Method of calibration MEMS accelerometer and magnetometer for increasing the accuracy determination angular orientation of satellite antenna reflector

Abstract

Досліджено похибки, що виникають унаслідок впливу нелінійних характеристик MEMS акселерометрів, які з’являються при великих кутах нахилу опорно-поворотної платформи антенної системи, а також за наявності магнітного схилення, яке зумовлене впливом магнітного поля Землі на магнітометр. Дослідження проведено з метою оцінювання можливості використання таких давачів для підвищення точності керування супутниковою антеною з класичною опорно-поворотною платформою. Експериментальна установка для дослідження параметрів MEMS давачів дозволяє проводити порівняння результатів вимірювання з прецизійним оптичним енкодером у діапазоні 0° ÷ 60° по куту місця та по осі азимута. Результати експериментальних досліджень показують основні джерела похибок MEMS давачів. Запропоновано метод підвищення точності визначення кутового положення антенної системи за допомогою тривісного акселерометра та магнітометра. Проведено процедуру калібрування перед початком проведення досліджень. Основною перевагою запропонованого підходу до визначення вектора оцінювання методом найменших квадратів є можливість проведення процедури калібрування без прив’язки до системи координат. Даний метод дає змогу позбутися похибки зміщення нуля, а також компенсувати неодиничний масштаб осей давачів та похибку кутової орієнтації магнітометра. Отримання даних кутового положення з використанням показів MEMS акселерометра та магнітометра ґрунтується на використанні кутів Ейлера, що визначають три повороти системи, які дозволяють привести будь-яке положення антенної системи до необхідного. Застосування цього методу має практичне значення в робототехніці, проектуванні безпілотних літальних апаратів та багатьох інших технічних системах. Запропонований метод дає змогу підвищити надійність та знизити вартість таких систем.

The paper is devoted to the measurement errors investigation that arise due to the influence of MEMS accelerometers' nonlinear characteristics. They appear at large inclination angles of the antenna system support-rotary platform, as well as in the presence of a magnetic inclination, which is due to the peculiarity of the Earth's magnetic field for the magnetometer. The study was conducted to assess the possibility of using such devices to increase the accuracy of a satellite antenna control with a classic rotary platform. The experimental setup for researching the parameters of MEMS sensors allows comparison of measurement results with data obtained from precision optical encoder. The experimental results show the main sources of MEMS sensors errors. An accuracy increasing method of antenna system angular position determining using a triaxial accelerometer and a magnetometer is proposed. The main advantage of the proposed estimation vector determining approach using the least squares method is the possibility of carrying out the calibration procedure without reference to the coordinate system. The method makes it possible to get rid of the zero offset error, as well as compensate for the non-unit scale of the sensor axes and the error of the magnetometer angular orientation. This method can be used for many applications including robotics, design of unmanned aerial vehicles and many other technical systems. The proposed method makes it possible to increase the reliability and reduce the cost of such systems.