Датчики ориентации в пространстве

Т. к. величина момента М будет постепенно убывать благодаря релаксации,то для К. г. выбирают вещества с большими временами релаксации, например некоторые органические жидкости, для которых время релаксации t составляет несколько мин, жидкий 3He (около 1 ч) или раствор жидкого 3He (10—3%) в 4He (около года).

В К. г., работающем по методу ядерной  индукции, вращение с угловой скоростью W датчика К. г., который содержит ядра с ориентированными магнитными моментами, эквивалентно действию на ядра магнитного поля с напряжённостью Н = W/g_я, где g_я — гиромагнитное отношение для ядер. Прецессия магнитных моментов ядер вокруг направления поля Н приводит к появлению переменной эдс в катушке L, охватывающей рабочее вещество К. г. (Рис.1.8). Определение частоты W вращения тела, связанного с датчиком К. г., сводится к измерению частоты электрического сигнала, которая пропорциональна W.

В динамическом ядерном гироскопе  суммарный ядерный магнитный  момент М датчика прецессирует вокруг постоянного магнитного поля Н, жестко связанного с устройством. Вращение датчика вместе с полем Н с угловой скоростью W приводит к изменению частоты прецессии магнитного момента М, приблизительно равному проекции вектора W на Н. Это изменение регистрируется в виде электрического сигнала. Для получения высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая стабильность и однородность магнитного поля Н. Для экранировки прибора от действия внешних магнитных полей применяются сверхпроводники. Например, если поворот датчика обусловлен суточным вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно превышать 3×10^–9э.

Электронные К. г. аналогичны ядерным, но в них применяются вещества, атомы или молекулы которых содержат неспаренные электроны (например, устойчивые свободные радикалы, атомы щелочных металлов). Хотя времена релаксации электронных спинов малы, электронные  К. г. перспективны, так как гиромагнитное  отношение g_эл для электронов в сотни раз больше, чем для ядер, и, следовательно, выше частота прецессии, что важно для многих применений.

Несмотря на то что К. г., особенно оптические, непрерывно совершенствуются, их точность и чувствительность ещё  уступают лучшим образцам механических гироскопов. Однако К. г. обладают рядом  существенных преимуществ перед  механическими гироскопами: они  не содержат движущихся частей (безынерционны), не требуют арретирования, обладают высокой надёжностью и стабильностью, приводятся в действие в течение  короткого промежутка времени, могут  выдержать значительные ускорения  и работать при низких температурах. Некоторые типы К. г. уже применяются  не только как высокочувствительные индикаторы вращения, ориентаторы и  гирометры, но и как гирокомпасы,гиробуссоли  и секстанты.

 

2. Акселерометр

 Акселерометр (лат. accelero — ускоряю и др.-греч. μετρέω «измеряю») — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Как правило, акселерометр представляет собой чувствительную массу, закреплённую в упругом подвесе. Отклонение массы от её первоначального положения при наличии кажущегося ускорения несёт информацию о величине этого ускорения.

По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные. Соответственно, они позволяют измерять ускорение вдоль одной, двух и  трёх осей.

Некоторые акселерометры также  имеют встроенные системы сбора  и обработки данных. Это позволяет  создавать завершённые системы  для измерения ускорения и  вибрации со всеми необходимыми элементами.

 

2. Уравнение преобразования.

 

Существует  ряд датчиков угловой скорости, работающих на различных принципах и имеющих  различные диапазоны измерения, но все они выдают сигнал, пропорциональный угловой скорости.

Алгоритм  определения ориентации с использованием данных об угловой скорости может  быть следующим.

– Задаётся положение тела относительно некоторой  неподвижной системы координат  в начальный момент времени.

– Интегрируется  кинематическое уравнение 

,    (2.1)

где - вектор угловой скорости вращения тела, определяемый с помощью датчиков, a - кватернион перехода из неподвижной системы координат в систему координат, жестко связанную с телом [4]. Таким образом, решается задача определения ориентации.

Точность  решения уравнения (2.1) в общем случае зависит от метода реализации этого решения и от ошибок первичной информации, то есть ошибки в определении .

Рассмотрим  такую схему реализации решения  кинематического уравнения, в которой  аналоговый сигнал, пропорциональный измеряемой угловой скорости, преобразуется  в цифровой и далее интегрирование уравнений выполняется на ЦВМ. Одной  из составляющих ошибки будет ошибка из-за дискретности измерений при  преобразовании первичной информации. Если квант преобразования равен

ε (ε=

/ ,    (2.2)

где N-разрядность преобразователя), то оценка ошибки дает представление о точности реализации данного метода [5]. Однако, как показывает практика, если разрядность преобразователя достаточно велика (к примеру, для 2-х байтового значения угловой скорости N=16), ошибка реализации метода решения (1.1) очень мала по сравнению с шумом датчика. А неточность в значении угловой скорости после интегрирования уравнения (1.1) даёт накапливающуюся ошибку в определении ориентации.

