Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Analizowanie charakterystyki częstotliwościowej inercyjnych systemów MEMS

ghost666 10 Lip 2012 12:44 3525 2
  • Rozmaite urządzenia wymagają stabilizacji - sprzęt szpiegowski, taki jak np. kamery, odbiorniki mikrofalowe, systemy obrazowania w podczerwieni i inne podobne układy. Często sprzęt ten montowany jest na bezzałogowych pojazdach latających, na samochodach czy łodziach, gdzie narażony jest na wibracje i inny niepożądany ruch. Wibracje powodować mogą zmniejszenie rozdzielczości pomiarów, problemy z komunikacją i inne zachowania które zmniejszają funkcjonalność urządzenia. Dlatego też bardzo często stosuje się w tych układach platformy stabilizującej oparte o systemy aktywnej korekcji położenia, oparte o pętle sprzężenia zwrotnymi z czujnikami położenia i ruchu, dzięki czemu wrażliwe systemy są stabilizowane w przestrzeni. Na poniższej ilustracji pokazano typowy schemat takiego układu.

    Analizowanie charakterystyki częstotliwościowej inercyjnych systemów MEMS

    Układ ten wykorzystuje serwomotory do aktywnej korekcji i stabilizacji położenia i ruchu kątowego. Sprzężenie zwrotne zapewnia informacje na temat dynamiki ruchu, które następnie zostają przetworzone i użyte do kontroli ruchu serwomotorów.

    Jako że wiele systemów stabilizacji potrzebuje więcej niż jednej osi aktywnej korekcji często wykorzystywane są tzw. układy pomiaru inercji, składające się z wieloosiowych (zazwyczaj trzy) żyroskopów zapewniających informacje prędkości kątowej i akcelerometrów mierzących przyspieszenie - liniowe oraz kątowe, Taki zestaw danych pozwala na dokładny pomiar ruchu platformy. Celem stosowania tych systemów jest aktywna korekcja położenia nawet gdy system znajduje się w ruchu. Jako że nie istnieje idealna metoda pomiaru często stosuje się kilka typów sensorów na oś w celu otrzymania jak najdokładniejszego pomiaru.

    Akcelerometr jest w stanie mierzyć statyczne i dynamiczne przyspieszenie w kierunku każdej z osi. Statyczne przyspieszenie wydaje się dziwnym terminem, ale chodzi o bardzo istotny czynnik - przyspieszenie ziemskie wynikające z grawitacji. Zakładając iż na czujnik nie oddziałuje żadne przyspieszenie dynamiczne sensor, który po skalibrowaniu nie wnosi błędów, wskazuje swoje położenie względem wektora przyspieszenia ziemskiego. W systemie wieloosiowym pozwala to na dokładną kontrolę położenia względem grawitacji. W rzeczywistych systemach średnie położenie w obecności wibracji i nagłego przyspieszenia dynamicznego, estymowane jest na podstawie filtrowanych odczytów z czujników, które przeliczane jest skomplikowanymi metodami w celu otrzymania jak najlepszego estymatora.

    Innym rodzajem czujnika wykorzystywanego w systemach inercyjnych jest żyroskop. Zapewnia on informacje o kątach i ruchu kątowym. Pozwala on na pomiar ruchu kątowego w skończonych przedziałach czasu. W czasie zliczania tych przedziałów pojawić się może pewien błąd proporcjonalny do dryftu który akumuluje się w czasie. W związku z tym odczyt z żyroskopu jest na tyle dokładny na ile dokładny jest bias generowany przez układ odczytujący kąt i stabilność tegoż biasu w funkcji czasu, temperatury i innych wpływów środowiska, wynikających z ruchu systemu. Wysokiej jakości żyroskop po skalibrowaniu i wprowadzeniu odporności na błąd wynikający z przyspieszenia liniowego pozwala na dostarczanie szerokopasmowych danych na temat kąta i przyspieszenia kątowego, co doskonale uzupełnia informacje pochodzące z akcelerometrów, pracujących w niższym zakresie częstotliwości.

    Trzecim typem sensora są trójosiowe magnetometry, mierzące intensywność pola magnetycznego. Pomiar taki w trzech ortogonalnych osiach, pozwala na zlokalizowanie magnetometru względem położenia ziemskiego pola magnetycznego. Pamiętać należy że gdy magnetometr znajdzie się w pobliżu silników, monitorów i innych źródeł zakłóceń elektromagnetycznych, jego dokładność wyraźnie się zmniejszy, ale nadal dane pochodzące z magnetometru są w stanie uzupełnić dane pochodzące z akcelerometrów i żyroskopów. Wiele systemów wykorzystuje tylko żyroskopy i akcelerometry do pomiaru położenia i przyspieszenia, jednakże wykorzystanie magnetometru może dodatkowo poprawić jakość pomiarów w pewnych systemach.

    Na poniższej ilustracji pokazano jak pomiary z żyroskopu i akcelerometru używane są do obliczania pozycji i korekcji położenia na serwomotorach. Zaproponowana metoda wykorzystuje silne strony układów jednocześnie minimalizując wpływ jego wad.

    Analizowanie charakterystyki częstotliwościowej inercyjnych systemów MEMS

    Położenie filtrów dolnoprzepustowych dla akcelerometru i górnoprzepustowych dla żyroskopu zależne jest od konkretnej aplikacji, docelowej dokładności, różnicowy fazowej, obecności wibracji i zakresie spodziewanych ruchów układu. Czynniki te mają też wpływ na wagi poszczególnych parametrów z jakimi wchodzą one do wyniku. Filtr Kalmana jest jednym z przykładów algorytmu który wykorzystuje filtrację i nadawanie wagi poszczególnym parametrom w celu estymacji kąta.
    Źródła:
    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/46-07/MEMS_stabilization.html

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9491 postów o ocenie 7513, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • #2
    One People
    Poziom 2  
    Schemat który przedstawiłeś przedstawia bardzo uproszczony model tego regulatora/detektora/systemu AHRS. Opieranie całego regulatora o funkcje trygonometryczne i cylkometryczne nastręcza wielu problemów. Szczególnie jeżeli chcemy uwzględnić obroty w kilku osiach(tzw. gimbal lock) oraz przekraczanie kątow 90 i 270 (o ile dobrze pamiętam gdzieś po drodze wskakiwało dzielenie przez 0).

    Samo zagadnienie fuzji estymowanego[obliczonego/przybliżonego] położenia kątowego z danymi z akcelerometu i magnetometru nie jest trywialnym zadaniem. - ostatnimi czasy usilnie z tym walczę.

    Fuzja tych danych na filtrze to przy tym piluś. (niekoniecznie Kalmana - są filtry prostsze, które lepiej sprawują się w tych okolicznościach, szczególnie biorące pod uwagę inercję[opóźnienie/bezwładność] akcelerometru).

    Nie wspomniałeś także o innym - wielce ciekawym zastosowaniu tego typu systemu - nawigacji statków powietrznych (m. in. dronów). System AHRS jest jednym z podstawowych podzespołów multicopterów(tri/quatro/hexa/octo itp.), innych dronów oraz wszędzie tam, gdzie dokładność samego GPS'u nie wystarczy.
  • #3
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Polecam zajrzeć do linku na dole mojego postu, tam znajduje się dalsza część artykułu wraz z najciekawszymi rzeczami - wzorami i listingami do matlaba bodajże.