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

Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS

ghost666 07 Lip 2015 13:58 1767 0
  • Odchyłki od normy, jeśli chodzi o mechaniczne umieszczenie sensorów, jest kluczową sprawą, jeśli chodzi o dokładność precyzyjnych systemów kontroli ruchu, opartych o inercyjne sensory wykonane w technologi MEMS (sensory IMU) jako sprzężenie zwrotne. W przypadku żyroskopów w IMU, niedokładne ich umieszczenie w układzie, opisywane jest jako różnica kątowa pomiędzy zdefiniowanymi osiami systemu, a rzeczywistą osią obrotu żyroskopu. Kontrola nad tymi odchyłkami i ich minimalizacja wymagać może precyzyjnego montażu układów w systemie lub nawet dokładnego testowania i kalibracji finalnego układu. Wszystkie te czynniki mają ogromny wpływ na aspekty projektu związane z terminem, czy całkowitym kosztem realizacji systemu inercyjnego w urządzeniu. Dlatego też pilnowanie odpowiedniego ustawienia sensorów i ich dokładności, jest aspektem wartym uwagi na wielu etapach projektowania systemu. Wiadomo, że nikt nie chce marnować 80% zasobów projektu (czasu i środków), aby okazało się, że koniczne są jeszcze dodatkowe nakłady związane z optymalizacją systemu sensorów IMU. A niestety koszty i terminy zamówień nie są negocjowalne...

    Wstęp

    Są trzy istotne koncepcje, jakie trzeba zrozumieć i zrealizować, analizując architekturę sensorów inercyjnych w systemie: ocena błędów, zrozumienie wpływu błędów na pomiary oraz elektroniczna kalibracja po instalacji w systemie.

    Wstępna ocena błędu powinna zawierać w sobie tak kontrybucję z IMU jak i z mechanicznej części montażu układu w systemie. Zrozumienie wpływu tych błędów na działanie i dokładność systemu ma kluczowy wpływ na funkcjonowanie urządzenia, tak aby zoptymalizować go pod względem precyzji działania z jednej strony, a nakładów na projekt i produkcję z drugiej strony. Finalnie, niezwykle istotna jest elektroniczna kalibracja układów już zamontowanych w systemie, która pozwala na optymalizację stosunku precyzji do kosztów w gotowym urządzeniu.

    Przewidywanie błędów montażu układu

    Precyzja całego systemu zależy od dwóch zasadniczych czynników: błędów samego IMU oraz precyzji umiejscowienia modułu IMU w systemie. Część zależna od precyzji IMU (?IMU) i część zależna od precyzji umiejscowienia w systemie (?SYS) zazwyczaj nie są od siebie zależne, zatem całkowitą precyzję urządzenia wyznaczyć można wykorzystując do tego pierwiastek sumy kwadratów:

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS


    Karty katalogowe niektórych układów IMU specyfikują błędy pomiaru poprzez parametry takie jak odchylenie osi żyroskopu od osi obudowy. Rysunek pierwszy pokazuje poglądowo tego rodzaju błędy, dla każdego żyroskopu wbudowanego w układ ADIS16485. Błędy pokazane są względem krawędzi obudowy układu. Na rysunku pierwszym zielone przerywane linie reprezentują referencyjne pozycje osi w systemie, a ciągłe linie pokazuję realną pozycję osi żyroskopów w obudowie. ?IMU to maksimum z trzech odchyleń dla poszczególnych osi układu (?X, ?Y, ?Z).

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS
    Rys.1.Odchylenia osi żyroskopów od osi obudowy dla układu ADIS16485.


    Ocena wpływu systemu na całkowity błąd (czynnik ?SYS w równaniu 1) wymaga estymacji mechanicznych niedoskonałości montażu układu scalonego na płytce drukowanej (PCB), względem założonego, referencyjnego układu osi odniesienia w układzie. W przypadku wlutowania IMU na PCB rozważyć trzeba czynniki takie jak precyzja umieszczenia układu, rozrzut nałożonego spoiwa, jego rozpływanie się podczas lutowania oraz precyzję oraz tolerancję wykonania samego PCB. W przypadku wykorzystania IMU w postaci modułu, możliwe jest bardziej bezpośrednie związanie osi referencyjnych z mechanicznymi osiami modułu, jak pokazano na rysunku drugim, poniżej. Ten rodzaj montażu układu ma dwie podstawowe zalety, jeśli chodzi o minimalizację odchyłek: cztery półki montażowe (mounting ledges) i gniazdo montażowe (mounting nest).