Следует отметить, что с помощью измерений  датчиков угловой скорости в каждый момент времени можно определить полный вектор фазового состояния. При  этом датчики угловой скорости не имеют ограничений относительно взаимного положения с Солнцем  или Землёй, как солнечный или  звёздный датчики. Но у датчиков угловой  скорости существует ограничение относительно пределов измерения: датчик не может  измерить скорость выше некоторой заявленной, и измерить точнее, чем это позволяет  уровень шума. В числе недостатков  нужно назвать то, что, так как  неизбежна некоторая ошибка в  задании положения в начальный  момент времени, то дальнейшее определение  ориентации происходит с ошибкой.

 

3. Назначение, основные характеристики, погрешности, достоинства и недостатки датчиков. Сравнение датчиков различных типов

Акселерометры и гироскопы

 

Основные достоинства технологии МЭМС-датчиков

• Малый разброс параметров в пределах изделия. Изготовление компонентов в едином технологическом цикле позволяет получать практически неотличимые параметры у одинаковых компонентов.
• Высокая технологичность и повторяемость. При изготовлении МЭМС-устройств в основном применяются хорошо отработанные и управляемые технологические процессы, что позволяет получать изделия с желаемыми характеристиками.
• Микроминиатюрность. Применение технологии микросхем позволяет получить микромеханические и оптические узлы значительно меньших размеров, чем это возможно по традиционным технологиям.
• Высокая функциональность. Миниатюрность изделия и возможность изготовления датчиков, обрабатывающих схем и исполнительных механизмов в одном устройстве позволяет создавать законченные системы достаточно большой сложности в миниатюрном корпусе.
• Улучшенные характеристики функционирования. Электронная часть, а также электрические каналы связи с датчиками и механизмами, выполненные по интегральной технологии и имеющие малые размеры, позволяют улучшить такие характеристики как рабочие частоты, ЭМС, соотношение сигнал/шум и т.д. Высокая точность и повторяемость чувствительных элементов и их интегральное исполнение совместно с обрабатывающей схемой позволяют значительно повысить точность измерений. Кроме того, повторяемость и точность исполнения механических компонентов улучшает их характеристики.
• Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям. Факторов, приводящих к повышению надежности и стойкости к внешним воздействиям изделий при применении МЭМС, достаточно много, и они зависят от конкретного типа изделия и его применения. Механические узлы МЭМС в условиях вибраций и ударов, как правило, работают лучше благодаря малым размерам и массе, а также тому факту, что механические узлы расположены в корпусе МЭМС, амортизированном выводами и конструкцией ПП.
• Низкая стоимость. Применение МЭМС уменьшает стоимость как механической, так и электронной частей устройства, поскольку обрабатывающая электроника интегрирована в МЭМС-компонент, что позволяет избежать дополнительных соединений и, в некоторых случаях, согласующих схем.

Основные секторы применения акселерометров и гироскопов

– Игровые консоли.

– Стабилизация изображения в фото- и видеокамерах.

– Курсорные указатели для интеллектуальных интерфейсов пользователя.

– Расширение GPS-решений (системы счисления  пройденного пути).

– Системы управления движением  в робототехнике.

– Стабилизация платформ промышленного  оборудования.

Поскольку прецизионные гироскопы  используются в системах наведения  стратегических ракет большой дальности, во время холодной войны информация об исследованиях, проводимых в этой области, классифицировалась как секретная.

Первая цифра в наименовании указывает число осей датчика (2 или 3). Далее следуют две цифры  номера разработки. Первая буква в  суффиксе означает тип выходного  интерфейса (D — digital или A — analog).

STAIS226DS, AIS326DQ — двух- и трехосевые  акселерометры, предназначенные  для автомобильной промышленности  и имеющие рабочий диапазон  температур –40…105°C. Полоса пропускания: 640 Гц. Имеется функция самотестирования.

LIS202DL — ультракомпактный двухосевой  акселерометр с низким потреблением  энергии. У него имеются встроенные  интеллектуальные функции, в т.ч. распознавание одинарного и двойного щелчка. Акселерометр можно запрограммировать на обнаружение простых пользовательских действий, например, связать функцию двойного щелчка с аппаратным прерыванием, благодаря чему звонок мобильного телефона приглушается в кармане одним движением. Пользователь может выбрать один из двух стандартных цифровых интерфейсов: SPI или I2C. Встроенные функции самотестирования позволяют проверять функционирование датчика после подачи напряжения на плату.

