Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Wyszukiwarki naszych partnerów

Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
Kategoria: Kamery IP / Alarmy / Automatyka Bram
Montersi
Proszę, dodaj wyjątek elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: historia o żyroskopie, co zboczył ze ścieżki

ghost666 17 Mar 2017 21:49 2364 0
  • Rzadko zadawane pytania: historia o żyroskopie, co zboczył ze ścieżki
    Pytanie: Słyszałem, że żyroskop akumuluje w czasie pracy błąd dryftu. Czy tak samo dzieje się z modułem inercyjnym (IMU), wykorzystującym akcelerometry?

    Odpowiedź: Żyroskop MEMS, mierzący ruch kątowy ma kilka wewnętrznych źródeł błędu. Jednym z nich jest niestabilność napięcia polaryzacji elementów wewnętrznych. W porównaniu do żyroskopów, system inercyjny ma kilka zalet.

    Weźmy jako przykład IMU o sześciu stopniach swobody: układ taki składa się z wielu sensorów MEMS, z których wszystkie są skompensowane termicznie i skalibrowane tak, aby odczyty ruchu mierzyły go dokładnie według ortogonalnych osi. Wbudowany w układ żyroskop dokonuje pomiaru obrotu w trzech płaszczyznach, wokół ustalonego punktu, a trójosiowy akcelerometr wbudowany w system z kolei podaje informacje dotyczące przemieszczenia (a w zasadzie przyspieszeń w każdej z osi). Dane te spływają do wbudowanego w IMU procesora sygnałowego (DSP) lub mikrokontrolera, który następnie analizuje je, co pozwala na ich podstawie określić np. trajektorię ruchu czy też położenie w przestrzeni (względem punktu startowego).

    Żyroskopy podatne są na błędy wynikające z niestabilności polaryzacji, które objawiaj się tym, że odczyt zera w żyroskopie będzie dryfował w czasie na skutek szumu w układu jak i odstępstw od ideału w jego konstrukcji. Powtarzalność tej polaryzacji może być osiągnięta dzięki kalibracji w zakresie temperatur, w jakim ma pracować IMU, jednakże sama niestabilność tej polaryzacji powodować będzie błędy w pomiarze kąta. Błędy te będą akumulować się z biegiem czasu, jeśli chodzi o pomiar obrotu. Niepożądanym efektem dryfu tego napięcia w czasie, będzie błąd obliczeń na DSP, który będzie się akumulował, ponieważ nie jest on w żaden sposób tłumiony. W przypadku akcelerometrów problem dryfu i akumulacji błędów pomiarowych nie występuje, jednakże te urządzenia z kolei narażone są na błędy wynikające z wibracji elementu czy innych przyspieszeń poza grawitacją.

    Dryft żyroskopów wynika z dwóch komponentów. Oprócz wspomnianej niestabilności polaryzacji występuje jeszcze coś, co nazywane jest losowym przemieszczeniem kątowym (ARW). Napięcie polaryzacji zmienia się w czasie bardzo powoli; z kolei błędy wynikające z ARW mają o wiele wyższą częstotliwość. Dryft wynikający z tych dwóch źródeł specyfikuje się w karcie katalogowej elementu w jednostkach kąta na jednostkę czasu.

    Na tego rodzaju akumulujące się błędy najbardziej narażona jest oś obrotu wokół pionowej osi, gdyż pozostałe dwie można okresowo kalibrować względem ziemskiego pola grawitacyjnego, mierzonego z wykorzystaniem akcelerometrów. W przypadku pionowej osi obrotu nie można, gdyż obrót wokół tej osi nie wpływa na rzut przyspieszenia na poszczególne osie akcelerometru, bo obrót dokonywany jest wokół kierunku pola. Oprócz tego rodzaju metod, wykorzystuje się także np. dolnoprzepustowe filtry Kalmana, które pozwalają usunąć z pomiaru część błędów dryftu żyroskopów.

    W idealnym przypadku do kompensacji dryftu żyroskopu potrzebne są dwa sygnały referencyjne. W IMU o dziewięciu osiach swobody dostępne są jeszcze informacje z wbudowanego trójosiowego magnetometru. Sensor ten mierzy rzut pola magnetycznego na trzy osie w IMU, które wskazują na magnetyczną północ Ziemi. Sensory te, wraz z danymi z akcelerometrów, pozwalają na zebranie dostatecznej ilości informacji, aby kompensować dryft osi żyroskopów, także osi równoległej do pola grawitacyjnego Ziemi. Jednakże sygnały z magnetometrów dają niższą precyzję i są mniej niezawodne niż pomiary z akcelerometrów z uwagi na fakt, że pole magnetyczne zaburzane jest przez więcej czynników niż przyspieszenie, bo w otoczeniu sensora wiele może być obiektów, generujących własne pole magnetyczne.

    Kolejną, inną metodą eliminacji dryfu pomiarów żyroskopowych jest regularne kalibrowanie zerowej prędkości kątowej żyroskopów w układzie. Najlepiej, za każdym razem gdy wiadomo jest, że dana oś nie obraca się, zerować jej prędkość. To jak często można dokonywać takiej operacji bardzo mocno zależy od konkretnej aplikacji systemu, jednakże niezależnie od tego, należy wykorzystywać każdy 'przystanek' do zerowania dryfu: w momencie gdy zatrzyma się auto, gdy autonomiczny robot stanie lub pomiędzy krokami człowieka - zależnie w jakim systemie pracuje dane IMU.

    Oczywiście, sama wartość błędów wpływających na dryft zależy od samego układu: najlepsze IMU, które posiadają systemy minimalizowania niestabilności polaryzacji, oferować będą najmniejszy dryf pomiarów żyroskopowych.

    Aby zmierzyć stały błąd polaryzacji żyroskopu należy zmierzyć i uśrednić pomiary żyroskopu w długim okresie czasu gdy nie porusza się on. Wykres wariancji Allana dla IMU pokazuje dryft żyroskopu w funkcji czasu np, w stopniach na godzinę czasu integracji. Wykresy tego rodzaju prezentuje się zazwyczaj na wykresie z dwoma skalami logarytmicznymi.

    Najnowszy IMU w ofercie Analog Devices - ADIS16490 - oferuje doskonałe parametry, m.in stabilność polaryzacji żyroskopu na poziomie 1,8°/h. Widoczne jest na na rysunki 1, poniżej, gdzie pokazano wykres wariancji Allana w funkcji czasu integracji układu. Dla jednej godziny (3600 sekund) wynosi on dokładnie 1,8°.

    Rzadko zadawane pytania: historia o żyroskopie, co zboczył ze ścieżki
    Rys.1.Wykres wariancji Allana w funkcji czasu integracji dla ADIS16490.


    Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-139.html

    Fajne!
Szybka odpowiedź lub zadaj pytanie
Dziękuję Ci. Ta wiadomość oczekuje na moderatora.
 Szukaj w ofercie
Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME