В качестве основного компонента инерциальногонавигационная система, точность измерений IMU напрямую определяет общую производительность навигационной системы. Two-dimensional calibration of the IMU primarily involves calibrating the error parameters of the accelerometers and gyroscopes in the horizontal plane (typically a combination of pitch-roll or azimuth-pitch). Аскорость движения на двух осиСтол, с его высокоточным угловым позиционированием и возможностями управления положением, является основным оборудованием для достижения этой калибровки.основанные на отраслевых стандартах и инженерных практиках, подробно описывает весь процесс двухмерной калибровки IMU с использованием двухосиставкатаблица, охватывающая четыре основных этапа: подготовка к калибровке, основные процедуры калибровки, обработка и проверка данных и заключительные этапы, обеспечивающие стандартизациюиповторяемостьпроцесса калибровкии надежностькалибровкарезультаты.
I. Подготовка перед калибровкой
Для обеспечения точности калибровки необходима предварительная подготовка к калибровке.Установка и отладка ИМУ, и настройки программной системы, чтобы гарантировать, что каждый этап соответствует требованиям калибровки.
(Ⅰ) Выбор и проверка оборудования
1.Двойная осьставкавыбор таблицы: В зависимости от уровня точности IMU и требований к калибровке, выберите двухосевуюставкаДля IMU средней и высокой точности (например, IMU навигационного класса),ставкаточность углового положения стола должна быть лучше 10′′, а перпендикулярность оси лучше 5′′; для потребительских ИМУ,ставкаточность таблицы может быть соответствующим образом уменьшена (точность углового положения ≤ 30 ′′).ставкатаблица должна поддерживать режимы статического позиционирования и динамической скорости вывода и соответствовать требованиям калибровки для акселерометра с нулевым уклоном и коэффициентом масштабирования,а также гироскоп с нулевым уклоном и коэффициентом масштаба.
2.Проверка вспомогательного оборудования: Подготовить высокоточный источник питания (стабильность выходного напряжения ≤ 0,1%), чтобы питать IMU, гарантируя, что колебания напряжения не вызывают ошибок измерения;использовать карту сбора данных (скорость отбора проб ≥ 100 Гц), разрешение ≥16 бит) для получения сигналов ускорения и угловой скорости, выпускаемых IMU, а также сигналов обратной связи углового положения/угловой скоростиставкатаблицы; проверьте сервоуправляющую систему с помощьюставкаВ дополнение к этому, такие инструменты, какУравнительный прибори крутящий момент требуются для выравнивания и фиксации МУУ после установки.
3.Калибровка и проверка оборудования: предварительная калибровка двойной осиставкатаблица выполняется для проверки ее углового положения,угловая скоростьточность и перпендикулярность оси,среди других технических спецификацийФактические и заданные значения для каждой осиставкаПри измерении отклонений от таблицы в разных угловых положениях следует иметь в виду, что отклонения не превышают допустимых пределов.ставкагоризонтальная эталонная плоскость таблицы проверяется, чтобы убедиться, что ее ровность лучше5Одновременно IMU включается и предварительно нагревается, записывается его начальное состояние выхода и устраняются первоначальные неисправности оборудования.
(Ⅱ) Контроль состояния окружающей среды
1.Контроль температуры: на параметры ошибок ИМУ существенно влияет температура. температура калибровочной среды должна контролироваться при (20±2)°C, а скорость изменения температуры должна быть ≤ 0,5°C/h. This can be achieved through a constant temperature laboratory or a temperature control system to ensure temperature stability during calibration and reduce the impact of temperature drift on the calibration results.
2.Контроль вибрации и помех: Окружающая среда калибровки должна быть удалена от источников вибрации (таких как станки-инструменты, вентиляторы),тяжелые транспортные средства и т.д.), а на земле должны быть приняты вибрационные изоляционные меры (например,строительство фундамента для вибрационной изоляции илиВ то же время избегайте сильных электромагнитных помех и заземляйте устройство.ставканастольное оборудование, ИМУ и оборудование для сбора данных (сопротивление заземления ≤ 4Ω) для уменьшения помех электромагнитного шума на выходный сигнал ИМУ.
3.Контроль давления и влажности воздуха: Для МУП, которые используют давление воздуха для калибровки (например, некоторые комбинированные МУП с барометрами), давление окружающего воздуха должно стабилизироваться при стандартном атмосферном давлении (101,325 кПа±1 кПа),и относительная влажность должна контролироваться на уровне 40% ~ 60% для предотвращения изменений влажности, в результате которых внутренние схемы МУМ становятся влажными или ухудшаются характеристики изоляции..
(Ⅲ) Установка и устранение ошибок IMU
1.Механическая установка: Закрепите ИМУ нарабочий стол двухосной скоростной таблицы с использованием специального зажима, гарантируя, что ось обнаружения IMU выровнена ссъелОбычно ось X МУ должна быть параллельна оси вращениясъелВнутренняя (или внешняя) ось стола, а ось Z должна быть перпендикулярной rсъелплоскость рабочего стола стола (т. е. в направлении силы тяжести).избегать чрезмерной расслабленности, которая может привести к смещению МУУ во время калибровки, или чрезмерной герметичности, которая может вызвать деформацию конструкции МУМ.
2.Калибровка выравнивания оси: Точность выравнивания между IMU иставкаСначала настраивайтеставкаЗатем, поворачиваяставкатаблицы, проверьте параллелизм между осью обнаружения ИМУ иставкаось вращения стола. Ошибка параллелизма должна быть ≤ 5′′. Если точность выравнивания не соответствует требованиям,регулировать положение светильника и повторять калибровку, пока он не соответствует стандарту.
3.Электрическое соединение и отладка: подключить ИМУ к питанию и карте сбора данных, обеспечивая безопасную проводку и хороший контакт, чтобы избежать потери сигнала или искажения, вызванного свободными соединениями.время предварительного нагрева зависит от типа ИМУ (ИМУ навигационного класса обычно требуют 30-60 минут)При предварительном нагревании следует контролировать стабильность выходного сигнала ИМУ.чрезмерный шум, или другие аномалии возникают, устранить неполадки в проводке или оборудовании.
(Ⅳ) Настройка программной системы
1.Конфигурация программного обеспечения управления: Установка двойной осиставкаПрограммное обеспечение для управления столом и настройкисъелпараметры оси таблицы (например, диаметр вала, соотношение передачи), режим управления (статический/динамический), угловое положение/угловая скоростьнастройки, и т. д. Одновременно устанавливают условия запуска сбора данных, чтобы обеспечить, чтобы сбор данных начался только послесъелПоложение стола стабилизировалось, избегая помех сигнала во время перехода.
2.Отладка программного обеспечения для сбора данных: отладка программного обеспечения для сбора данных, установка параметров, таких как скорость выборки, продолжительность выборки и формат хранения данных (например, CSV, MAT файл).Создать механизм синхронного захвата выходного сигнала ИМУ иставкасигналы обратной связи таблицы, обеспечивающие соответствие их временных меток погрешности ≤1 мс. Проверяют целостность и точность сбора данных посредством симулируемых тестов сбора данных,и устранение проблем, таких как потеря данных и задержки.
3.Развертывание алгоритма калибровки: на основе требований к калибровке (например, калибровке акселерометров/калибровки факторов масштабирования, гироскопов/калибровки факторов масштабирования),развернуть соответствующий алгоритм калибровки (например, метод наименьших квадратов), метод фильтра Калмана). Инициализируйте параметры алгоритма, такие как количество итераций и порог конвергенции,чтобы гарантировать, что алгоритм может точно решать параметры ошибок IMU.
II. Процесс калибровки ядра
Процесс калибровки ядра вращается вокруг двух основных компонентов IMU: акселерометра и гироскопа.На основе возможностей статического позиционирования и динамического управления скоростью двойной осиставкаВ таблице, параметры ошибки в двух измерениях калибровываются шаг за шагом.статическая калибровка акселерометра, гироскопа статической калибровки с нулевым уклоном и гироскопа динамической калибровки скорости.