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS
    Rys.2.Szkic gniazda montażowego modułu IMU.


    W tego rodzaju metodzie montażu modułu, jednym z istotnych czynników jest na przykład różnica w wysokości półek montażowych. Ma to wpływ na odchylenie osi X i Y układu, względem osi urządzenia. Rysunek trzeci pokazuje (nie w skali) wpływ różnicy wysokości H1 i H2 półek montażowych układu na odchylenie osi X (?X).

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS
    Rys.3.Błąd pozycji osi, spowodowany różnicą wysokości półek montażowych modułu IMU.


    Równanie drugie (poniżej) pokazuje funkcję uzależniającą odchylenie osi X (?X) od różnicy wysokości (H2 względem H1) i odległości pomiędzy punktami styku (W do W1):

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS


    Analogiczna sytuacja ma się z odchyłką w osi Y, gdzie długość elementu L zastępujemy jego szerokością. Równanie 2 przekształcić można w ten sposób do wyrażenia na odchylenie osi Y (?Y):

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS


    Rysunek czwarty, poniżej, pokazuje jak czynniki mechaniczne wpływają jeszcze na oś Z. W tym przypadku wykorzystane do montażu śruby, ślizgają się w otworach montażowych. Różnica pomiędzy średnicą śruby (DM) a średnicą otworu montażowego (DH) generuje odchylenie modułu IMU w osi Z.

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS
    Rys.4.Wpływ różnicy średnic otworów montażowych i śrub na odchylenie osi Z modułu IMU.


    Równanie 4 opisuje zależność błędu odchylenia osi Z (?Z), od różnicy tych średnic i promienia obrotu, równego połowie odległości pomiędzy otworami montażowymi modułu znajdującymi się po przekątnej:

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS


    Przykład 1

    W tym przykładzie ocenimy błędy odchylenia osi modułu IMU (ADIS16485) zamontowanego z wykorzystaniem śrub o średnicy 2 mm w gnieździe z półkami o wymiarach 6 mm x 6 mm. Średnica otworów modułu wynosi 2,85 mm, a tolerancja mechaniczna wykonania gniazda wynosi 0,2 mm.

    Rozwiązanie

    Wykorzystujemy nominalną szerokość modułu W = 44 mm, zatem odchylenie w osi X równe jest 0.3° (patrz rys.3).

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS


    Nominalna odległości pomiędzy otworami montażowymi w układzie wynoszą 39,6 mm oraz 42,6 mm. Te odległości formują ramiona trójkąta prostokątnego, którego przeciwprostokątna jest odległością po przekątnej pomiędzy otworami montażowymi. Promień RS wynosi zatem połowę tej odległości, czyli 29,1 mm, co oznacza błąd odchylenia osi Z równy 0.83°.

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS


    Wykorzystując równanie 1 jako ?SYS podajemy ?Z, jako że jest maksymalną odchyłką, ?IMU = 1°, za kartą katalogową układu. Na tej podstawie wyznaczamy całkowitą odchyłkę systemu jako 1.28°.

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS


    Wpływ niedokładności mechanicznej na precyzję systemu pomiarowego.

    Aby zrozumieć relację, łączącą błędy umiejscowienia modułu w systemie i błędy pomiarowe żyroskopu dobrym początkiem rozważań, jest sprawdzenie jakie wymagania stawia się żyroskopom w realnych aplikacjach, jeśli chodzi o precyzję pomiaru.

