Розглянуто класифікацію, конструкцію та принцип роботи мікромеханічних осьових і маятникових акселерометрів. Наведено основні технічні характеристики й особливості конструкції та монтажу акселерометрів фірм Analog Devices, Motorola, STMicroelectronics та VTI Texhnologies. Запропоновано методи експериментального дослідження акселерометрів, випробувань і калібрування одно- та двовісних акселерометрів.

Рассмотрены классификация, конструкция и принцип работы микромеханических осевых и маятниковых акселометров. Приведены основные технические характеристики и особенности конструкции и монтажа акселометров фирм Analog Devices, Motorola, STMicroelectronics и VTI Texhnologies. Предложены методы экспериментального исследования акселерометров, испытаний и калибровки одно- и двухосевых акселерометров.

Описан косвенный метод определения коэффициента трения скольжения для механических систем. Рассмотрено поступательное движение тела по наклонной плоскости. В отличие от известного способа, когда коэффициент трения скольжения определяют по величине тангенса угла наклона, предложен способ определения трения по времени движения при различных углах наклона. Данный метод можно использовать при механических испытаниях различных материалов, а также при расчете и проектировании приборов.

Рассмотрены основные особенности скалярного метода калибровки блока гироскопов и акселерометров, который позволяет определять нулевые сигналы, погрешности масштабных коэффициентов и углы неортогональностей датчиков, не предъявляя жестких требований к угловой выставке испытательного оборудования и выставке датчиков на испытательном оборудовании. Однако, необходимо иметь достаточно высокую точность измерения нормированных выходных сигналов датчиков - алгоритм нормально работает при числе цифр не менее восьми после запятой в выходных сигналах акселерометров.

Описаны результаты работ, проводимых на кафедре приборов и систем ориентации и навигации НТУУ "КПИ", по исследованию скалярного способа калибровки блока гироскопов и акселерометров, который позволяет определять нулевые сигналы, погрешности масштабных коэффициентов и углов неортогональностей датчиков, не предъявляя жестких требований к угловой выставке испытательного оборудования. Однако при этом, как показано в работе, на точность скалярной калибровки влияют ошибки задания углов поворотов испытательного оборудования. Для решения проблемы сингулярности, возникающей при работе с матричными вычислениями, предложено перейти при расчетах от углов Эйлера-Крылова к кватернионам. Численное моделирование на ЭВМ подтвердило правильность предложенного способа.

Описаны результаты исследования воздействия акустического шума на поведение осевого навигационного акселерометра, который входит в качестве чувствительного элемента в состав бортовых приборов ракет и самолетов с реактивными двигателями. Получены полные аналитические выражения для переходной характеристики акселерометра. Анализ полученных выражений показал, что акустический шум приводит к появлению на выходе акселерометра дополнительного затухающего гармонического сигнала с амплитудой, зависящей от частоты шума. Основное влияние акустическое воздействие оказывает на длительность переходного процесса. Численные расчеты на ЭВМ подтвердили правильность полученных выводов.

Приведено описание макета инерциального измерительного модуля, предназначенного для проверки и отработки вычислительных алгоритмов бесплатформенной системы ориентации, построенной по MEMS технологии. Макет модуля состоит из трех одноосных микромеханических гироскопов, трех двухосных микромеханических акселерометров и двух магнитометров, а также двух микроконтроллеров, предназначенных для оцифровки сигналов гироскопов и магнитометров. Питание модуля, связь с компьютером и выполнение вычислительных алгоритмов ориентации, осуществляется посредством одного и того же USB-порта. Представлены результаты вычислений вариаций Аллана для исследования шумовых составляющих выходных сигналов акселерометров и гироскопов, которые позволяют оценить значения шумов и в дальнейшем применить их при цифровой фильтрации.

