Статьи
Якщо гіроскоп помиляється
Журнал РАДІОЛОЦМАН, травень 2017
Ian Beavers, Analog Devices
Analog Dialogue
питання:
Я чув, що обумовлена дрейфом параметрів помилка гіроскопа може накопичуватися в часі. Чи можливо таке і з моїм інерціальним вимірювальним пристроєм?
відповідь:
Помилка МЕМС гіроскопа, що вимірює кутову швидкість, має кілька інерційних складових, однією з яких є нестабільність зміщення. Незважаючи на це, инерциальное вимірювальний пристрій (ІІУ) має низку переваг перед дискретними компонентами, що забезпечують більш високий рівень його характеристик. ІІУ з шістьма ступенями свободи складається з декількох інерційних МЕМС датчиків, термокомпенсірованний і каліброваних для вирівнювання чутливості по ортогональних осях. Інерційних 3-осьовий гіроскоп здатний вимірювати кут повороту щодо певної точки, в той час як 3-осьовий акселерометр вимірює зміщення. Об'єднання показників датчиків виконується наступною обробкою за допомогою вбудованого цифрового сигнального процесора або мікроконтролера.
Гіроскопи схильні до нестабільності зсуву нуля, при якій початкова нульова точка гіроскопа дрейфує в часі через інтегрування властивих йому внутрішніх недосконалостей і шумів. Стабільність зміщення може бути відкалібрована в відомому температурному діапазоні ІІУ. Однак інтегрування постійної похибки зсуву призводить до кутовий помилку. Ця помилка буде накопичуватися в міру оцінки швидкості обертання або кута повороту системи з гіроскопом протягом тривалого часу. Небажаним наслідком дрейфу є безперервне збільшення помилки обчислюється курсового параметра. Що стосується акселерометрів, то вони чутливі до вібрацій і іншим негравітаціонних прискорень.
Дрейф гіроскопа обумовлений в основному інтеграцією двох складових: повільно змінюється, майже постійної змінної, званої нестабільністю зміщення нуля, і більш високочастотної шумовий змінної, званої випадковим блуканням кута (ARW - angular random walk). Ці параметри вимірюються в кутах повороту за одиницю часу. Найбільш чутливий до дрейфу кут рискання. Значна частина дрейфу гіроскопа по тангажу (висоті) і крену може бути усунена всередині ІІУ за допомогою зворотного зв'язку, що відстежує становище щодо направлення сили тяжіння. Ще одним широко поширеним методом часткового придушення помилок дрейфу є використання низькочастотного фільтра Калмана.
В ідеалі, для того щоб скорегувати дрейф гіроскопа по всіх осях, потрібні два еталонних параметра. ІІУ з дев'ятьма ступенями свободи, як правило, містять додаткові датчики магнітного поля, іноді по всіх трьох осях. Магнітометр вимірює рівень поля щодо північного магнітного полюса Землі. Спільно з акселерометром ці датчики можуть використовуватися в якості джерела ще одного зовнішнього опорного сигналу, щоб пом'якшити вплив помилки дрейфу гіроскопа на вісь нишпорення. Однак підхід, заснований на просторової корекції за допомогою магнітометрів, може давати менш надійні результати, оскільки існує безліч об'єктів, що створюють магнітне поле того ж порядку величини, що і Земля.
Ще одним з найбільш дієвих методів нейтралізації довготривалого дрейфу є оновлення кутової швидкості в гіроскопі. Всякий раз, коли стає достеменно відомо, що пристрій знаходиться в повністю стаціонарному стані, зміщення гіроскопа обнуляється по відповідним осях. Можливість і ефективність застосування цього методу залежать від конкретного додатка. Але в будь-якому випадку, коли система знаходиться в стані спокою - на холостому ходу автомобіля, при зупинці автономного робота або в інтервалах між кроками йде людини - це час можна використовувати для обнулення гіроскопа.
Зрозуміло, використання ультрасучасних ІІУ з мінімальної конструктивної нестабільністю зміщення нуля в початковий момент може надавати найбезпосередніший вплив на дрейф гіроскопа. Постійна помилка зміщення гіроскопа може бути виміряна шляхом усереднення результатів вимірювань за великий період часу, поки пристрій не обертається. Залежність величини дрейфу ІІУ за одну годину від часу інтегрування t характеризують девіацій Аллана. Зазвичай для цього використовуються графіки з логарифмічними масштабами по осях X і Y. Новітнім продуктом Analog Devices в портфелі високоефективних ІІУ тактичного класу є мікросхема ADIS16490 , Що має нестабільність зміщення всього 1.8 ° на годину. Це відображено в показаному на рисунку 1 графіку девіації Аллана, де помилка 1.8 ° перебуває в точці, що відповідає одній годині (3600 секундам).