    Na rysunku piątym przedstawiono ogólny szkic systemu wyposażonego w trójosiowy żyroskop. Na przedstawionym diagramie widać trzy zielone linie, reprezentujące trzy osie referencyjne układu. Z kolei linie czarne reprezentują realne osie obrotu żyroskopów w równaniu. Równania 5, 6 i 7 opisują w jaki sposób błędy pozycji osi wpływają na błąd pomiaru obrotu systemu w każdej z osi referencyjnego układu odniesienia. W równaniach tych kosinus błędu wprowadza błąd pomiaru.

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS
    Rys.5.Układ z trójosiowym żyroskopem i trzema ortogonalnymi osiami, wraz z oznaczeniem błędów.


    Błędy pozycjonowania osi powodują, że poszczególne osie mają wpływ na odczyt trzeciej. Aby ocenić ten wpływ konieczne jest wyznaczenie współczynników sprzęgania się osi. I tak, komponent dla osi X (?X) ma składowe dla osi Y (?XY) oraz osi X (?XZ). Pozwala to na wyznaczenie rozwinięć odpowiedzi na ruch w każdej z osi w układzie referencyjnym (?X, ?Y, ?Z) z uwzględnieniem błędów pozycjonowania osi rzeczywistych:

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS
    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS


    Przykład 2

    Naziemny pojazd zdalnie sterowany wykorzystuje IMU MEMS jako sensor sprzężenia zwrotnego dla platformy stabilizującej położenie anteny w systemie. Układ wykorzystuje system wymagający pozostania anteny w pozycji (azymut i nachylenie) z dokładnością do ?1° aby zapewnić ciągłość komunikacji. Podczas ruchu pojazdu system stabilizacji polega na żyroskopowych pomiarach w osi Z do określania kąta nachylenia anteny i w osi Z do kontroli jej azymutu.

    Maksymalna zmiana (?Z?) podczas ruchu pojazdu wynosi 30° i nie występuje obrót w osi X ani Y (?X? = ?Y? = 0°) podczas ruchu pojazdu.

    Rozwiązanie

    Zerowy obrót wokół osi X i Y pozwala na na uproszczone równania 8 i 9 do następującej postaci:

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS


    Rozpoczynamy analizę od osi Y. Jako graniczne ?YG stawiamy 1° i rozwiązujemy równanie na ?YZ. Pozwala nam to na wyznaczenie maksymalnego odchylenia osi Y, jako równego 1,9°.

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS


    W tym przykładzie ?Z? = 30°, a ograniczenie błędu (różnicy ?ZG i ?Z?) równe jest, jak powyżej 1°. Rozwiązujemy równanie, aby wyznaczyć ?Z. Maksymalne dopuszczalne odchylenie wynosi zatem 14,8° dla osi Z żyroskopu.

    Podstawy ustawiania żyroskopów MEMS


    Powyższe obliczenia pokazują ponadto, że sprzężenie osi Y i Z spowoduje redukcję maksymalnego odchylenia jako równe ~1,9°, w tym konkretnym przypadku.

    (W dalszej części artykułu oryginalnego znajduje się opis w jaki sposób elektronicznie kompensować można niedokładności wynikające z własności mechanicznych montażu żyroskopów MEMS w układzie. Chętnie przetłumaczę i tamtą część, jeśli znajdą się na forum osoby zainteresowane - przyp.red.)

    Podsumowanie

    Inercjalne systemy MEMS dokonały zaskakującego postępu w ostatnich latach. Pozwoliło to dostarczyć projektantom systemów fenomenalnego zakresu opcji w niewielkich i lekkich modułach IMU.

    Dla tych spośród inżynierów, którzy wykorzystują IMU oparte o układy MEMS do kontrolowania ruchu w systemach, selekcja odpowiednich układów i zachowanie wysokiej precyzji jest kluczowe. Jako że precyzja umieszczenia w układzie jest istotnym czynnikiem, wpływającym na dokładność pomiarów, nawet najprostszy zestaw analitycznych narzędzi pozwalających na estymację niedokładności pomiarowych jest niezwykle cenny dla projektantów. Pozwala to na uwzględnienie ryzyka i uwzględnienie tego w projektowaniu architektury systemu.

    Źródło: http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/49-06/IMU_Gyroscope.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 9359 postów o ocenie 6938, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Osprzęt kablowy