بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه استفاده از سنسورهای شتاب ساخته شده با فنآوری سیستم های میکروالکترومکانیکی به خصوص در سیستم ناوبری اینرسی بسیار رایج است. این سنسورها نسبت به سنسورهای مکانیکی دارای ابعاد کوچکتر و هزینه کمتری هستند اما نکتهی حائز اهمیت در استفاده از این سنسورها اینست که اندازهگیری آنها با خطاهایی همراه است. با توجه به اینکه برای رسیدن به موقعیت از روی خروجی شتاب سنج نیاز به دوبار انتگرال گیری می باشد، در صورت وجود خطا در خروجی شتاب سنج یک خطای درجه 2 در موقعیت رخ خواهد داد. بنابراین برای کاهش این خطاها، کالیبره کردن این سنسورها الزامی است .
در این مقاله به منظور کالیبراسیون شتاب سنج سیستم های میکروالکترومکانیکی مدل ریاضی ای برای آن در نظر گرفته شده و پارامترهای مدل - ضریب مقیاس، بایاس و عدم تنظیم محورها - با روش های شبکه ی عصبی مصنوعی و الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات تعیین می شوند. ملاک تعیین پارامترهای مدل تطبیق مولفه های خروجی اندازه گیری شده سنسور با مولفه های شتاب واقعی جاذبه زمین تا حد امکان می باشد. نتایج بدست آمده از روش های مختلف کالیبراسیون ارائه شده در این مقاله نشان میدهد که این روشها منجر به استخراج مدلهایی با خطای کمتر و دقت بیشتر شده و عملکرد سنسور شتاب بهبود بخشیده شده است.
.1 مقدمه
ناوبری اینرسی فرآیند اندازه گیری شتاب خطی وسیله متحرک و انتگرال گیری از آن برای تعیین سرعت و موقعیت و همچنین تعیین وضعیت قرارگیری وسیله از روی سرعت زاویه ای آن می باشد. از آنجایی که شتاب خطی و سرعت زاویه ای از روی اندازه گیری های حاصل از شتاب سنج و ژیروسکوپ بدست می آید، بنابراین این سنسورها - واحد اندازه گیری اینرسی - رکن اساسی یک سیستم ناوبری اینرسی به حساب می آیند. اولین سنسورهای شتابسنج و ژیروسکوپ ساخته شده به صورت مکانیکی بودند که دارای ابعاد بزرگ و هزینه بالایی بودند ولی با پیشرفت الکترونیک و بوجود آمدن تکنولوژی سیستم های میکروالکترومکانیکی ساخت سنسورهای اینرسی متحول شد.
فنآوری سیستمهای میکروالکترومکانیکی ترکیب میکروالکترونیک - مدارهای مجتمع الکترونیکی - با ماشینکاری میکرونی و سیستمهای مکانیکی پیچیده میباشد. مدارهای مجتمع میتوانند به عنوان مغز متفکر این سیستمها باشند که با اضافه کردن محرک ها و حسگرها میتوانند محیط اطرافشان را حس کرده و کنترل نمایند. از دلایلی که باعث تسریع استفاده از سیستم های میکروالکترومکانیکی میشوند میتوان به کاهش ابعاد، وزن، توان، هزینه، استفاده از آنها در مکانهای خاص، قابلیت مجتمعسازی و نظام روی یک تراشه و افزایش کارایی و قابلیت اطمینان بالا اشاره کرد اما نکته قابل توجه در استفاده از این سنسورها به منظور ناوبری بحث خطای آنها می باشد.
با توجه به اینکه برای رسیدن به موقعیت - جابجایی جسم - از روی خروجی شتاب سنج - شتاب خطی - نیاز به دوبار انتگرال گیری و برای رسیدن به وضعیت - چرخش جسم - از روی خروجی ژیروسکوپ - سرعت زاویه ای - نیاز به یکبار انتگرال گیری می باشد بنابراین وجود کوچکترین خطا در خروجی آنها، پس از انتگرالگیری در ژیروسکوپ موجب ایجاد خطای درجه 1 در موقعیت و در شتاب سنج موجب ایجاد خطای درجه 2 در وضعیت خواهد شد که گذشتن از این خطاها اجتناب ناپذیر می باشد. بنابراین این سنسورها نیاز به کالیبره شدن دارند که این مقاله روی کالیبراسیون سنسور شتاب سیستمهای میکروالکترومکانیکی تمرکز یافته است.
