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

Rzadko zadawane pytania: czasami trzeba ortogonalnie

ghost666 21 Lip 2017 12:17 1362 0
  • Rzadko zadawane pytania: czasami trzeba ortogonalnie
    Pytanie: Wykorzystuje moduł inercyjny (IMU) MEMS do skonstruowania utrzymującego równowagę systemu transportowego - niewielkiej, osobistej platformy. Czy mogę spodziewać się, że dedykowane na rynek konsumencki IMU będzie miało jakiś sposób na eliminację błędów wynikających z rozbieżnościami kątów pomiędzy osiami (tj. że nie są one ortogonalne) w związku z tym, że wszystkie elementy składowe IMU są wykonywane w jednym kawałku krzemu?

    Odpowiedź: Mówiąc w skrócie - nie, to nie jest bezpieczne założenie, szczególnie w takiej aplikacji. Przemysłowe moduły IMU, wykorzystujące dyskretne sensory w swojej strukturze, aby osiągnąć wysoki poziom precyzji są specjalnie kalibrowane. Tego rodzaju układy, po kalibracji, osiągają dużo wyższą precyzję niż konsumenckie układy scalone z sensorami zintegrowanymi w obrębie jednego fragmentu krzemu.

    Dodatkowo konsumenckie i przemysłowe IMU w inny sposób specyfikują precyzję względnego ułożenia poszczególnych osi w układzie. W układach konsumenckich wszystkie błędy ułożenia osi zbierane są w jeden parametr mówiący o "przesłuchu" pomiędzy osiami. Z kolei przemysłowe IMU, takie jak na przykład ADSI16490, niedawno wprowadzony do oferty przez Analog Devices, specyfikuje więcej parametrów - błędy ułożenia osi względem siebie jak i błędy ułożenia osi IMU względem osi fizycznej obudowy układu.

    Błędy ułożenia osi IMU względem obudowy mówią, jak dokładnie spozycjonowane są one względem fizycznych osi obudowy, która służy do instalacji IMU w systemie. Błąd ułożenia wzajemnego osi mówi o tym jak poszczególne osie akcelerometru i żyroskopu są ułożone względem siebie - na ile duża jest odchyłka od idelanego, ortogonalnego ułożenia poszczególnych osi w urządzeniu. Ten drugi błąd jest często nazywany błędem ortogonalności.

    Pomiędzy czułością międzyosiową - CAS a błędem ułożenia osi - A2A_MAE, istnieje zależność matematyczna, którą można zapisać w prosty sposób:

    CAS = sin (A2A_MAE)
    ASA_MAE = arc sin (CAS)


    Efekty braku ortogonalności zachodzą pomiędzy osiami sensora, pomiędzy wieloma sensorami i pomiędzy fizyczną obudową a osiami. W IMU dedykowanym do zastosowań przemysłowych każdy z tych błędów jest w pełni opisany w karcie katalogowej i zmierzony w czasie produkcji. Dla elementów scalonych nie wliczają one efektów związanych z odchyłkami od idealnego montażu na PCB.

    W idealnym przypadku osie żyroskopów i akcelerometrów wbudowanych w IMU są względem siebie ortogonalne. Popularnym, acz błędnym przekonaniem jest to, że skoro w konsumenckich modułach IMU poszczególne osie sensorów składają się z sensorów scalonych na jednym kawałku krzemu to muszą one być względem siebie ortogonalne. Oczywiście, to prawda że poszczególne sensory znajdują się w obrębie fizycznie jednolitego kawałka krzemu, ale nie oznacza to, że podczas produkcji nie może dochodzić do powstawania pewnych, niewielkich błędów pozycjonowania sensorów, a co za tym idzie, że nie wprowadza on błędów ortogonalności. Dalsze błędy, wprowadzane przy okazji zamykania układu w obudowie, akumulują się. Rezultatem jest system o znacznie mniejszej precyzji niż w pełni skalibrowany, przemysłowy moduł IMU.

