Выбор инерциальных датчиков
1.Классификация характеристик
Как правило, инерциальные датчики делятся на следующие три категории по производительности:
A. Навигационные и навигационно-инерциальные навигационные системы: Большие, точные и дорогие
Инерциальные навигационные системы морского класса - это самый высокий уровень коммерчески доступных датчиков, которые используются на кораблях, подводных лодках и иногда на космических аппаратах. Система способна обеспечить навигацию без посторонней помощи с дрейфом менее 1,8 км/сутки. Стоимость таких датчиков достигает 1 млн. долларов.
Характеристики инерциальной навигационной системы навигационного класса несколько ниже, чем у инерциальной навигационной системы морского класса, и обычно используется в коммерческих авиалайнерах и военных самолетах. Ее дрейф составляет менее 1,5 км/ч, а цена достигает 100 тыс. долл.
B. Тактические и промышленные инерциальные датчики: Высокая ценность для массового применения
Инерциальные датчики тактического и промышленного класса являются наиболее разнообразными из трех категорий, удовлетворяя самым разным требованиям по производительности и стоимости, и их рыночные возможности огромны. Эта категория используется во многих приложениях, где требуются высокопроизводительные данные при низкой стоимости для массового производства, - обычно в автономных газонокосилках, роботах-доставщиках, беспилотниках, сельскохозяйственных роботах, мобильных промышленных роботах и автономных кораблях. Несмотря на более низкую стоимость, покупатели платят за точность, производительность, размер и качество.
C. Датчики автомобильного и потребительского класса: Товарные приложения
На коммерческом рынке самый низкий класс IMU называется автомобильным. Эти датчики обычно продаются в виде отдельных акселерометров или гироскопов. Многие компании начали комбинировать несколько акселерометров и гироскопов разных производителей для создания независимых IMU. Даже при интеграции с другими навигационными системами, такими как GPS, точность IMU автомобильного класса недостаточна для инерциальной навигации. Эти датчики широко используются в системах подвески, подушках безопасности, антиблокировочных тормозных системах, развлекательных системах и других подобных приложениях.
2 Выбор гироскопа
Вот некоторые показатели, на которые следует обратить внимание в процессе выбора гироскопа:
Диапазон
Диапазон - это первое, что необходимо определить при выборе датчика. Максимальное значение входной угловой скорости в прямом и обратном направлениях гироскопа представляет собой диапазон измерений гироскопа. Чем больше это значение, тем выше чувствительность гироскопа. Единица измерения составляет: °/сек. Для общего управления полетом инерциальной навигационной системы можно выбрать значения 300 и 450 град/с, а остальные - в соответствии со своими сценариями использования.
Чувствительность
Указывает приращение минимальной входной угловой скорости, которая может быть воспринята при заданной входной угловой скорости. Меньше - значит лучше. При выборе необходимо выбрать соответствующий диапазон измерения для различных применений. Поскольку диапазон измерения велик, чувствительность будет соответственно снижена.
Погрешность упаковки
Чем меньше угловая погрешность между диагональю матрицы и диагональю упаковки, тем лучше.
Нелинейность
Масштабный коэффициент: Отношение выходного сигнала гироскопа к входной угловой скорости, которое представляет собой наклон прямой линии, полученной методом наименьших квадратов на основе данных входного/выходного сигнала, измеренных во всем диапазоне входных угловых скоростей.
Остаточная ошибка подгонки масштабного коэффициента определяет достоверность подогнанных данных и представляет собой отклонение реальных входных/выходных данных гироскопа. Нелинейность 0,1% от полной шкалы относится к нелинейности масштабного коэффициента.
Начальная погрешность смещения
Под нулевым смещением понимается выход гироскопа в состоянии нулевого входного сигнала, который выражается эквивалентным преобразованием среднего значения выходного сигнала за длительное время во входную угловую скорость, то есть степенью разброса значения наблюдения вокруг нулевого смещения, например, GSY-MG2 компании ERICCO -400, 0,05 град/час означает дрейф 0,05 град/час.