در مقالات ارائه شده در سال های اخیر پژوهش های بسیاری در این باره انجام گرفته است. در مقالهی [1] الگوریتم کالیبراسیون این حقیقت را بکار میبرد که در شرایط استاتیک اندازه توان دوم سیگنال سنسور اندازه گرفته شده باید با بردار شتاب جاذبه تطبیق داده شود. مسالهی بهینهسازی غیرخطی منتج شده با بکارگیری خطیسازی آماری مقاوم به جای خطیسازی های تحلیلی رایج برای محاسبهی فاکتورهای بایاس و مقیاس شتابسنج استفاده شده است و نشان می دهد که الگوریتم توسعه یافته به طور قابل ملاحظهای میتواند موثر باشد.
در مقاله [2] طرحی برای حس کجی با بکارگیری یک مدل فیزیکی با سه شتابسنج سیستمهای میکروالکترومکانیکی ارائه داده شده و سه مدل عددی برای حس کردن زاویه انحراف ارائه شده. سپس همهی این سه مدل عددی به یک مدل خطی متحد شدهاند که پارامترهایش میتواند بطور کافی با بکارگیری روش حداقل مربعات تخمین زده شود و ثابت شده که این طرح قادر به حس کجی با خطای کم است. مقالهی [ 3] یک راهکار جدید برای کالیبراسیون روی میدان میکروشتابسنجهای سهمحوره بر مبنای این حقیقت که در شرایط استاتیک باید قدر مطلق بردار خروجی شتابسنج با شتاب جاذبه منطبق باشد ارائه داده است.
مدل کالیبراسیون فاکتورهای بایاس و اسکیل برای هر محور و محورهای متقابل را مشخص میکند. پارامترهای مدل از طریق بهینهسازی غیرخطی نیوتن محاسبه شدهاند که نشان میدهد خروجی سنسور بعد از محاسبه از طریق این نوع کالیبراسیون، از کالیبراسیون کارخانه و سایر روشهای کالیبراسیون مرسوم دقیقتر است. مقالهی [4] یک مدل رگرسیون غیرخطی از یک شتابسنج خازنی سیستم میکروالکترومکانیکی ارائه میدهد تا در حس کجی و کاربردهای ردیابی حرکت با شتاب کم بکار رود .
مدل پیشنهاد شده برای خطاهای معین شتابسنج - فاکتور بایاس و اسکیل و عدم تنظیم - به منظور نرخبندی شتابسنج میباشد. مدل پیشنهادی خطاهای حس کردن را تا نزدیک سطح نویز اتفاقی باقیمانده کاهش داده است. مقالهی [5] به آنالیز تصادفی مدلسازی و تخمین ترمهای مختلف خطاهای سنسورهای اینرسی با بکارگیری تکنیک واریانس آلن و بدست آوردن یک منحنی مشخصه در سیستمهای ناوبری اینرسی پرداخته است.
مقالهی [6] خطاهای قطعی و منابع نویز تصادفی را برای سنسورهای اینرسی سیستم های میکروالکترومکانیکی مرور کرده و کالیبراسیونی برای واحد اندازهگیری اینرسی - متشکل از شتابسنج و مغناطیسسنج - سیستم ناوبری اینرسی ارائه کرده تا مدلهایی برای این خطاها بدست آورد.
در مقالهی [7] بر طبق مشخصههای خطای سنسورهای اینرسی سیستمهای میکروالکترومکانیکی کم دقت، یک مدل ریاضی تجزیه و تحلیل شده است و سپس اعتبار روش شش وضعیته با بکارگیری شتابسنج و مغناطیس-سنج سه محوره تایید شده است و خطاهای نصب و بایاس و فاکتور اسکیل سنسورهای اینرسی سیستم های میکرو الکترو مکانیکی را تصحیح کرده است.
