способа, обеспечивающие вкупе достижение заявленного технического результата:

1) необходимая точность соосности элементов обеспечивается технологически размещением их на едином конструктивном базисе (плате);

2) необходимая синхронность измерений обеспечивается в вычислителе, благодаря использованию современных высокоскоростных последовательных интерфейсов;

3) основным «мешающим фактором» в определении смещений являются шумы измерений; способ обеспечивает эффективную фильтрацию измерений и их аддитивных комбинаций без динамических ошибок и детектирования шумов;

4) способ не имеет ограничений по количеству применяемых избыточных элементов;

5) способ предусматривает дополнительное повышение точности за счет статистической обработки (оценивание, фильтр Калмана) смещений во времени и по множеству ММЭ, а также оценивания остаточной несоосности ММЭ при реальном движении;

6) способ предлагает конструктивную реализацию:

- строгую технологическую компланарность и коллинеарность одно-функциональных ММЭ на единых плоских базисах (платах) и строгую технологическую ортогональность этих базисов, вкупе обеспечивающие соосность и ортогональность всех возможных комбинаций, в частности, троек ММЭ;

- одинаковость вибраций ММЭ и упругих деформаций в местах их установки;- механизм и регламент регулярных автоматических (или эпизодических ручных) поворотов ММЭ в процессе работы.

Предлагаемый способ универсален и может быть использован на различных объектах, в частности в авиации для:

автономной микромеханической системы позиционирования для наголовных систем целеуказания и прицеливания;

микромеханической избыточной отказоустойчивой бесплатформенной курсовертикали - системы определения ориентации объекта;

микромеханической избыточной отказоустойчивой бесплатформенной инерциальной навигационной системы;

микромеханической системы ориентации и прицеливания;

микромеханической системы ориентации, навигации и прицеливания;

автономной микромеханической системы посадки на необорудованные аэродромы и площадки;

системного повышения отказоустойчивости, надежности и безопасности устройств, бортовых комплексов и объектов.

Способ является:

- системным, поскольку базируется на структурной избыточности ММЭ;

- автономным, поскольку не требует внешней корректирующей информации;

- невозмущаемым. не зависящим от движения объекта и любых внешних негативных воздействий на него, поскольку, благодаря избыточности, все определяющие измерения проводятся строго в одни и тот же моменты времени, и это позволяет применять способ как в стационарных (выставка, селекция на стенде), так и в нестационарных (рабочих) режимах;

- универсальным, применимым в различных технических областях к любому количеству одновременно «калибруемых» ММЭ и их конструктивных и структурных объединений;

- достаточно легко аппаратнореализуемым и рентабельным ввиду микромеханического исполнения избыточных измерительных элементов.

Система формул, реализуемая в вычислителе. При соосном положениии синхронных измерениях пары ММЭ до поворота:

Если ось X₁ повернута на 180°, то

Из (1) и (2) следует:

Общая запись аналогично для всех осей X, У, Z:

I

где

и - определяем смещения нулей измерений по осям (⋅);

- значения инерциальных параметров по совпадающим осям (⋅), измеренные в один момент времени до поворота;

, - значения инерциальных параметров по противоположно-направленным осям, измеренные в один момент времени после поворота.

Из формул видно, что для реализации процедуры определения смещений нулей трехосного устройства необходимо менять направления всех трех ортогональных осей. Поскольку «вывернутый» таким образом правый трехгранник осей становится левым, выполнить эту процедуру одним поворотом тройки ММЭ невозможно. Поэтому предлагаемом способе конструкция должна обеспечивать повороты отдельных ММЭ на 180° и в положения строго соосные исходным.

Наличие избыточных ММЭ, обеспечивающих парные соосные измерения, результатом сопоставления которых в один и тот же момент времени являются смещения нулей, обеспечивает инвариантность относительно движения объекта и любых внешних возмущений. Это свойство позволяет проводить определение смещений нулей многократно на всех этапах работы объекта.

Фильтрация смещений нулей

Измерения ММЭ характеризуются высоким уровнем шумов.

Патентуемый способ обеспечивает при вычислении смещений за счет исключения на основе избыточности реального движения объекта эффективную фильтрацию практически без динамических ошибок, а, благодаря высокоскоростным интерфейсам - и без детектирования шумов.

Статистическая обработка измерений

Избыточные ММЭ установлены коллинеарно на едином плоском базисе. При этом проводятся неоднократные развороты осей ММЭ и соответствующие измерения. С учетом корреляционных свойств смещений обрабатываются полученные фильтрованные статистические ряды, что существенно повышает точность определения смещений.

