1مقدمه
با توسعه سریع هواپیماهای بدون سرنشین، وسایل نقلیه مستقل و روبات های هوشمند، درک دقیق به طور فزاینده ای مهم شده است.IMU به عنوان "آغاز داخلی و مغز کوچک" تجهیزات هوشمند عمل می کند. آن را نگه می دارد حالت پایدار و ناوبری مداوم زمانی که GPS شکست می خورد یا محیط به شدت تغییر می کند.
بسیاری از مردم فکر می کنند که دقت بیشتر ناوبری فقط به سنسورهای گران قیمت تر بستگی دارد.تنها به سخت افزار با کیفیت بالا تکیه کردن به شدت هزینه ها را افزایش می دهد و منجر به عملکرد نامناسب محصول می شودکالیبراسیون یک راه حل هوشمندانه تر و مقرون به صرفه تر را فراهم می کند.
کالیبراسیون IMU اساساً یک فرآیند حرفه ای "بررسی و تصحیح" است.اشتباهات غیر قابل پیش بینی را به پارامترهای قابل محاسبه و جبران تبدیل می کند، و عملکرد سخت افزار موجود را به حداکثر می رساند. این تضمین می کند که IMU داده های پایدار و دقیق را در محیط های مختلف و حالت های کاری ارائه می دهد.
2کالیبراسیون IMU چیست؟
به عبارت ساده، کالیبراسیون یک فرآیند تصحیح استاندارد است. ما سیگنال های حرکت استاندارد و شناخته شده را به IMU وارد می کنیم، مانند حالت ثابت و سرعت چرخش پایدار.با مقایسه ورودی استاندارد و خروجی واقعی سنسور، ما قوانین خطای داخلی را خلاصه می کنیم و یک الگوریتم اصلاح ثابت را تشکیل می دهیم.
کالیبراسیون داده های فردی را زیبا نمی کند. هدف اصلی آن این است که نتایج اندازه گیری سنسور در همه سناریوها سازگار، پایدار و قابل اعتماد باشد.یک نتیجه کالیبراسیون واجد شرایط دارای سه ویژگی است:
-
قابل توضیح: تمام خطاها مربوط به علل فیزیکی واضح هستند، مانند تعصب صفر، خطای فاکتور مقیاس و اشتباه محور.
-
قابل پیش بینی: روند خطا در شرایط کار مختلف را می توان از قبل پیش بینی کرد.
-
قابل تایید: اثر تصحیح را می توان با داده های جدید برای پاسخگویی به استانداردهای صنعت آزمایش کرد.
3منابع اصلی خطاهای IMU
خطاهای IMU عمدتاً به سه دسته تقسیم می شوند که از جمله آنها خطاهای سیستماتیک اهداف اصلی کالیبراسیون هستند:
-
خطاهای سیستماتیک: خطاهای ثابت و منظم از جمله تعصب صفر، انحراف فاکتور مقیاس و محورهای غیر ارتگونال. این خطاهای ثابت را می توان با دقت مدل سازی و جبران کرد.
-
اشتباهات تصادفی: جیتر سر و صدا نامنظم، که نمی تواند به طور کامل از بین برود. معمولاً از طریق الگوریتم های آماری و فیلتر بهینه سازی می شود.
-
خطاهای نصب و اتصال: ناشی از انحراف نصب مکانیکی، اثر بازوی اهرم و تفاوت همگام سازی زمان، که باید با کالیبراسیون در سطح سیستم اصلاح شود.
4انواع رایج کالیبراسیون
4.1 کالیبراسیون در سطح دستگاه و سیستم
کالیبراسیون در سطح دستگاههدف گیری از خطاهای ذاتی سنسور است. این آزمایش در آزمایشگاه با چرخدانه های دقیق و آزمایش های چند موقعیت ثابت برای تصحیح انحراف صفر، عامل مقیاس و خطاهای اتصال محور انجام می شود.
کالیبراسیون در سطح سیستمهدف از آن خطا کلی تجهیزات پس از نصب IMU است. این زاویه انحراف نصب را اصلاح می کند.اثر بازوی اهرم و زمان خطاهای نامتزامن با ترکیب داده های مرجع GNSS و وضعیت حرکت واقعی حامل.
4.2 کالیبراسیون کارخانه و کالیبراسیون ثانویه کاربر
کالیبراسیون کارخانهدر طول تولید تکمیل می شود و پارامترهای کالیبر شده در دستگاه جامد می شوند تا ثبات محصولات کارخانه تضمین شود.
کالیبراسیون ثانویهاین کار توسط کاربران انجام می شود. خطاها به دلیل حمل و نقل، نصب و پیری طولانی مدت کمی افزایش می یابد. کالیبراسیون مجدد منظم می تواند عملکرد بهینه سنسور را بازگرداند.
کالیبراسیون آنلاین در زمان واقعیبه طور خودکار پارامترها را از طریق الگوریتم ها در طول کار تجهیزات تنظیم می کند که به عنوان یک مکمل در زمان واقعی برای کالیبراسیون آفلاین عمل می کند.