مقالهی [8] یک چارچوب کالیبرلسیون برای تصحیح دقت سنسور به منظور تعیین حالت دقیق در سیستمهای ناوبری اینرسی فراهم میآورد. چارچوب کالیبراسیون سنسور در یک مساله برازش فرمولسازی شده و پارامترهای کالیبراسیون مختلف مانند حساسیت، آفست و زاویهی عدم هم محوری تعیین شده است. در مقالهی [9] بیان شده که پارامترهای سنسور شتابسنج و مغناطیسسنج باید با دقت تخمین زده شوند تا از مقادیر رانش جلوگیری شود. بنابراین کالیبراسیون یک گام مهم برای تصحیح استفاده از این سنسورها و بدست آوردن اندازه-گیریهای مورد انتظار در واحد اندازهگیری اینرسی است.
این مقاله گامهای آزمایشی و تئوری از یک روش کالیبراسیون عددی برای محاسبه فاکتورهای بهره، بایاس و غیر قائم بودن سنسورهای مغناطیسسنج و شتابسنج را ارائه میدهد. در مقالهی [10] خطاهای سیستمی و تصادفی سنسورهای اینرسی مورد استفاده در واحد اندازهگیری اینرسی معرفی و بحث شدهاند و یک کالیبراسیون آزمایشی شش وضعیته برای یافتن خطاهای سیستمی بیان شده و سپس خطاهای تصادفی شتابسنج و ژیروسکوپ با مدل تصادفی و واریانس مربوط آنها در یک سیستم موقعیتیابی جهانی- سیستم ناوبری اینرسی تشریح شده است.
در مقالهی [11] بیان شده که شتابسنج های میکروالکترومکانیکی تک محوره شفافیت بهتری نسبت به نوع سه محوره ارائه میدهند و سعی شده روشی دقیقتر برای کالیبراسیون آنها ارائه شود. با داشتن میز سه محوره به عنوان مرجع هر دو نتایج کالیبراسیون بدست آمده توسط روش 6 پارامتره مرسوم و روش 12 پارامتره جدید با مقادیر حقیقی مقایسه شده اند. نتایج نشان داده که دقت اندازهگیری بدست آمده توسط روش کالیبراسیون 12 پارامتره از آنچه توسط روش های کالیبراسیون 6 پارامتره مرسوم بدست می آید بهتر است.
در مقالهی [12] یک راهکار برای کالیبراسیون استاتیک شتابسنج سیستم های میکروالکترومکانیکی کم قیمت ارائه شده است تا مدل ریاضی شتابسنج شامل فاکتور اسکیل و بایاس را تخمین بزند. این روش نیازمند تجهیزات اضافه نیست و محاسبات ساده ای دارد.
در این مقاله ها اکثرا از روش های بهینه سازی ریاضی که مبتنی بر مشتق گیری و زمان بر می باشند نظیر نیوتن و
... استفاده شده است که همچنین حساسیت زیادی به مقادیر اولیه دارند. در برخی مقالات در مدل شتاب سنج ماتریس حساسیت یا عدم تنظیم محورها متقارن فرض شده و در واقع از مدل ساده شده 6 پارامتره یا 9 پارامتره به جای مدل 12 پارامتره استفاده شده است.
در برخی دیگر نیز برای بدست آوردن پارامترهای شتابسنج به جای کالیبراسیون مستقیم شتاب از کالیبراسیون زاویه استفاده شده است. به دلایل عنوان شده فوق این مقاله روی کایبراسیون شتاب سنج با مدل نامتقارن و توسط شبکه عصبی و الگوریتم فراابتکاری بهینه سازی ازدحام ذرات که سرعت بالاتری دارند تمرکز یافته است.
.2 خطاهای سنسور شتاب میکروالکترومکانیکی
شتاب سنج های میکروالکترومکانیکی کوچک و کم هزینه اند اما اندازه گیری آنها با انواع مختلف خطا همراه بوده که دقت اندازه گیری ها را کاهش می دهند. این خطاها به دو بخش تقسیم می شوند.
.1.2 خطاهای قطعی - سیستمی، ثابت یا ذاتی - سنسور شتاب
ابعاد این سنسورها در حد میکرو میباشد و ساخت دقیق آنها با مشخصههای یکسان مشکل هست و کوچکترین ناخالصی در آن نتایج متفاوت قابلتوجهای به دنبال خواهد داشت. خطاهای قطعی یا سیستمی مربوط به خصوصیات مادهی سازندهی آن و تکنولوژی تولید میباشند و به سبب نقص در ساخت ایجاد میشوند و با پیمایش و جبرانسازی، تعیین و از دادهها حذف میشوند.