Устойчивость нулевого смещения
Долгосрочный устойчивый выход в состоянии нулевого входа является стационарным случайным процессом, то есть устойчивый выход будет колебаться и колебаться вокруг среднего значения (нулевого смещения), которое принято представлять в виде среднеквадратичной ошибки, что и определяется как устойчивость нулевого смещения. Начальную ошибку смещения нуля можно понимать как статическую ошибку, которая не колеблется со временем и может быть откалибрована программно.
Выходной шум
Когда гироскоп находится в состоянии нулевого входного сигнала, выходной сигнал гироскопа представляет собой суперпозицию белого шума и медленно меняющейся случайной функции. Медленно изменяющаяся случайная функция может быть использована для определения смещения нуля или индекса стабильности смещения нуля. Белый шум определяется как среднеквадратическое отклонение эквивалентной угловой скорости вращения под квадратным корнем из единичной полосы обнаружения, в единицах (°/сек)/√HZ или (°/час)/√Hz. Этот белый шум может быть также представлен угловым коэффициентом случайного гуляния в единицах °/√час, который обозначает коэффициент ошибки выхода гироскопа, накапливающийся в случайное время под действием белого шума. При неизменных внешних условиях можно считать, что основные статистические характеристики различных шумов, рассмотренных выше, не изменяются с течением времени.
Эффект линейного ускорения
Теоретически гироскоп проверяет только угловую скорость вращения, но фактически все гироскопы чувствительны к ускорению, причем ускорение силы тяжести является повсеместным, и в полевых условиях трудно обеспечить отсутствие влияния на гироскоп ускорения, вызванного ударами и вибрацией, поэтому в практических приложениях показатель чувствительности гироскопа к ускорению является очень важным.
Полоса пропускания
Гироскоп может точно измерять частотный диапазон входной угловой скорости. Чем больше этот диапазон, тем сильнее динамический отклик гироскопа.
Виброустойчивость
Если говорить о рабочих параметрах гироскопа, то первое, на что следует обратить внимание большинству разработчиков, - это стабильность нулевого смещения. Долгое время она считалась абсолютным стандартом технических характеристик гироскопа. Ведь это нижний предел разрешающей способности гироскопа, а значит, он должен быть лучшим индикатором чувствительности гироскопа! Однако на практике гироскоп по разным причинам имеет погрешности, так что пользователь не может получить заявленные в руководстве по эксплуатации индексные параметры. На самом деле многие параметры работы могут быть улучшены в последующих алгоритмах калибровки, например, смещение нуля, масштабный коэффициент, погрешность квадратурной оси, температурный дрейф.
При выборе гироскопа необходимо обратить внимание на минимизацию наибольшего источника погрешности. В большинстве приложений наибольшую погрешность дает чувствительность к вибрациям. Другие параметры можно легко улучшить путем калибровки или усреднения показаний нескольких датчиков. Стабильность смещения - одна из небольших составляющих бюджета погрешности.
В идеальном случае гироскоп должен измерять только скорость вращения, однако в практических приложениях все гироскопы обладают определенной чувствительностью к ускорению. Чувствительность или чувствительность к вибрации (чувствительность g2), поскольку большинство применений гироскопов приходится на устройства, которые движутся и/или вращаются в гравитационном поле Земли с ускорением 1g, чувствительность к ускорению часто является самым большим источником погрешности.
Очень дешевые гироскопы обычно проектируются с чрезвычайно простыми и компактными механическими системами и не оптимизируются по виброустойчивости (они оптимизируются по стоимости), поэтому вибрация может иметь серьезные последствия. Неудивительно, что чувствительность к g превышает 100°/ч/г, что более чем в 100 раз хуже, чем у высокопроизводительного MEMS (микромеханического) гироскопа GSY-MG2-400! Для этого гироскопа качество стабилизации нулевого перекоса не имеет особого смысла, небольшое вращение гироскопа в гравитационном поле Земли приведет к огромным погрешностям из-за его чувствительности.
Конечно, в некоторых практических приложениях многие добавляют к устройству механический антивибрационный компонент, и конструкция антивибрационного компонента - дело непростое, поскольку его отклик в широком диапазоне частот не является плоским, а на низких частотах он особенно плох, и его демпфирующие свойства меняются в зависимости от температуры и времени использования.
Поэтому в большинстве приложений виброустойчивость является весьма критичным показателем при выборе гироскопа.
В следующей таблице приведен примерный диапазон основных параметров гироскопов для различных классов использования:
