gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»10.17285/0869-7035.2018.26.2.029-042gyroscopy-276Research ArticleСтатьиМетод обработки измерений от двух блоков микромеханических гироскопов при решении задачи ориентацииMethod of Processing Measurements from Two Units of Micromechanical Gyroscopes for Solving the Orientation ProblemЛянЦ.LiangQ.

Лян Цинь. Аспирант

ЛитвиненкоЮ. А.LitvinenkoYu. A.

Литвиненко Юлия Александровна. Кандидат технических наук, начальник сектора.

Член секции молодых ученых общественного объединения «Академия навигации и управления движением».

СтепановО. А.StepanovO. A.

Степанов Олег Андреевич. Доктор технических наук, профессор, начальник научно-образовательного центра.

Вице-президент общественного объединения «Академия навигации и управления движением».

Университет ИТМО (С.-Петербург).РоссияITMO University, Saint-PetersburgRussian FederationАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Университет ИТМО (С.-Петербург).РоссияITMO University, Concern CSRI Elektropribor, JSC, Saint-PetersburgRussian FederationАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». Университет ИТМО (С.-Петербург)РоссияITMO University, Concern CSRI Elektropribor, JSC, Saint-PetersburgRussian Federation2018201120252622942Copyright © Лян Ц., Литвиненко Ю.А., Степанов О.А., 20252025Лян Ц., Литвиненко Ю.А., Степанов О.А.Liang Q., Litvinenko Y.A., Stepanov O.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gyroscopy.ru/jour/article/view/276

Рассматривается система ориентации, состоящая из двух микромеханических инерциальных измерительных модулей, установленных на поворотных платформах. Предлагается алгоритм обработки информации на основе комплементарного фильтра, позволяющий снизить требования к точности датчиков углов модуляционного вращения платформ по сравнению с алгоритмом, предложенным в предыдущих работах авторов. Приводится математическая модель и результаты моделирования погрешностей рассматриваемой системы ориентации. Анализируются преимущества предлагаемого алгоритма по сравнению с алгоритмом, использующим данные об угловых скоростях модуляционного вращения.

 

The data processing problem in attitude and heading reference system based on two units of micromechanical gyroscopes is considered as a special class of information processing problems from two measurement sources. A novel algorithm used for processing the measurements data from two units of micromechanical gyroscopes is proposed, which can improve orientation system performance while reducing the requirements for external sensors. A mathematical error model of micromechanical gyroscopes and orientation system is given, considering the rotation of the measurement units, and the advantages of the proposed method is analyzed in comparison with other algorithms.

