PROCEDIMIENTO DE VERIFICACIÓN DE UNA UNIDAD DE MEDIDA INERCIAL DE VEHÍCULOS, ESPECIALMENTE DE VEHÍCULOS AÉREOS, EN ESTADO ESTACIONARIO.

Procedimiento de verificación de una unidad de medida inercial de vehículos,

especialmente de vehículos aéreos, en estado estacionario, - en donde la unidad inercial (1) presenta · al menos un sensor de aceleración (10) que suministra una señal de aceleración en traslación, y · al menos un sensor de velocidad de giro (11) que suministra una señal de velocidad de giro, - en donde la unidad de medida inercial (1) está unida con una disposición de ordenador de navegación (2) dotada de al menos un ordenador, · que presenta un primer elemento funcional (20) que recibe y procesa como datos de entrada las señales de aceleración en traslación suministradas por el sensor de aceleración (10) y las señales de velocidad de giro suministradas por el sensor de velocidad de giro (11), · que presenta un segundo elemento funcional (30) que recibe y procesa los datos de entrada provenientes del primer elemento funcional (20), y · que presenta un tercer elemento funcional (40) que recibe y procesa los datos de entrada provenientes de la unidad de medida inercial (1), del primer elemento funcional (20) y del segundo elemento funcional (30) y que suministra señales de control al segundo elemento funcional (30), con los pasos siguientes: a) habilitación de datos · de la posición actual de la unidad de medida inercial (1) y · de los ángulos de Euler actuales como información sobre la orientación de la unidad de medida inercial (1) en el espacio; b) inicialización de un algoritmo strapdown en el primer elemento funcional (20) con los datos - habilitados en el paso a) - de la posición actual, los ángulos de Euler actuales y la velocidad actual de la unidad de medida inercial con relación a la tierra; c) procesamiento continuo de los datos de aceleración en traslación y los datos de velocidad de giro de las señales suministradas continuamente por la unidad de medida inercial (1) en el primer elemento funcional (20) según el algoritmo strapdown para obtener datos de posición, velocidad de ángulos de Euler fijos con respecto a la tierra, y c') suministro continuo de estos datos al segundo ele­ mento funcional (30), d) procesamiento continuo de los datos de posición, velocidad y ángulos de Euler suministrados por el primer elemento funcional (20) en el filtro de Kalman formado por el segundo elemento funcional (30) para realizar una estimación de errores y detectar los errores de aceleración y los errores de velocidad de giro para todos los ejes del espacio, e) formación de valores de corrección de aceleración a partir de los errores de aceleración y de valores de corrección de velocidad de giro a partir de los errores de velocidad de giro en el segundo elemento funcional (30), f) suministro de los valores de corrección de aceleración y de los valores de corrección de velocidad de giro al primer elemento funcional (20) para realizar una corrección de valores de medida, g) repetición de los pasos c) a f) durante un primer espacio de tiempo prefijado, entrando también los valores de corrección de aceleración y los valores de corrección de velocidad de giro en el procesamiento continuo realizado en el paso c) según el algoritmo strapdown, h) después de transcurrido el primer espacio de tiempo prefijado, comprobación de si los errores de aceleración y los errores de velocidad de giro detectados en el paso d) se encuentran dentro de intervalos de tolerancia prefijados y emisión de un aviso de error e interrupción del procedimiento en caso de que la comprobación arroje el resultado de que al menos uno de los errores está fuera del intervalo de tolerancia, i) almacenamiento de los datos resultantes de los errores de aceleración con su varianza y de los errores de velocidad de giro con su varianza en una unidad de memoria y prosecución del procedimiento, caracterizado por los pasos adicionales siguientes: j) suministro de los datos de posición, velocidad y ángulos de Euler resultantes del procesamiento continuo actual en el paso c) al tercer elemento funcional (40) y detención de la estimación de errores del filtro Kalman, k) cálculo de las variaciones de ángulos de Euler y de las variaciones de velocidad dentro de un segundo espacio de tiempo prefijado a partir de los datos suministrados en el paso j), l) detección de errores suma de aceleración en el tercer elemento funcional (40) por adición de los errores de aceleración almacenados en el paso i) y de las variaciones de velocidad calculadas en el paso k) y detección de errores suma de velocidad de giro en dicho tercer elemento funcional por adición de los errores de velocidad de giro almacenados en el paso i) y de las variaciones de ángulos de Euler calculadas en el paso k), m) comprobación de si los errores suma de aceleración y los errores suma de velocidad de giro detectados en el paso l) se encuentran o no dentro de intervalos de tolerancia prefijados

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E07011651.