Описан косвенный метод определения угловой скорости вращения объекта, использующий измерение разности сопротивлений двух одинаковых круглых контуров с обратной схемой подключения. Данный метод может быть использован при создании электрических контурных гироскопов. В основе метода лежит гипотеза об инвариантности скорости распространения электрического тока в одном контуре. Если выходной сигнал макета пропорционален угловой скорости основания, то масштабный коэффициент зависит от величины тока, числа витков и радиуса контура, удельного сопротивления материала проводника, а также площади поперечного сечения проводника и скорости распространения электрического тока. Расчеты показывают реальность изготовления электрических контурных гироскопов.

Рассмотрен скалярный метод контроля и диагностики блока гироскопов и акселерометров, входящих в состав бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС). В основе метода лежит скалярный способ калибровки. Согласно методу, строятся алгоритмы контроля и диагностики. В результате проверки алгоритма контроля осуществляется контроль работоспособности всего блока гироскопов или акселерометров, а на основании алгоритма диагностики происходит определение отказавшего элемента и выясняется причина его отказа. Процесс проверок состоит в сравнении вычисленных оценок значений нулевых сигналов, погрешностей масштабных коэффициентов и углов неортогональностей датчиков с их соответствующими паспортными параметрами с учетом допусков к этим параметрам, хранящимися во внутренней памяти БИНС. В результате сравнения делается вывод о работоспособности датчиков, а также определяется, в каком датчике БИНС произошел отказ.

Виставка інерціальної навігаційної системи (ІНС) є важливим та складним етапом роботи системи, тому що від точності виставки та часу процесу виставки залежить точність її роботи. Мета роботи - дослідження можливості використання ПІД-регулятора для початкової виставки ІНС. Описано стандартний процес горизонтування за схемою "акселерометр-гіроскоп-платформа". Досліджено можливість використання ПІД-регулятора в режимі горизонтування платформи за схемою "акселерометр-платформа". Одержано розрахункові формули для визначення коефіцієнтів ПІД-регулятора, динамічні та точнісні характеристики режиму гірокомпасування для пропорційного закону керування гіроскопом. Наведено результати числового моделювання процесу горизонтування для кількох критеріїв вибору коефіцієнтів ПІД-регулятора. Висновки: використання стандартної форми Баттерворта і критерію мінімуму інтеграла від зваженого модуля помилки надає змогу зменшити час приведення і забезпечити необхідну точність. Використання ПІД-регулятора для режиму грубого горизонтування надає можливість забезпечити необхідну якість процесу регулювання.

Наведено новий метод калібрування інерціальних вимірювальних блоків для безплатформової інерціальної технології. Інерціальний вимірювальний блок складається з акселерометрів, гіроскопів і системи обробки сигналів. Як правило, для калібрування інерціального вимірювального блоку використовують метод тестових поворотів та обертання на поворотному столі. Новий метод калібрування основано на вимірюванні повного кута повороту або кінцевого обертання. Фактично пропонується повертати інерціальний вимірювальний блок навколо одної осі кінцевого повороту. Для розв'язання рівняння калібрування необхідно забезпечити рівність рангу основної матриці порядку базової матриці. Результати змодельованих даних ІВБ представлено для демонстрації ефективності нового методу калібрування.

Калібрування є важливим етапом роботи при введенні в експлуатацію таких навігаційних датчиків, як акселерометри. Мета роботи - дослідження можливості використання методу калібрування та корекції вихідних сигналів тривісного акселерометра (ТВАМ). Для роботи з моделями вихідних сигналів застосовуються матричні методи лінійної алгебри. Зокрема, для визначення невідомих параметрів моделі використано метод найменших квадратів. Алгоритм корекції вихідних сигналів представлено у вигляді матричного запису розв'язку системи лінійних рівнянь. Для оцінки ефективності корекції вихідних сигналів використано такі методи математичної статистики, як середньоквадратичне відхилення та математичне сподівання. Одержано розрахункові формули для визначення параметрів калібрування, розроблено коректувальну ланку для вихідних сигналів ТВАМ. Організовано експериментальні калібрування та опрацьовано одержані дані за допомогою алгоритму калібрування та коректувальної ланки. Наведено результати досліджень для кількох дослідних зразків ТВАМ. Зроблено висновки, що використання калібрувальних коефіцієнтів, що поєднують в собі похибки масштабних коефіцієнтів і неортогональності осей надає змогу значно зменшити обчислювальне навантаження на електронні блоки обробки сигналів та отримувати вихідні сигнали з задовільною точністю.