Микромеханический гироскопинерциальный измерительный модулькомплементарный фильтрповоротная платформамодуляционное вращение.Micromechanical gyroscopeinertial measuring unitcomplementary filterturntablemodulation rotation.ReferencesЗельдович С.М., Малтинский М.И., Окон И.М., Остромухов Я.Г. Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем- Ленинград: Судостроение, 1976. 255 с.Zel’dovich, S.M., Maltinskii, M.I., Okon, I.M. and Ostromukhov, Ya.G., Avtokompensatsiya instrumental’nykh pogreshnostei girosistem (Auto-compensation of Instrumental Errors in Gyro Systems), Leningrad, Sudostroenie, 1976.Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2003. 389 с.Anuchin, O.N. and Emel’yantsev, G.I., Integrirovannye sistemy orientatsii i navigatsii dlya morskikh podvizhnykh ob''ektov (Integrated Systems of Orientation and Navigation for Marine Vehicles), St. Petersburg, CSRI Elektropribor, 2003.Литвиненко Ю.А. Оптимизация алгоритмов инерциальной навигационной системы морских объектов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2005. 161 с.Litvinenko, Yu.A., Optimization of algorithms of inertial navigation system of marine vehicles, Cand. Sci. (Eng.) Dissertation, St. Petersburg, CSRI Elektropribor, 2005.Ishibashi, S., Tsukioka, S., Sawa, T., et al., The rotation control system to improve the accuracy of an inertial navigation system installed in an autonomous underwater vehicle, Proceedings of the Symposium on Underwater Technology and Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies, April 2007, Tokyo, Japan, IEEE, pp. 495–498.Ishibashi, S., Tsukioka, S., Sawa, T. et al., The rotation control system to improve the accuracy of an inertial navigation system installed in an autonomous underwater vehicle, Proceedings of the Symposium on Underwater Technology and Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies, April 2007, Tokyo, Japan, IEEE, pp. 495–498.Kang, L., Ye, L., Song, K., Zhou, Y., Attitude Heading Reference System Using MEMS Inertial Sensors with Dual-Axis Rotation, Sensors, 2014, vol. 14, pp. 18075–18095.Kang, L., Ye, L., Song, K. and Zhou, Y., Attitude heading reference system using MEMS inertial sensors with dual-axis rotation, Sensors, 2014, vol. 14, pp. 18075–18095.Sun, F., Sun, W., Guo, Z., Auto-compensation method of SINS based on IMU rotation, Chinese Journal of Scientific Instrument, 2009, vol. 30, issue 12.Sun, F., Sun, W. and Guo, Z., Auto-compensation method of SINS based on IMU rotation, Chinese Journal of Scientific Instrument, 2009, vol. 30, no. 12.Yuan, Z., Zhao, L., Error Analysis of Rotray SINS Sensor, Sensors & Transducers, September 2013, vol. 156, issue 9.Yuan, Z. and Zhao, L., Error analysis of rotary SINS sensor, Sensors & Transducers, 2013, vol. 156, no. 9. 8. Emel’yantsev, G.I., Litmanovich, Yu.A. and Moshkin, N.N., Improving information autonomy of marine SINS, Gyroscopy and Navigation, 2015, vol. 6, no. 1, pp. 9–15.Емельянцев Г.И., Литманович Ю.А., Мошкин Н.Н. О повышении информационной автономности БИНС морского применения // Гироскопия и навигация. 2014. № 3 (86). С. 13–28.Chen, J., Dong, J., Landry, R. and Chen, D., A novel optimal configuration form redundant MEMS inertial sensors based on the orthogonal rotation method, Sensors, 2014, no. 14(8), pp. 13661–13678.Chen, J., Dong, J., Landry, R., and Chen, D., A novel optimal configuration form redundant MEMS inertial sensors based on the orthogonal rotation method, Sensors, 2014 Aug, 14(8), pp. 13661–13678.Guerrier, S., Waegli, A., Skaloud, J. and Victoria-Feser, M.-P., Fault detection and isolation in multiple MEMS-IMUs configurations, IEEE Aerosp. Electron, 2015, vol. 48, no. 3.Guerrier, S., Waegli, A., Skaloud, J., and Victoria-Feser, Fault detection and isolation in multiple MEMS-IMUs configurations, IEEE Aerosp. Electron, 2015, vol. 48, issue 3.Chernodarov, A.V., Patrikeev, A.P., Borzov, A.B., Merkulova, I.I., Korkishko, Yu.N., Fedorov, V.A. and Fedorov, I.V., Seminatural development of multiposition inertial satellite navigation systems built around fiber-optic and micromechanical sensors, Proceedings of the 24th St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, St. Petersburg, CSRI Elektropribor, 2017, pp. 148–151.Чернодаров А.В., Патрикеев А.П., Борзов А.Б., Меркулова И.И., Коркишко Ю.Н., Федоров В.А., Федоров И.В. Полунатурная отработка многопозиционных инерциально-спутниковых навигационных систем на базе волоконно-оптических и микромеханических измерителей // XXIV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: сборник материалов. СПб., 2017. С. 106–110.Liang, Q. and Litvinenko, Yu.A., Algorithms of inertial sensor errors estimation using two units of micromechanical gyroscopes, Materialy XVIII konferentsii molodykh uchenykh “Navigatsiya i upravlenie dvizheniem” (Proceedings of the 18th Conference of Young Scientists “Navigation and Motion Control”), St. Petersburg: Elektropribor, 2016, pp. 556–564.