Solicitante: LFK LENKFLUGKORPERSYSTEME GMBH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: HAGENAUER FORST 27 86529 SCHROBENHAUSEN ALEMANIA.

Inventor/es: GRABMEIER,MICHAEL.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 14 de Junio de 2007.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01C21/16 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01C MEDIDA DE DISTANCIAS, NIVELES O RUMBOS; TOPOGRAFIA; NAVEGACION; INSTRUMENTOS GIROSCOPICOS; FOTOGRAMETRIA O VIDEOGRAMETRIA (medida del nivel de líquidos G01F;   radio navegación, determinación de la distancia o velocidad mediante la utilización de efectos de propagación, p. ej. efecto Doppler, tiempo de propagación, de ondas de radio, disposiciones análogas que utilicen otras ondas G01S). › G01C 21/00 Navegación; Instrumentos de navegación no previstos en los grupos G01C 1/00 - G01C 19/00 (medida de la distancia recorrida sobre el suelo por un vehículo G01C 22/00; control de la posición, curso, altitud o actitud de vehículos G05D 1/00; sistemas de control de tráfico para vehículos rodados incluyendo transmisiones de tráfico de instrucciones de navegación para vehículos controlados   G08G 1/0968). › mediante la integración de la aceleración o la velocidad, p. ej. navegación inercial.
  • G01C25/00A

Clasificación PCT:

  • G01C21/16 G01C 21/00 […] › mediante la integración de la aceleración o la velocidad, p. ej. navegación inercial.
  • G01C25/00 G01C […] › Fabricación, calibrado, limpieza o reparación de los instrumentos o dispositivos mencionados en los otros grupos de esta subclase (ensayo, calibrado o compensación de brújulas G01C 17/38).

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.

PDF original: ES-2360137_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

CAMPO TÉCNICO

La presente invención concierne a un procedimiento de verificación de una unidad de medida inercial de vehículos, especialmente de vehículos aéreos, en estado estacionario, según el preámbulo de la reivindicación 1.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Particularmente en artefactos voladores no tripulados, la unidad de medida inercial forma el sensor de base de una disposición de ordenador de navegación y de un sistema de control unido con ésta. Los vehículos y especialmente los vehículos aéreos están equipados hoy en día casi siempre con sistemas de navegación inercial asistidos por satélite (por ejemplo, un sistema GPS), cuya precisión, en caso de fallo de la asistencia por satélite, depende de la calidad de los valores de medida obtenidos por la unidad de medida inercial.

Por tanto, hay que aspirar a la minimización de los errores de medida de la unidad de medida inercial para garantizar una precisión suficientemente alta de los resultados de navegación. A este fin, se calibran las unidades de medida inerciales después de la fabricación.

Particularmente cuando las unidades de medida inerciales no han estado en funcionamiento durante un período de tiempo bastante largo o han estado expuestas a sacudidas desde que se realizó una calibración, por ejemplo durante el transporte, se tiene que, según enseña la experiencia, la precisión de medida de la unidad de medida inercial puede empeorarse. Por tanto, hay que aspirar a que se puedan verificar la capacidad funcional y la precisión de medida de una unidad de medida inercial antes de su utilización, sin que esté disponible para ello un equipo de prueba correspondiente, tal como el que está previsto para la calibración de una unidad de medida inercial.

Particularmente en unidades de medida inerciales que están incorporadas en artefactos voladores no tripulados, se ha ofrecido un ensayo de esta clase antes de la utilización de un artefacto volador no tripulado equipado con ellas para impedir que el artefacto volador no tripulado, debido a errores de navegación, no pueda realizar su misión planeada o sólo pueda realizarla de manera imprecisa.

Hasta ahora, integrando una unidad de medida inercial en un artefacto volador no tripulado se han captado únicamente la aceleración absoluta y la velocidad angular absolutas, medidas en la unidad de medida inercial, en comparación con la aceleración terrestre y la rotación terrestre, respectivamente. Por lo demás, se ha realizado hasta el momento una comparación entre la velocidad vertical medida por una unidad de medida inercial de un artefacto volador no tripulado montado en un vehículo portador en vuelo y el movimiento vertical percibido por el vehículo portador.

Esta comparación realizada hasta ahora era demasiado imprecisa para obtener una manifestación exacta sobre la precisión de medida de la unidad de medida funcional o se realizaba únicamente cuando el artefacto volador equipado con la unidad de medida inercial ya estaba de camino con su vehículo portador.

