1. giới thiệu
Với sự phát triển nhanh chóng của máy bay không người lái, xe tự lái và robot thông minh, nhận thức chính xác cao đã trở nên ngày càng quan trọng.IMU đóng vai trò là "cái tai bên trong và não nhỏ" của thiết bị thông minhNó giữ cho thái độ ổn định và định vị liên tục khi GPS thất bại hoặc môi trường thay đổi mạnh mẽ.
Nhiều người nghĩ rằng độ chính xác điều hướng cao hơn chỉ phụ thuộc vào các cảm biến đắt tiền hơn.chỉ dựa vào phần cứng cao cấp sẽ làm tăng đáng kể chi phí và gây ra hiệu suất sản phẩm không nhất quánĐịnh chuẩn cung cấp một giải pháp thông minh và hiệu quả hơn về chi phí.
Định chuẩn IMU về cơ bản là một quy trình chuyên nghiệp "kiểm tra và sửa chữa". Nó tìm ra các quy tắc lỗi vốn có của mỗi cảm biến thông qua các thử nghiệm tiêu chuẩn,biến các lỗi không thể đoán trước thành các thông số có thể tính toán và bù đắp, và tối đa hóa hiệu suất của phần cứng hiện có. Nó đảm bảo IMU đầu ra dữ liệu ổn định và chính xác trong các môi trường và trạng thái làm việc khác nhau.
2Định chuẩn IMU là gì?
Nói một cách đơn giản, hiệu chuẩn là một quy trình điều chỉnh tiêu chuẩn. Chúng tôi nhập các tín hiệu chuyển động tiêu chuẩn và được biết đến vào IMU, chẳng hạn như tư thế cố định và tốc độ xoay ổn định.Bằng cách so sánh đầu vào tiêu chuẩn và đầu ra thực tế của cảm biến, chúng ta tóm tắt các quy tắc lỗi nội bộ và hình thành một thuật toán sửa lỗi cố định.
Định chuẩn không làm đẹp dữ liệu cá nhân. Mục tiêu cốt lõi của nó là làm cho kết quả đo của cảm biến phù hợp, ổn định và đáng tin cậy trong tất cả các kịch bản.Một kết quả hiệu chuẩn có ba đặc điểm:
-
Có thể giải thích: Tất cả các lỗi tương ứng với các nguyên nhân vật lý rõ ràng, chẳng hạn như thiên vị bằng không, lỗi yếu tố quy mô và sai đường trục.
-
Có thể dự đoán được: Xu hướng sai sót trong các điều kiện làm việc khác nhau có thể được dự đoán trước.
-
Có thể xác minh: Hiệu ứng điều chỉnh có thể được kiểm tra với dữ liệu mới để đáp ứng các tiêu chuẩn của ngành.
3Nguồn chính của lỗi IMU
Lỗi IMU chủ yếu được chia thành ba loại, trong đó sai lầm có hệ thống là mục tiêu chính của hiệu chuẩn:
-
Lỗi hệ thống: Các lỗi ổn định và thường xuyên bao gồm sự thiên vị bằng không, sai lệch yếu tố quy mô và trục không thẳng đứng. Những lỗi cố định này có thể được mô hình hóa và bù đắp chính xác.
-
Lỗi ngẫu nhiên: Giảm tiếng ồn bất thường, không thể loại bỏ hoàn toàn. Nó thường được tối ưu hóa thông qua thuật toán thống kê và lọc.
-
Lỗi lắp đặt và nối: Do sai lệch lắp đặt cơ khí, hiệu ứng cánh tay đòn bẩy và sự khác biệt đồng bộ hóa thời gian, cần được điều chỉnh bằng hiệu chuẩn ở cấp hệ thống.
4. Các loại hiệu chuẩn phổ biến
4.1 Kiểm định cấp thiết bị và hệ thống
Định chuẩn ở cấp thiết bịNó được hoàn thành trong phòng thí nghiệm với các máy quay chính xác và các thử nghiệm đa vị trí tĩnh để sửa lỗi thiên vị bằng không, yếu tố quy mô và các lỗi nối trục.
Định chuẩn ở cấp hệ thốngnhằm mục đích các lỗi thiết bị tổng thể sau khi lắp đặt IMU. Nó điều chỉnh góc lệch lắp đặt,hiệu ứng cánh tay đòn bẩy và lỗi không đồng bộ thời gian bằng cách kết hợp dữ liệu tham chiếu GNSS và trạng thái chuyển động thực tế của tàu sân bay.
4.2 Kiểm định tại nhà máy và Kiểm định thứ cấp của người dùng
Chuẩn đoán tại nhà máyCác thông số hiệu chuẩn được cố định trong thiết bị để đảm bảo sự nhất quán của các sản phẩm nhà máy.
Định chuẩn thứ cấpCác lỗi sẽ tăng nhẹ do vận chuyển, lắp đặt và lão hóa lâu dài.
Định chuẩn trực tuyến thời gian thựctự động điều chỉnh các thông số thông qua các thuật toán trong quá trình vận hành thiết bị, phục vụ như một bổ sung thời gian thực cho hiệu chuẩn ngoại tuyến.
5Phương pháp thử nghiệm hiệu chuẩn cốt lõi
5.1 Thử nghiệm lăn tĩnh máy gia tốc
Trọng lực của Trái đất (1g) là một tham chiếu tiêu chuẩn và ổn định. IMU được cố định trên một vật cố định và đặt trong sáu thái độ tĩnh tiêu chuẩn, với mỗi trục hướng lên và xuống tương ứng.Bằng cách thu thập dữ liệu tĩnh dưới trọng lực, chúng ta có thể tính chính xác tỷ lệ thiên vị bằng không, nhân thang đo và lỗi trục ngang của máy đo tốc độ. Đây là phương pháp hiệu quả nhất và hiệu quả nhất.
5.2 Kiểm tra tốc độ quay của máy quay
Máy quay đo tốc độ góc, vì vậy chúng cần chuyển động tiêu chuẩn năng động để hiệu chuẩn.Một bàn xoay tốc độ chính xác cao cung cấp ổn định và chính xác chuyển động về phía trước và ngược với tốc độ khác nhauBằng cách so sánh đầu ra của máy quay với giá trị tiêu chuẩn của máy quay, sai lệch không và yếu tố quy mô của mỗi trục có thể được điều chỉnh chính xác.Máy quay đa trục có thể hoàn thành hiệu chuẩn toàn trục cùng một lúc với hiệu quả cao hơn.
5.3 Định chuẩn nhiệt độ
Các thông số IMU bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ.cảm biến được đặt trong buồng nhiệt độ có thể lập trình để lặp lại các thử nghiệm tĩnh và động trong phạm vi nhiệt độ đầy đủ (-40 °C ~ +85 °C)Cuối cùng, một mô hình bù đắp nhiệt độ được thiết lập.Hệ thống sẽ tự động khớp các thông số điều chỉnh theo nhiệt độ thời gian thực để đảm bảo hiệu suất ổn định trong môi trường khắc nghiệt.
5.4 Thử nghiệm hiệu chuẩn rung
Xét nghiệm rung động được sử dụng để xác minh phản ứng động của cảm biến.Khả năng chống rung động và độ nhạy tăng tốc, đảm bảo hoạt động ổn định trong các kịch bản rung động như xe cộ và máy bay.
6. Quy trình hiệu chuẩn cấp hệ thống
Việc hiệu chuẩn hệ thống hoàn chỉnh tuân theo quy trình vòng kín trưởng thành để đảm bảo các thông số chính xác và đáng tin cậy:
Bước 1: Xây dựng mô hình lỗiThiết lập các mô hình tham số nội bộ (sự thiên vị bằng không, yếu tố quy mô, sai đường trục) và các mô hình tham số bên ngoài (lỗi cánh tay đòn bẩy, lệch cài đặt) để định lượng tất cả các lỗi.
Bước 2: Phân tích sự lây lan lỗi. Mô phỏng làm thế nào các lỗi cảm biến nhỏ tích lũy và ảnh hưởng đến thái độ, tốc độ và kết quả định vị.
Bước 3: Đặt các tham chiếu quan sát. Sử dụng các tham chiếu bên ngoài như tốc độ và vị trí GNSS, và các hạn chế vật lý bên trong như điều kiện không tốc độ tĩnh để cung cấp các điểm chuẩn chỉnh sửa.
Bước 4: Thiết kế quỹ đạo chuyển động khoa họcSử dụng chuyển đổi thái độ đa góc, xoay dương và âm và chuyển động nhiều tốc độ để kích thích đầy đủ tất cả các thông số lỗi.
Bước 5: Giải quyết và xác minh dữ liệuThu thập và làm sạch dữ liệu thử nghiệm, tính toán các tham số hiệu chuẩn thông qua các vuông nhỏ nhất và các thuật toán lọc và xác minh bằng dữ liệu độc lập.Củng cố các thông số vào thiết bị sau khi vượt qua thử nghiệm.
7Làm thế nào để đánh giá chất lượng hiệu chuẩn
Sự hội tụ các tham sốlà tiêu chuẩn cốt lõi cho hiệu chuẩn hóa đủ điều kiện. Trong quá trình lặp lại hiệu chuẩn hóa, tất cả các tham số lỗi sẽ được điều chỉnh nhanh chóng và cuối cùng có xu hướng ổn định chỉ với những biến động nhỏ.Các trạng thái cuối cùng ổn định và phẳng chứng minh rằng các thông số hiệu chuẩn là chính xác, hiệu quả và sẽ không trôi qua ngẫu nhiên trong sử dụng thực tế.
8. Tóm lại
Calibration là cách hiệu quả nhất chi phí để khai thác tiềm năng tối đa của phần cứng IMU. Nó không dựa trên nâng cấp cảm biến đắt tiền,nhưng loại bỏ các lỗi có hệ thống thông qua mô hình hóa tiêu chuẩn, kiểm tra và bù đắp. Nó làm cho mỗi IMU có hiệu suất đo lường nhất quán, ổn định và đáng tin cậy trong môi trường phức tạp và thay đổi.Đối với tất cả các thiết bị định vị tự động chính xác cao, hiệu chuẩn là một công nghệ cốt lõi không thể thiếu để đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài.