Лян Ц., Литвиненко Ю.А. Алгоритм оценивания погрешностей инерциальных датчиков с использованием двух блоков микромеханических гироскопов // Навигация и управление движением: Материалы XVIII конференции молодых ученых с международным участием. 2016. С. 556–564.Liang, Q. and Litvinenko, Yu.A., Algorithm for solving the orientation problem using two units of micromechanical gyroscopes, Sbornik trudov XXV Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii "Sovremennye tekhnologii v zadachakh upravleniya, avtomatiki i obrabotki informatsii (Proceedings of the 25th International Scientific and Technical Conference "Modern technologies in Control, Automation and Information Processing Applications"), 2016, p. 171.Лян Ц., Литвиненко Ю.А. Алгоритм решения задачи ориентации с использованием двух блоков микромеханических гироскопов // Сборник трудов XXV Международной научно-технической конференции «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». 2016. С. 171.Euston, M., Coote, P., Mahony, R., Kim, J. and Hamel, T., A complementary filter for attitude estimation of a fixed-wing UAV, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, Nice, France, 2008, pp. 340–345.Euston, M., Coote, P., Mahony, R., Kim, J., and Hamel, T., A complementary filter for attitude estimation of a fixed-wing UAV, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, Nice, France, 2008, pp. 340–345.Stepanov, O.A., Osnovy teorii otsenivaniya s prilozheniyami k zadacham obrabotki navigatsionnoi informatsii (Fundamentals of the Estimation Theory with Applications to the Problems of Navigation Information Processing), Part 1, Vvedenie v teoriyu otsenivaniya (Introduction to the Estimation Theory), St. Petersburg, CSRI Elektropribor, 2010.Степанов О. А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Часть 1. Введение в теорию оценивания. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2010. 509 с.Vasconcelos, J.F., Cardeira, B., Silvestre, C., Oliveira, P. and Batista, P.T.M., Discrete-time complementary filters for attitude and position estimation: design, analysis and experimental validation, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2011, vol. 19, no. 1, pp. 181–198.Vasconcelos, J.F., Cardeira, B., Silvestre, C., Oliveira, P., and Batista, P.T.M., Discrete-Time Complementary Filters for Attitude and Position Estimation: Design, Analysis and Experimental Validation, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2011, vol. 19, issue 1, pp. 181–198.Stepanov, O.A. and Mansour, M., Integrated processing algorithms for correction of navigation system using nonlinear measurements, Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Tula State University News Bulletin. Engineering Sciences], 2016, no.6, pp. 89–102.Степанов О.А., Мансур М. Алгоритмы комплексной обработки в задаче коррекции показаний навигационных систем при наличии нелинейных измерений // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 6. С. 89–102.Chen, Y., Wang, L. and Li ,K., A self-calibration method in single-axis rotational inertial navigation system with rotating mechanism, Proc. SPIE 10463, AOPC 2017: Space Optics and Earth Imaging and Space Navigation, October 2017.Chen, Y., Wang, L., Li ,K., A self-calibration method in single-axis rotational inertial navigation system with rotating mechanism, Proc. SPIE 10463, AOPC 2017: Space Optics and Earth Imaging and Space Navigation, 24 October 2017.Julier, S.J. and Uhlmann, J.K., Unscented filtering and nonlinear estimation, Proceedings of the IEEE, 2004, no. 92, pp. 401–422.Julier, S.J., Uhlmann, J.K., Unscented filtering and nonlinear estimation, Proceedings of the IEEE, 2004, no. 92, pp. 401–422.Liang, Q., Litvinenko, Y.A. and Stepanov, O.A., Analyzing the error observability of an orientation system based on two rotation units of micromechanical gyroscopes, 2017 IEEE II International Conference on Control in Technical Systems (CTS), St. Petersburg, 2017, pp. 236–239.Liang, Q., Litvinenko, Y.A., and Stepanov, O.A., Analyzing the error observability of an orientation system based on two rotation units of micromechanical gyroscopes, 2017 IEEE II International Conference on Control in Technical Systems (CTS), St. Petersburg, 2017, pp. 236–239.InvenSense MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification, available at: https://store.invensense.com/datasheets/ invensense/MPU-6050_DataSheet_V3%204.pdf.https://store.invensense.com/datasheets/invensense/MPU-6050_DataSheet_V3%204.pdf.https://store.invensense.com/datasheets/invensense/MPU-6050_DataSheet_V3%204.pdf.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.