Se conoce por el documento DE 197 57 333 C1 un procedimiento de calibración rápida automática de una medición autónoma a bordo de un vector de velocidad, en el que la calibración automática de un transmisor de velocidad en servicio operacional se efectúa por medio de una referencia de velocidad. Esta calibración funciona solamente en movimiento, es decir, únicamente después del despegue del vehículo aéres, y no en estado estacionario.

El documento US 2004/0133346 A1 revela la ejecución de un algoritmo strapdown en combinación con una estimación de errores por medio de un filtro de Kalman. El filtro de Kalman suministra, en base a la estimación de errores, unos valores de corrección para un sistema de navegación. Estos valores de corrección se ponen después nuevamente a disposición del algoritmo strapdown para su ulterior procesamiento.

EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN

Por tanto, el problema de la presente invención consiste en indicar un procedimiento de verificación de una unidad de medida inercial de vehículos, especialmente de vehículos aéreos, que proporcione ya en el estado estacionario de la unidad de medida inercial, antes o después de la integración de la unidad de medida inercial en el vehículo, una manifestación fiable sobre la precisión de medida de la unidad de medida inercial y permita así decidir si se puede utilizar o no la unidad de medida inercial.

Este problema se resuelve por medio del procedimiento con las características de la reivindicación 1.

Con miras a la realización de un procedimiento según la invención para verificar una unidad de medida inercial de vehículos, especialmente de vehículos aéreos, en estado estacionario, la unidad de medida inercial presenta al menos un sensor de aceleración que suministra una señal de aceleración en traslación, y al menos un sensor de velocidad de giro que suministra una señal de velocidad de giro. La unidad de medida inercial está unida, además, con una disposición de ordenador de navegación dotada de al menos un ordenador, la cual presenta un primer elemento funcional que está formado por hardware de ordenador o por software y que recibe y procesa como datos de entrada la señal de aceleración en traslación suministrada por el sensor de aceleración y la señal de velocidad de giro suministrada por el sensor de velocidad de giro. La disposición de ordenador de navegación presenta, además, un segundo elemento funcional que puede estar formado también por hardware de ordenador o por software y que recibe y procesa datos de entrada provenientes de la primera unidad de ordenador, y esta disposición presenta un tercer elemento funcional que puede estar formado también por hardware de ordenador o por software, que recibe y procesa los datos de entrada provenientes de la unidad de medida inercial, el primer elemento funcional y el segundo elemento funcional y que suministra señales de control al segundo elemento funcional (30). En esta disposición constituida por una disposición de ordenador de navegación y una unidad de medida inercial unida con ella se ejecutan según la invención los pasos de procedimiento siguientes:

**(Ver fórmula)**

a) habilitación de datos de la posición actual de la unidad de medida inercial y de los ángulos de Euler actuales como información sobre la orientación actual de la unidad de medida inercial en el espacio;

b) inicialización de un algoritmo strapdown con los datos - habilitados en el paso a) - de la posición angular, de los ángulos de Euler actuales y de la velocidad actual de la unidad de medida inercial con relación a la tierra en el primer elemento funcional;

c) procesamiento continuo de los datos de aceleración en traslación y de los datos de velocidad de rotación de las señales continuamente suministradas por la unidad de medida inercial en el primer elemento funcional después del algoritmo strapdown para obtener datos de posición, velocidad y ángulos de Euler fijos con respecto a la tierra, y

c') suministro continuo de estos datos al segundo ele

mento funcional,

d) procesamiento continuo de los datos suministrados por el primer elemento funcional con relación a posición, velocidad y ángulos de Euler en el filtro de Kalman formado por el segundo elemento funcional con miras a realizar una estimación de errores y una detección de los errores de aceleración y de los errores de velocidad de giro para todos los ejes del espacio,

e) formación de valores de corrección de aceleración a partir de los errores de aceleración y de valores de corrección de velocidad de giro a partir de los errores de velocidad de giro en el segundo elemento funcional,

f) suministro de los valores de corrección de aceleración y de los valores de corrección de velocidad de giro al primer elemento funcional para realizar una corrección de valores de medida,

g) repetición de los pasos c) a f) durante un primer espacio de tiempo prefijado, entrando también los valores de corrección de aceleración y los valores de corrección de velocidad de giro en el procesamiento continuo del paso c) después del algoritmo strapdown,

h) después de transcurrido el primer espacio de tiempo prefijado, comprobación de si los errores de aceleración y los errores de velocidad de giro detectados en el paso d) se encuentran dentro de intervalos de tolerancia prefijados y emisión de un aviso de error e interrupción del procedimiento... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de verificación de una unidad de medida inercial de vehículos, especialmente de vehículos aéreos, en estado estacionario,

- en donde la unidad inercial (1) presenta

· al menos un sensor de aceleración (10) que suministra una señal de aceleración en traslación, y

· al menos un sensor de velocidad de giro (11) que suministra una señal de velocidad de giro,

- en donde la unidad de medida inercial (1) está unida con una disposición de ordenador de navegación (2) dotada de al menos un ordenador,

· que presenta un primer elemento funcional (20) que recibe y procesa como datos de entrada las señales de aceleración en traslación suministradas por el sensor de aceleración (10) y las señales de velocidad de giro suministradas por el sensor de velocidad de giro (11),

· que presenta un segundo elemento funcional (30) que recibe y procesa los datos de entrada provenientes del primer elemento funcional (20), y

· que presenta un tercer elemento funcional (40) que recibe y procesa los datos de entrada provenientes de la unidad de medida inercial (1), del primer elemento funcional (20) y del segundo elemento funcional (30) y que suministra señales de control al segundo elemento funcional (30),

con los pasos siguientes:

a) habilitación de datos

· de la posición actual de la unidad de medida inercial (1) y

· de los ángulos de Euler actuales como información sobre la orientación de la unidad de medida inercial (1) en el espacio;

b) inicialización de un algoritmo strapdown en el primer elemento funcional (20) con los datos -habilitados en el paso a) - de la posición actual, los ángulos de Euler actuales y la velocidad actual de la unidad de medida inercial con relación a la tierra;

c) procesamiento continuo de los datos de aceleración en traslación y los datos de velocidad de giro de las señales suministradas continuamente por la unidad de medida inercial (1) en el primer elemento funcional (20) según el algoritmo strapdown para obtener datos de posición, velocidad de ángulos de Euler fijos con respecto a la tierra, y

c') suministro continuo de estos datos al segundo ele

mento funcional (30),

d) procesamiento continuo de los datos de posición, velocidad y ángulos de Euler suministrados por el primer elemento funcional (20) en el filtro de Kalman formado por el segundo elemento funcional (30) para realizar una estimación de errores y detectar los errores de aceleración y los errores de velocidad de giro para todos los ejes del espacio,

e) formación de valores de corrección de aceleración a partir de los errores de aceleración y de valores de corrección de velocidad de giro a partir de los errores de velocidad de giro en el segundo elemento funcional (30),

f) suministro de los valores de corrección de aceleración y de los valores de corrección de velocidad de giro al primer elemento funcional (20) para realizar una corrección de valores de medida,

g) repetición de los pasos c) a f) durante un primer espacio de tiempo prefijado, entrando también los valores de corrección de aceleración y los valores de corrección de velocidad de giro en el procesamiento continuo realizado en el paso c) según el algoritmo strapdown,

h) después de transcurrido el primer espacio de tiempo prefijado, comprobación de si los errores de aceleración y los errores de velocidad de giro detectados en el paso d) se encuentran dentro de intervalos de tolerancia prefijados y emisión de un aviso de error e interrupción del procedimiento en caso de que la comprobación arroje el resultado de que al menos uno de los errores está fuera del intervalo de tolerancia,

i) almacenamiento de los datos resultantes de los errores de aceleración con su varianza y de los errores de velocidad de giro con su varianza en una unidad de memoria y prosecución del procedimiento,

**(Ver fórmula)**

caracterizado por los pasos adicionales siguientes:

j) suministro de los datos de posición, velocidad y ángulos de Euler resultantes del procesamien

to continuo actual en el paso c) al tercer elemento funcional (40) y detención de la estimación

de errores del filtro Kalman,

k) cálculo de las variaciones de ángulos de Euler y de las variaciones de velocidad dentro de un segundo espacio de tiempo prefijado a partir de los datos suministrados en el paso j),

l) detección de errores suma de aceleración en el tercer elemento funcional (40) por adición de los errores de aceleración almacenados en el paso i) y de las variaciones de velocidad calculadas en el paso k) y detección de errores suma de velocidad de giro en dicho tercer elemento funcional por adición de los errores de velocidad de giro almacenados en el paso i) y de las variaciones de ángulos de Euler calculadas en el paso k),

m) comprobación de si los errores suma de aceleración y los errores suma de velocidad de giro detectados en el paso l) se encuentran o no dentro de intervalos de tolerancia prefijados.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de medida inercial (1) se orienta en dirección aproximadamente horizontal antes de la realización del paso a).