Запропоновано новий метод визначення широти місця для нерухомої основи. Метод базується на безплатформовій інерціальній технології, для чого використовується інерціально-вимірювальний модуль. Цей модуль складається з трьох акселерометрів, трьох гіроскопів та плати обробки сигналів. Показано, що постійні нахили основи не впливають на визначення широти. Проведені експерименти підтвердили справедливість нового методу визначення широти місця. Експериментальне устаткування складалося з інерціально-вимірювального модуля з лазерних гіроскопів та навігаційних акселерометрів. Розроблено математичну модель похибки визначення широти місця, яка залежить від похибок акселерометрів та гіроскопів. Приведено результати обчислень, які демонструють вимоги до характеристик чутливих елементів.

При выставке бесплатформенных инерциальных навигационных систем основными проблемами являются точность и время выставки. Обсужден вопрос точности выставки малогабаритной бескарданной курсовертикали, а именно точность режима гирокомпасирования. Цель работы - разработка математической модели погрешности режима гирокомпасирования. Для разработки математической модели погрешности режима гирокомпасирования на основе выходных сигналов акселерометров и гироскопов получена матрица направляющих косинусов. С использованием элементов матрицы направляющих косинусов методом варьирования получена полная математическая модель погрешности гирокомпасирования, которая зависит от дрейфов гироскопов, погрешностей акселерометров и погрешности определения широты места. Главным результатом исследования является вывод полной формулы погрешности гирокомпасирования. Выводы: наибольшее влияние на погрешность гирокомпасирования оказывает дрейф гироскопов. Поэтому для повышения точности выставки курсовертикали необходимо использовать более точные гироскопы.

Під час вирішення задач дослідження вібростійкості будівель, споруд та малих інженерних конструкцій, основним елементом системи контролю, що забезпечує проведення таких досліджень, є віброперетворювачі, від достовірності показів яких суттєво залежить працездатність системи в цілому. Перевірка функціонування та визначення параметрів таких приладів здійснюється за допомогою вібростендів. З урахуванням особливостей низькочастотних акселерометрів, для перевірки їх функціонального стану необхідні випробувальні стенди з діапазоном переміщень до 200 мм і частотним діапазоном у межах 0,1 - 10 Гц, такі стенди, зазвичай, мають великі розміри і вимагають стаціонарного встановлення в лабораторіях. Після транспортування на місце проведення випробувань, необхідно також провести перевірку працездатності віброперетворювачів і їх первинне калібрування. Але при перевірці портативних віброперетворювачів, особливо в польових умовах, виникає низка проблем, пов'язаних і з завданням необхідних параметрів вібрації, і з необхідністю проводити дослідження віброперетворювачів масою 5 - 10 кілограмів, що також потребує наявності випробувальних стендів, які частіше відсутні. Представлені два розроблені стенди для перевірки працездатності та контролю характеристик низькочастотних віброперетворювачів. Перший з них - двокомпонентний, переносний, автономний. Може бути використаний в польових умовах за відсутності мережевого електроживлення в місці проведення досліджень. Конструкція стенда дозволяє проводити перевірку акселерометрів як з горизонтальною, так і вертикальною осями чутливості. Особливістю стенду є, з одного боку, його портативність, а з іншого - можливість перевірки датчиків масою до 7 кілограмів в частотному діапазоні до 10 Гц. Другий стенд - лабораторний маятниковий великих переміщень. Може бути використаний для визначення параметрів вібродатчиків з динамічним діапазоном переміщень до 200 мм, масою до 20 кілограмів, в частотному діапазоні до 2 Гц. Обидва стенди обладнані універсальним інформаційно-вимірювальним модулем, що забезпечує збір, візуалізацію і первинний аналіз отриманих даних та їх збереження на ПК, для чого було розроблене спеціальне програмне забезпечення у середовищі NI LabVIEW. Для універсального автономного стенду реалізована функція керування частотою вібрації платформи.