Статистическая обработка параметров движения объекта на основе избыточности ММЭ

Определение смещений нулей с фильтрацией и статистической обработкой, примерно, на порядок повышает точность определения параметров движения объекта с помощью ММЭ. Однако и эта точность может быть повышена, по крайней мере, в 2 раза за счет использования разумных/осуществимых объемов избыточности ММЭ.

Осуществляется статистическое оценивание фильтром Калмана, оценивающим смещения и несоосность ММЭ, наблюдаемую при переменном (реальном) движении, использующим точностной потенциал избыточного количества ММЭ для получения «точных» параметров движения объекта, контроля и реализации отказоустойчивости.

Принципиальные моменты конструктивно-технологической реализации поворотов осей ММЭ

Возможны различные конструктивно-технологические варианты реализации автоматических (регулярных) и ручных (эпизодических) поворотов на 180° измерительных осей и их сборок. В настоящей заявке предлагаются основные, принципиальные моменты конструктивно-технологической реализации.

• Механизм автоматических (регулярных) поворотов

Как указывалось, для определения смещений любого количества соосных ММЭ достаточно поворачивать лишь один из них.

Требования к взаимной ортогональности базовых плоскостей и коллинеарности осей ММЭ задаются одинаковыми. Поворачиваемые ММЭ установлены на тех же базовых плоскостях, а соответствующие полуплоскости являются ограничителями поворотов на 180°, чем обеспечивается необходимая точность коллинеарности и ортогональности.

Повороты «ведущих» ММЭ на ортогональных плоскостях могут осуществляться последовательно или одновременно.

Рекомендуемая величина цикла поворотов - 1 минута.

Конкретные конструкции механизмов поворотов в настоящей заявке не предлагаются - патентуются только принципиальные моменты реализации способа. Это тем более рационально, что уровень избыточности, количество поворачиваемых ММЭ и регламенты поворотов обычно определяются не патентуемым способом, а разработчиками конкретных ММ устройств, стремящимися реализовать параллельно такие их замечательные свойства, как отказоустойчивость, безопасность и супернадежность.

• Механизмы ручных (эпизодических) поворотов

В ряде приложений может оказаться необходимым проведение поворотов эпизодически вручную, при этом реализация способа существенно упрощается и удешевляется соответствующее устройство, однако все рекомендации по точности сохраняются. Дополнительное требование к конструкции базисного корпуса сборки ММЭ - удобство работы оператора (в том числе в перчатках).

Источники информации:

[1] Голован А.А., Парусников Н.А. Математические основы навигационных систем. Применение методов оптимального оценивания к задачам навигациии. М.:МАКС Пресс, 2012, 172 с.

[2] Степанов О.А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам орбработки навигационной информации. Ч.2. Введение в теорию фильтрации. С-Пб: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2017, 428 с.

[3] Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. М.: Машиностроение, 1991, 512 с.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к микромеханическим элементам -гироскопам и акселерометрам. Способ автономного повышения точности применения микромеханической элементной базы, содержит этапы, на которых на основе синхронных измерений избыточного количества соосных ММЭ путем поворота, по крайней мере, одного из них на 180° и попарным сопоставлением с ним измерений остальных ММЭ, определяют суммарные (систематические плюс случайные) смещения нулей всех ММЭ, при этом повороты могут проводиться регулярно или эпизодически, автоматически или вручную, как в подготовительных стационарных режимах, так и в рабочих, при реальном возмущенном движении объекта; реализуют эффективную фильтрацию шумов измерений без динамических ошибок и детектирования; реализуют статистическую обработку и оценивание фильтром Калмана суммарных смещений ММЭ и их остаточной несоосности.

Способ автономного повышения точности применения микромеханической элементной базы, отличающийся тем, что

- на основе синхронных измерений избыточного количества соосных ММЭ путем поворота по крайней мере одного из них на 180° и попарным сопоставлением с ним измерений остальных ММЭ определяются суммарные (систематические плюс случайные) смещения нулей всех ММЭ, при этом повороты могут проводиться регулярно или эпизодически, автоматически или вручную, как в подготовительных стационарных режимах, так и в рабочих, при реальном возмущенном движении объекта;

- реализуется эффективная фильтрация шумов измерений без динамических ошибок и детектирования;

- реализуется статистическая обработка и оценивание фильтром Калмана суммарных смещений ММЭ и их остаточной несоосности.