(ⅠСтатическая калибровка акселерометра
Цель статической калибровки акселерометра заключается в том, чтобы найти его нулевую предвзятость и коэффициент масштабирования.Он использует проекцию гравитационного ускорения при различных положениях как справочный вход, и устанавливает модель ошибок и решает параметры путем измерения сигнала ускорения, выпускаемого IMU.
1.Планирование отношения к калибровке: На основе двумерных направлений наклона и проката, запланировано шесть типичных статических положений (обеспечение того, чтобы гравитационное ускорение могло полностью покрыть X, Y,и чувствительных к Z оси акселерометра)Специфические положения следующие: 1 наклона 0°, прокат 0° (ось Z положительная в направлении гравитации); 2 наклона 0°, прокат 180° (ось Z отрицательная в направлении гравитации); 3 наклона 90°,Прокат 0° (ось X положительная в направлении тяжести); 4 наклона 90°, прокат 180° (ось X отрицательная в направлении тяжести); 5 наклона 0°, прокат 90° (ось Y положительная в направлении тяжести); 6 наклона 0°,Прокат 270° (ось Y отрицательная в направлении тяжести).
2.Корректировка и стабилизация отношения: Угловые команды положения для каждого положения последовательно отправляются через двойную осьставкаПрограммное обеспечение управления столом.ставкатаблица заставляет IMU вращаться к целевому положению, он остается статически стабильным. время стабилизации для каждого положения ≥30 с,обеспечение стабильности выходящего сигнала ускорения IMU (амплитуда флуктуации сигнала ≤0При стабилизации сигнал обратной связи углового положенияставкаЕсли отклонение от положения превышает допустимый диапазон (≤ 5′′),ставкатаблица автоматически выполняет корректировки компенсации.
3.Получение и запись данных: После каждой стабилизации положения программное обеспечение для сбора данных активируется для получения сигналов ускорения оси X, Y и Z, выпускаемых IMU. Длительность отбора проб ≥ 10 с,и частота отбора проб ≥ 100 ГцОдновременно фактическое угловое положениеставкаЗаписывается таблица (угол наклона θ, угол проката φ) для расчета значения проекции гравитационного ускорения на каждой чувствительной оси (справочный вход).Полученные данные хранятся в соответствии с, четко обозначенные информацией о положении и временной маркировкой.
4.Установление модели ошибки и решение параметров: Модель ошибки акселерометра устанавливается, игнорируя ошибки перекрестного сцепления (которые могут быть упрощены в двухмерной калибровке).
a = K(a + b) (i=X,Y,Z)
где a - ускорение выходящей I-й оси IMU, K - масштабный коэффициент I-й оси, a - эталонное ускорение I-й оси (проекция гравитационного ускорения),и b - нулевая предвзятость i-й оси. На основе справочного ускорения a (вычисленного из θ и φ, например, Z-оси справочного ускорения a = g·cosθ·cosφ, X-оси справочного ускорения a = g·sinθ,Ускорение отсчета по оси Y a=g·sinφ·cosθ, где g - гравитационное ускорение, принятое как 9,80665 м/с2) и соответствующие a, K и b решаются с помощью метода наименьших квадратов.
(II)Калибровка гироскопа с статическим нулевым уклоном
Статический нулевой уклон гироскопа относится к выходному отклонению гироскопа при отсутствии ввода угловой скорости.Она должна быть решена с помощью долгосрочного сбора данных, пока IMU находится в неподвижном состоянии..
(III)Калибровка динамической скорости гироскопа
Целью калибровки динамической скорости гироскопа является определение ее коэффициента масштабирования.ставкатаблицу в качестве эталонного ввода, устанавливается модель ошибки, и коэффициент масштабирования решается путем измерения выходного сигнала гироскопа.
1.Выбор положения калибровки: Выберите горизонтальное положение с наклоном 0° и поворотом 0°. При этом положении IMU не имеет ввода угловой скорости, а выход гироскопа содержит только нулевую предвзятость и шум.ставкаСтол не должен вращаться в этом положении; просто держите сцену горизонтальной и стабильной.