Основной проблемой при разработке алгоритмов бесплатформенных инерциальных систем ориентации является повышение их точности. Большинство алгоритмов, приводимых в известной литературе (см., например, [1]-[4]), опираются на упрощенную формулу Борца, в которой в правой части не учитывается член дифференциального уравнения ориентации с двойным векторным произведением. Представляет интерес выяснить, как повлияет на точность алгоритма "расширение" уравнения ориентации учетом отброшенного члена. Методика исследований точности алгоритмов сводится к определению значений двух неизвестных параметров, которые характеризуют точность алгоритма: порядка точности и коэффициента пропорциональности. Такой подход позволяет провести моделирование лишь для некоторых конкретных значений амплитуды и частоты колебаний основания, а полученные результаты обобщить на любые амплитуды и частоты. Оценка эффективности рассматриваемых алгоритмов производится посредством сравнительного исследования систематической погрешности известных двухшаговых алгоритмов, опирающихся на измерения приращений квазикоординат поворота основания на каждом шаге опроса измерителей. Выводы: использование дополнительного члена в уравнении ориентации не всегда приводит к повышению точности по сравнению с алгоритмами, использующими упрощенную форму уравнения ориентации. Исследования показали, что при этом точность ухудшается в области малых значений частотного параметра. Исследован также алгоритм, полученный эмпирическим путем, использование которого приводит к существенному повышению точности (на два порядка в области малых значений частотного параметра). В целом, можно утверждать, что использование дополнительного члена в уравнении ориентации приводит к ухудшению точности по сравнению с более простыми алгоритмами, а также к значительному увеличению вычислительных операций.

Створено теорію нових способів автономного визначення навігаційних параметрів рухомих та нерухомих об'єктів шляхом створення методів визначення широти і довготи за допомогою інерціально-вимірювального модулю на нерухомій основі, визначення широти та довготи та курсу на рухомій основі, що дозволяє в порівнянні з традиційними алгоритмами безплатформової інерціальної навігаційної системи (БІНС) обходитися без інтегрування показників акселерометрів, а визначення довготи потребує лише інтегрування показників гіроскопів.

Розглянуто метод автономного визначення широти та довготи рухомих об'єктів. На відміну від стандартних методів інерціальної навігації, даний метод не використовує подвійне інтегрування сигналів акселерометрів та інтегрування гіроскопів, яке використовується у БІНС. Для визначення широти та довготи необхідні сигнали гіроскопів, які входять до складу інерціально-вимірювального модуля (ІВМ). Для реалізації метода автономного визначення широти достатньо мати сигнали гіроскопів ІВМ, елементи матриці напрямних косинусів, кути повороту об'єкта, та їхні похідні. Для автономного визначення довготи, крім того, знати початкове значення довготи. Як приклад, розглянуто використання спостерігача Луенбергера, що надало можливість обчислити кутові швидкості опорної системи координат із достатньо високою точністю.

Представлено метод визначення довготи та широти рухомого об'єктa. Метод базується на вимірюванні абсолютної кутової швидкості транспортного засобу. Для цього слід використовувати інерціально-вимірювальний модуль, який має складатися як мінімум з трьох гіроскопів - точних датчиків кутової швидкості. Визначення широти не вимагає інтегрування вихідних сигналів акселерометра, а визначення довготи вимагає одноразового інтегрування лише вихідних сигналів гіроскопа. Розроблено моделі похибок визначення довготи та широти.