5روش های آزمایش کالیبراسیون هسته ای
5.1 آزمایش رول ایستاتیک اکسلرومتر
جاذبه زمین (۱g) یک مرجع استاندارد و پایدار است. IMU بر روی یک لامپ ثابت شده و در شش حالت ثابت استاندارد قرار دارد، هر محور به ترتیب به سمت بالا و پایین است.با جمع آوری داده های استاتیک تحت جاذبه، ما می توانیم با دقت تعصب صفر، عامل مقیاس و خطای محور متقابل شتاب سنج را محاسبه کنیم. این اساسی ترین و موثرترین روش کالیبراسیون استاتیک است.
5.2 آزمایش چرخ دار با سرعت ژایروسکوپ
جیروسکوپ ها سرعت زاویه ای را اندازه گیری می کنند، بنابراین برای کالیبراسیون به حرکت استاندارد پویا نیاز دارند.یک چرخ چرخ با سرعت دقیق بالا فراهم می کند ثابت و دقیق جلو و عقب چرخش در سرعت های مختلفبا مقایسه خروجی ژایروسکوپ با مقدار استاندارد صفحه پخش، انحراف صفر و خطا عامل مقیاس هر محور را می توان با دقت اصلاح کرد.گردنده های چند محور می توانند کالیبراسیون محور کامل را در یک زمان با کارایی بالاتر تکمیل کنند.
5.3 کالیبراسیون دمای
پارامترهای IMU به شدت تحت تاثیر درجه حرارت قرار می گیرند. انحراف صفر و حرکت به وضوح در محیط های با دمای بالا و پایین تغییر می کند. در طول کالیبراسیون حرارتی،سنسور در یک اتاق درجه حرارت قابل برنامه ریزی قرار می گیرد تا آزمایشات استاتیک و پویا را در محدوده کامل درجه حرارت (-40 °C ~ + 85 °C) تکرار کند.در نهایت، یک مدل جبران دما ایجاد می شود.سیستم به طور خودکار پارامترهای تصحیح را با توجه به دمای زمان واقعی مطابقت می دهد تا عملکرد پایدار را در محیط های شدید تضمین کند.
5.4 آزمایش کالیبراسیون ارتعاش
آزمایش لرزش برای تأیید پاسخ پویا سنسور استفاده می شود. از طریق پاک کردن سینوس و آزمایش لرزش تصادفی، می توانیم پهنای باند سنسور را تأیید کنیم،توانایی ضد لرزش و حساسیت شتاب، اطمینان از عملکرد پایدار در سناریوهای ارتعاش مانند وسایل نقلیه و هواپیما.
6فرآیند کالیبراسیون استاندارد در سطح سیستم
کالیبراسیون کامل سیستم به یک فرآیند کامل حلقه بسته برای اطمینان از پارامترهای دقیق و قابل اعتماد عمل می کند:
مرحله ۱: ساخت مدل خطابرای اندازه گیری همه اشتباهات، مدل های پارامتر داخلی (بی طرفی صفر، عامل مقیاس، عدم تراز محور) و مدل های پارامتر خارجی (خطای بازوی اهرم، انحراف نصب) ایجاد کنید.
مرحله ۲: تجزیه و تحلیل انتشار خطا. شبیه سازی چگونه اشتباهات سنسور کوچک تجمع و تاثیر روی رفتار، سرعت و موقعیت نتایج ناوبری.
مرحله سوم: مرجع مشاهدات را تنظیم کنید. استفاده از مرجع های خارجی مانند سرعت و موقعیت GNSS و محدودیت های فیزیکی داخلی مانند وضعیت صفر سرعت ثابت برای ارائه معیار های اصلاح استاندارد.
مرحله ۴: طراحی مسیر حرکت علمی. استفاده از تغییر موضع چند زاویه ای، چرخش مثبت و منفی و حرکت چند سرعت برای تحریک کامل تمام پارامترهای خطا
مرحله ۵: حل و بررسی داده هاجمع آوری و تمیز کردن داده های آزمایش، محاسبه پارامترهای کالیبراسیون از طریق حداقل مربع و الگوریتم های فیلتر و تأیید با داده های مستقل.تثبیت پارامترها در دستگاه پس از عبور از آزمایش.
7چگونه کیفیت کالیبراسیون را قضاوت کنیم
همگرایی پارامتراستاندارد اصلی برای کالیبراسیون واجد شرایط است. در طول تکرار کالیبراسیون، تمام پارامترهای خطا به سرعت تنظیم می شوند و در نهایت با نوسانات کوچک پایدار می شوند.وضعیت نهایی پایدار و صاف نشان می دهد که پارامترهای کالیبراسیون دقیق هستند، موثر است و در استفاده واقعی به صورت تصادفی حرکت نخواهد کرد.
8خلاصه
کالیبراسیون مقرون به صرفه ترین راه برای بهره برداری از حداکثر پتانسیل سخت افزار IMU است.اما اشتباهات سیستماتیک را از طریق مدل سازی استاندارد از بین می برد، آزمایش و جبران. این باعث می شود هر IMU عملکرد اندازه گیری سازگار، پایدار و قابل اعتماد را در محیط های پیچیده و در حال تغییر داشته باشد.برای تمام تجهیزات ناوبری مستقل با دقت بالا، کالیبراسیون یک فناوری اساسی ضروری برای اطمینان از عملکرد پایدار طولانی مدت است.
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!