2.Долгосрочное получение данных: Запустить программное обеспечение для сбора данных и получить выходные сигналы оси X, Y и Z гироскопа. Время отбора должен быть ≥60 минут и частота отбора ≥100 Гц.В процессе приобретения, постоянно контролировать температуру окружающей среды иставкаположение стола для обеспечения стабильности температуры (вспышки ≤ 0,2°C) и отсутствия смещения положения (отклонение ≤ 5′′) для избежания введения дополнительных ошибок из-за внешних факторов.
3.Расчет нулевой предвзятости: полученные выходной данные гироскопа предварительно обрабатываются для удаления отклонений (с использованием критерия 3σ), а затем вычисляется среднее значение выходного сигнала каждой оси.Это среднее значение является статическим нулевым уклоном b гироскопа (i = XВ то же время, стандартное отклонение данных рассчитывается для оценки уровня шума гироскопа.Если стандартное отклонение слишком большое (превышает технические спецификации IMU)Необходимо исследовать неисправность оборудования или воздействие окружающей среды.
4.Планирование ставки: В зависимости от диапазона IMU и фактического сценария применения планируйте динамические точки скорости как в размерах наклона, так и в размерах проката.покрытие форвардных и реверсных ставок (e.g., -100°/s, -50°/s, 0°/s, 50°/s, 100°/s), где точка скорости 0°/s используется для проверки согласованности статического нулевого искажения.При выборе пунктов тарифов должно быть обеспечено, чтобы они не превышали диапазон IMU и чтобыставкатаблица может стабильно выводить скорость (стабильность скорости ≤ 0,1°/с).
5.Уровень выпуска и стабилизация: Команды для каждой скорости точки последовательно отправляются в угол и роллевые измерения через двойную осьставкаПрограммное обеспечение управления столом.ставкаПри этом, если при помощи таблицы IMU вращается к целевой скорости, он сохраняет динамическую стабильность с временем стабилизации ≥ 20 с. Во время стабилизации сигнал обратной связи угловой скоростиставкаЕсли отклонение скорости превышает допустимый диапазон (≤0,5°/s),ставкатаблица автоматически выполняет компенсацию ставки.
6.Получение и запись данных: После того, как каждая точка скорости стабилизируется, запускается программное обеспечение для сбора данных для получения выходного сигнала соответствующей чувствительной оси гироскопа (например,получает выход гироскопа по оси X при вращении в измерении толщины, и получают выход гироскопа по оси Y при вращении в измерении ролика). Время отбора проб ≥10 с, и скорость отбора проб ≥100 Гц. В то же время записывают фактическую угловую скоростьставкатаблица (справочный вход ω), и хранить данные в соответствии с точкой скорости и размером.
7.Установление модели ошибок и решение параметров: Модель погрешности скорости для гироскопа устанавливается, игнорируя ошибки перекрестного сцепления.
ω = K(ω + b) (i=X,Y)
где ω - выходной угловой скорости i-й оси гироскопа, K - масштабный коэффициент i-й оси, ω - эталонный угловой скорости i-й оси (фактический выходной скоростиставкатаблицы), а b - статический нулевой уклон i-й оси (уже решенный в статической калибровке).и решить для K с помощью метода наименьших квадратов.
Ⅲ.Обработка и проверка данных
Обработка и проверка данных являются ключевыми шагами для обеспечения надежности результатов калибровки.,должна быть проведена проверка повторяемости и проверка точности. Если проверка не удается, процесс должен быть возвращен к процедуре калибровки ядра для перекалибровки.
1.Удаление отклонения: Критерий 3σ или Критерий Граббса используется для обнаружения и удаления отклонений от исходных данных (сигналы ускорения, угловой скорости).Среднее значение μ и стандартное отклонение σ данных вычисляютсяДанные, превышающие диапазон [μ-3σ, μ+3σ], обозначаются как отклонения и заменяются интерполяцией соседних данных или удаляются непосредственно.
2.Фильтрация: Заранее обработанные сырые данные фильтруются низкопроходным фильтром для удаления высокочастотного шума.и частота отсечения определяется на основе полосы пропускания IMU (обычно от 1/5 до 1/3 полосы пропускания IMU), чтобы избежать чрезмерной фильтрации и искажения сигналаФильтрованные данные используются для последующего расчета параметров ошибок.
