Если гироскоп ошибается

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2017

Ian Beavers, Analog Devices

Analog Dialogue

Вопрос:

Я слышал, что обусловленная дрейфом параметров ошибка гироскопа может накапливаться во времени. Возможно ли такое и с моим инерциальным измерительным устройством?

Ответ:

Ошибка МЭМС гироскопа, измеряющего угловую скорость, имеет несколько инерциальных составляющих, одной из которых является нестабильность смещения. Несмотря на это, инерциальное измерительное устройство (ИИУ) обладает рядом преимуществ перед дискретными компонентами, обеспечивающих более высокий уровень его характеристик. ИИУ с шестью степенями свободы состоит из нескольких инерциальных МЭМС датчиков, термокомпенсированных и калиброванных для выравнивания чувствительности по ортогональным осям. Инерциальный 3-осевой гироскоп способен измерять угол поворота относительно определенной точки, в то время как 3-осевой акселерометр измеряет смещение. Объединение показаний датчиков выполняется последующей обработкой с помощью встроенного цифрового сигнального процессора или микроконтроллера.

Гироскопы подвержены нестабильности смещения нуля, при которой начальная нулевая точка гироскопа дрейфует во времени из-за интегрирования присущих ему внутренних несовершенств и шумов. Стабильность смещения может быть откалибрована в известном температурном диапазоне ИИУ. Однако интегрирование постоянной погрешности смещения приводит к угловой ошибке. Эта ошибка будет накапливаться по мере оценки скорости вращения или угла поворота системы с гироскопом в течение длительного времени. Нежелательным следствием дрейфа является непрерывное увеличение ошибки вычисляемого курсового параметра. Что касается акселерометров, то они чувствительны к вибрациям и иным негравитационным ускорениям.

Дрейф гироскопа обусловлен в основном интегрированием двух составляющих: медленно меняющейся, почти постоянной переменной, называемой нестабильностью смещения нуля, и более высокочастотной шумовой переменной, называемой случайным блужданием угла (ARW – angular random walk). Эти параметры измеряются в углах поворота за единицу времени. Наиболее чувствителен к дрейфу угол рысканья. Значительная часть дрейфа гироскопа по тангажу (высоте) и крену может быть устранена внутри ИИУ с помощью обратной связи, отслеживающей положение относительно направления силы притяжения. Еще одним широко распространенным методом частичного подавления ошибок дрейфа является использование низкочастотного фильтра Калмана.

В идеале, для того чтобы скорректировать дрейф гироскопа по всем осям, требуются два эталонных параметра. ИИУ с девятью степенями свободы, как правило, содержат дополнительные датчики магнитного поля, иногда по всем трем осям. Магнитометр измеряет уровень поля относительно северного магнитного полюса Земли. Совместно с акселерометром эти датчики могут использоваться в качестве источника еще одного внешнего опорного сигнала, чтобы смягчить влияние ошибки дрейфа гироскопа на ось рыскания. Однако подход, основанный на пространственной коррекции с помощью магнитометров, может давать менее надежные результаты, поскольку существует множество объектов, создающих магнитное поле того же порядка величины, что и Земля.

Еще одним из наиболее действенных методов нейтрализации долговременного дрейфа является обновление угловой скорости в гироскопе. Всякий раз, когда становится достоверно известно, что устройство находится в полностью стационарном состоянии, смещение гироскопа обнуляется по соответствующим осям. Возможность и эффективность применения этого метода зависят от конкретного приложения. Но в любом случае, когда система находится в состоянии покоя – на холостом ходу автомобиля, при остановке автономного робота или в интервалах между шагами идущего человека – это время можно использовать для обнуления гироскопа.

Рисунок 1.	Девиация Аллана для гироскопа ADIS16490.

Разумеется, использование ультрасовременных ИИУ с минимальной конструктивной нестабильностью смещения нуля в начальный момент может оказывать самое непосредственное влияние на дрейф гироскопа. Постоянная ошибка смещения гироскопа может быть измерена путем усреднения результатов измерений за большой период времени, пока устройство не вращается. Зависимость величины дрейфа ИИУ за один час от времени интегрирования t характеризуют девиацией Аллана. Обычно для этого используются графики с логарифмическими масштабами по осям X и Y. Новейшим продуктом Analog Devices в портфеле высокоэффективных ИИУ тактического класса является микросхема ADIS16490, имеющая нестабильность смещения всего 1.8° в час. Это отражено в показанном на Рисунке 1 графике девиации Аллана, где ошибка 1.8° находится в точке, соответствующей одному часу (3600 секундам).

Материалы по теме