 

Таблица 1 – Семейство МЭМС-акселерометров STMicroelectronics

Тип	Число осей чувств.	Uпит, в	Интерфейс	Чувствительность, В/g	Диапазон измерения, g	Тип корпуса, его размеры, мм
AIS326DQ	3	3...3,6	SPI	—	±2/±6	QFPN-28 7×7×1,9 мм
AIS226DS	2					SO-16L
LIS202DL		2,16...3,60	I2C/SPI		±2/±8	LGA 3,0×5,0×1,0
LIS244AL		2,40...3,60	Аналоговый	0,42	±2	LLGA 4,0×4,0×1,5
LIS302DL	3	2,16...3,60	I2C/SPI	—	±2/±8	LGA 3,0×5,0×1,0
LIS331AL		3,00...3,60	Аналоговый	0,478	±2	LLGA 3,0×3,0×1,0
LIS3LV02DL		2,16...3,60	I2C/SPI	—	±2/±6	LGA 4,0×7,5×1,0
LIS3LV02DQ						QFPN 7,0×7,0×1,9
LIS3L02AL		2,40...3,60	Аналоговый	0,66	±2	LGA 5,0×5,0×1,6
LIS331DL		2,16...3,60	I2C/SPI	—	±2/±8	LLGA 3,0×3,0×1,0

LIS244AL, LIS344AL — очень компактные  двух- и трехосевые акселерометры  для измерения небольших величин  ускорения. Они объединяют в  одном корпусе двухосевой МЭМС-датчик  и интерфейсную микросхему, которая  вырабатывает в реальном времени  два независимых выходных аналоговых  напряжения: одно для поперечного,  другое — для продольного направлений.  Акселерометры обладают очень  низким уровнем шумов при минимальном  потреблении энергии, что особенно  важно для систем с батарейным  питанием. Встроенные элементы самотестирования  позволяют контролировать механическую и электрическую части устройства. Сенсоры предназначены для широкого спектра аппаратуры, критичной к размерам корпуса и потреблению энергии: пользовательские интерфейсы; охранные системы; дистанционное управление объектами; управление потреблением энергии с учетом движения, спортивные и медицинские приборы. Акселерометры LIS244ALH, LIS344ALH аналогичны сериям LIS244AL и LIS344AL, но имеют два диапазона измерений: ±2 или ±6g.

LIS302DL — многофункциональный датчик  ускорения для систем защиты  жестких дисков, создания бесконтактных  интерфейсов в современных мобильных  телефонах и ноутбуках. Акселерометры  выпускаются в пластмассовом  корпусе с габаритами 3×5×0,9 мм, что  значительно экономит место и  минимизирует вес мобильных аппаратов.  Отличительные черты этих приборов  — низкое потребление энергии  (1 мВт) и высокая устойчивость  к вибрации и ударам с ускорением  до 10000g. Для считывания данных  выбирается один из двух доступных  стандартных интерфейсов — SPI или I2C. Кроме того, имеются два  независимых порта для вывода  программируемых сигналов прерывания. Два отдельных сигнала прерывания  могут формироваться при превышении  величины свободного падения  или порога, устанавливаемого пользователем.  Оба сигнала используются для  контроля превышения установленных  пользователем порогов для любых  значений в диапазоне измеряемых  ускорений.

На сегодняшний день трехосный  цифровой МЭМС-акселерометр LIS302DLH, обеспечивающий высокую точность и стабильность с 16-разрядным преобразованием, является самым тонким в мире среди подобных устройств — толщина его корпуса  составляет всего 0,75 мм, а площадь  основания — 3×5 мм.

Низкое напряжение питания и  малое потребление делают его  идеальным для использования  в приборах с батарейным питанием. Микросхема в состоянии покоя  и отсутствия изменений сигнала  находится в режиме пониженного  энергопотребления с автоматической активацией при обнаружении движения. Диапазон измерения входных сигналов: ±8 г. Измеряемый сигнал передается через  последовательные интерфейсы I2C/SPI в  формате, обеспечивающем непосредственное подключение к системному процессору без использования дополнительных компонентов. Датчик LIS302DLH полностью совместим c другими ранее разработанными трехосевыми акселераторами семейства Piccolo, включая LIS302DL и LIS35DE, обеспечивая тем самым высокий уровень масштабирования продукции (сохранение совместимости при расширении функциональных возможностей). Приложения на базе цифрового акселерометра LIS302DLH включают в себя функции обнаружения движения; тревожной сигнализации о смене ориентации в пространстве; обнаружения состояния свободного падения; мониторинга уровня вибрации.