3.Выравнивание синхронизации данных: Для устранения расхождения часовой метки между выходной сигналом IMU иставкаЭто гарантирует, что каждый набор данных IMU выхода соответствует точномуставкаположение таблицы или состояние частоты, с ошибкой синхронизации ≤1 мс.
4.ПараметрсОтображениеoоптимизация:Заменить предварительно обработанные данные в модели ошибок акселерометра и гироскопа и использовать метод наименьших квадратов для решения параметров ошибки, таких как нулевая предвзятость и коэффициент масштабирования.Для сложных сценариев, метод фильтрации Калмана может быть использован для оптимизации результатов параметрового решения, улучшая точность и стабильность оценки параметров.
5.Анализ остатков: Вычислить остаточные значения между наблюдаемыми значениями (выходной IMU) и предсказаниями модели в каждой калиброванной точке положения/скорости.Если среднее значение остатков близко к 0, а стандартное отклонение небольшое (остаточное стандартное отклонение ускорения ≤ 0),.002g, остаточное стандартное отклонение угловой скорости ≤ 0,1°/с), это указывает на то, что модель подходит хорошо.с учетом ошибки перекрестного сцепления) или необходимо пересмотреть достоверность данных калибровки..
6.Проверка повторяемости: При одинаковых условиях окружающей среды и процедурах калибровки выполняются три полных опыта калибровки и определяются параметры ошибки для каждой калибровки.Вычислить коэффициент изменения (отношение стандартного отклонения к среднему значению) трех параметровЕсли коэффициент вариации ≤ 1%, результаты калибровки имеют хорошую повторяемость; если коэффициент вариации слишком велик,необходимо исследовать такие вопросы, как стабильность оборудования и воздействие окружающей среды;, и необходимо провести перекалибровку.
7.Проверка точности: В качестве точек проверки выбирают точки положения/скорости, не участвующие в калибровке. Заменяют калиброванные параметры ошибки в модель ошибок для компенсации выхода IMU,и вычислить ошибку между компенсированным выходом IMU и эталонным входомЕсли компенсируемая ошибка соответствует техническим спецификациям IMU (например, ошибка измерения ускорения ≤ 0,01 g, ошибка измерения угловой скорости ≤ 0,5°/s), то точность калибровки является удовлетворительной.Если ошибка не соответствует требованиям, процесс калибровки необходимо вновь оптимизировать (например, добавить больше точек положения/скорости для калибровки, скорректировать модель ошибки), и калибровка должна быть выполнена снова.
8.Проверка температурной устойчивости (необязательно): Если IMU должен работать в широком температурном диапазоне, эксперименты калибровки могут повторяться в разных температурах (например, -10°C, 0°C, 20°C, 40°C,60°C) для проверки изменения параметров ошибки с температуройДля улучшения точности измерений IMU при различных температурных условиях можно установить модель компенсации температуры для параметров ошибок.
9.Хранение данных классификации: предварительно обработанные необработанные данные, результаты решения параметров ошибок, отчеты о остаточных анализах, результаты проверки и т. д. классифицируются и хранятся в соответствии с датой калибровки, номером МУУ,и условия калибровочной средыФорматы хранения данных используют общие форматы (например, CSV, MAT, PDF), чтобы обеспечить читаемость и отслеживаемость данных.
10.Резервное копирование: Используйте несколько резервных копий архивированных данных (например, локальных жестких дисков и облачного хранилища), чтобы предотвратить потерю данных.четкое определение соответствующей цели, процесса и условий.
Ⅳ.Работы по отделке
Последние этапы включают в себя архивирование данных калибровки, восстановление и обслуживание оборудования,и подготовка отчета о калибровке с целью обеспечения прослеживаемости процесса калибровки и создания основы для последующего использования и обслуживания ИМУ.Доклад о калибровке представляет собой резюме работы по калибровке и должен всесторонне и точно фиксировать процесс калибровки и результаты, в основном включая следующее:
1.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!