    Szybki przegląd przegląd konsumenckich układów IMU pokazuje, że typowe układy tego rodzaju charakteryzują się błędem ortogonalności na poziomie od 1% do 5%. Wykorzystując powyższe równanie wyliczyć można, że błędy ułożenia osi zamykają się w zakresie od 0,57° do 2,87°. Przemysłowe IMU muszą być dużo precyzyjniejsze; typowe przemysłowe IMU charakteryzuje się błędem na poziomie 0,018° czyli około 0,031%:

    CAS = sin(A2A_MAE) = sin(0,018°) = 0,00031 = 0,031%


    Tak więc - w teoretycznie gorszej sytuacji, sensory przemysłowe, takie jak ASID16489, oferują 32 krotnie lepsze parametry niż najlepsze konsumenckie układy scalone!

    Aby zrozumieć czym są błędy nieortogonalności rozważmy prosty przykład. Załóżmy, że jedna z osi akcelerometru wykierowana jest dokładnie w górę, a układ leży dokładnie poziomo. Akcelerometr w osi Z mierzy idealnie przyspieszenie ziemskie. Dwie pozostałe osie, jeśli byłyby idealnie ortogonalne, nie mierzyłyby nic - rzut wektora grawitacji na osie X i Y jest zerowy. Jeżeli występuje jakikolwiek błąd ortogonalności to na osiach X i Y rzut wektora przyspieszenia ziemskiego będzie niezerowy; a jego wartość będzie proporcjonalna do błędu nieortogonalności. Jeśli błąd ten ma 1%, to na osiach o takim błędzie widoczne będzie przyspieszenie na poziomie około 10 mg. Przekłada się to na błąd ułożenia na poziomie 0,6°. Analogicznie, jeśli pierwsza omawiana oś - Z - nie będzie idealnie ortogonalna do leżącego płasko układu odniesienia to nie będzie ona mierzyć przyspieszenia do pełnej jego wartości.

    Rzadko zadawane pytania: czasami trzeba ortogonalnie
    Rys.1. Porównanie idealnego ułożenia trzech ortogonalnych osi (po lewej) i realnej sytuacji. Na obrazku zaprezentowano w jaki sposób obserwuje się przesłuch przyspieszenia nieortogonalnymi pomiędzy osiami. Aby ocenić jaki jest przesłuch pomiędzy dwoma dowolnymi wystarczy obrócić układ o 90° i przeliczyć to jak zmieniają się rzuty na poszczególne osie.


    Nietrywialnym zadaniem jest kalibracja wszystkich ortogonalnych osi we wszystkich warunkach pracy układu po jego zamontowaniu na PCB. Kalibracja modułu inercyjnego wymaga jednoczesnej obserwacji wszystkich osi układu podczas gdy układ poruszany jest w dokładnie kontrolowany sposób. Tego rodzaju kalibracja wymaga precyzyjnego, wyspecjalizowanego sprzętu i często jest bardzo złożona. Z drugiej strony, przemysłowe IMU docierają do klientów już skalibrowane względem osi obudowy. Konsumenckie, scalone IMU nie mają takich zalet.

    Parametry kompletnego, przemysłowego IMU, złożonego z trzech osi żyroskopu i trzech osi akcelerometru są na tyle wysokie, że po jego zamontowaniu w systemie nie jest w ogóle konieczna. Eliminuje to ten złożony krok podczas produkcji urządzenia. Jest to szczególnie znamienne z uwagi na to, że takiego rodzaju IMU montowane w gotowym module, posiada wyznaczone błędy ortogonalności względem fizycznych osi obudowy. Dzięki temu eliminuje się także niedoskonałości montażu, na przykład błędy ortogonalności powstałe przy lutowaniu dyskretnych konsumenckich IMU na PCB,

    Fabrycznie skalibrowany moduł ADIS16489 zapewnia bardzo stabilną i precyzyjna platformę dla układów stabilizacji położenia, robotyki czy nawigacji. Cyfrowe trójosiowe żyroskopy i akcelerometry wbudowane w ADIS16489 charakteryzują się błędem ortogonalności na poziomie 0,018° dla żyroskopu i 0,035° dla akcelerometru. Dodatkową zaletą tego układu jest parylenowe pokrycie, które izoluje cały ten układ od wilgoci w otoczeniu.

    Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-142.html

    Fajne! Ranking DIY
    Darmowe szkolenie: Ethernet w przemyśle dziś i jutro. Zarejestruj się za darmo.
    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 9773 postów o ocenie 7952, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.