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque durante la repetición indicada en el paso g) se comprueba al cabo de un tiempo prefijado en el paso c) si el ángulo de balanceo calculado por el algoritmo strapdown o el ángulo de cabeceo calculado por el algoritmo strapdown se encuentran ambos dentro de un intervalo de tolerancia prefijado en torno a 0º, preferiblemente en el rango de  3º.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque durante la repetición indicada en el paso g) se comprueba al cabo de un tiempo prefijado en el paso c) si las velocidades fijas con respecto a la tierra en las tres direcciones del espacio, calculadas por el algoritmo strapdown, se encuentran dentro de un intervalo de tolerancia prefijado en torno a 0 m/s, preferiblemente en el rango de  0,3 m/s.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el paso h) se comprueba si la precisión del error de aceleración, concretamente la desviación estándar o la varianza, para el eje de sensor de aceleración vertical (Z), obtenida por el filtro de Kalman en el segundo elemento funcional (30), está por debajo de un valor umbral prefijado.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se comprueba en el paso h) si la precisión del error de velocidad de giro, concretamente la desviación estándar o la varianza, para el respectivo eje de sensor de velocidad de giro horizontal (X, Y), obtenida por el filtro de Kalman en el segundo elemento funcional (30), está por debajo de un valor umbral definido.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se comprueba en el paso h) si las magnitudes de los errores de medida estimados para el eje de sensor de aceleración vertical (Z), detectados en el filtro de Kalman por el segundo elemento funcional (30), están por debajo de un respectivo valor umbral prefijado.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se comprueba en el paso h) si las magnitudes de los errores de medida estimados para el respectivo eje de sensor de velocidad de giro horizontal (X, Y), detectados en el filtro de Kalman por el segundo elemento funcional (30), están por debajo de un respectivo valor umbral prefijado.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se comprueba en el paso h) si la precisión de error, concretamente la desviación estándar o la varianza, para el respectivo eje de sensor de aceleración horizontal (X, Y), obtenida por el filtro de Kalman en el segundo elemento funcional (30), está en un intervalo de tolerancia prefijado en torno al respectivo valor inicial obtenido en el paso b).

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se comprueba en el paso h) si la precisión de error, concretamente la desviación estándar o la varianza, para el eje de sensor de velocidad de giro vertical (Z), obtenida por el filtro de Kalman en el segundo elemento funcional (30), está dentro de un intervalo de tolerancia prefijado en torno al respectivo valor inicial obtenido en el paso b).

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se almacenan también en el paso i) las varianzas de los ángulos de Euler.

**(Ver fórmula)**

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la variación de velocidad calculada en el paso k) es transformada en el sistema de ejes de la unidad de medida inercial (1) y corregida en la medida de una proporción de aceleración terrestre que resulta de los errores de velocidad de giro detectados.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se realizan después del paso m) los pasos adicionales siguientes:

m1) cálculo de la diferencia entre la aceleración total medida en promedio por el sensor de aceleración (10) y la aceleración terrestre,

m2) cálculo del error de aceleración total resultante sobre la base de los errores suma de aceleración,

m3) comprobación de si la diferencia entre la diferencia calculada en el paso m1) y el error de aceleración total calculado en el paso m2) se encuentra dentro de un intervalo de tolerancia prefijado.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se realizan después del paso m) los pasos adicionales siguientes:

m1') cálculo de la diferencia entre la velocidad de giro total medida en promedio por el sensor de velocidad de giro (11) y la rotación terrestre,

m2') cálculo del error de velocidad de giro total resultante sobre la base de los errores suma de velocidad de giro,

m3') comprobación de si la diferencia entre la diferencia calculada en el paso m1') y el error de velocidad de giro total calculado en el paso m2') se encuentra dentro de un intervalo de tolerancia prefijado.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, cuando sale mal al menos una de las comprobaciones realizadas en los pasos m), m3) o m3'), se interrumpe el desarrollo del procedimiento y se emite un aviso de error correspondiente.

16. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque, cuando se han recorrido con éxito todas la comprobaciones realizadas en el paso m) o en los pasos m) y m3) o m) y m3')

o en los pasos m), m3) y m3'), se emite un aviso de habilitación correspondiente.


 

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