Recent, am aflat că STMicroelectronics a anunțat un giroscop cu trei axe A3G4250D, care îndeplinește standardul stricte pentru aplicațiile auto (AEC-Q100). A promis costul de 6 dolari pentru comenzi de 1000 buc. Clasa de preț este de înțeles. Vroiam să compar compararea caracteristicilor pașaportului acestui senzor cu modele venerabile de la Analog Devices Inc. și alți producători. În timp ce înțelegeam cu fișele tehnice, am aflat că setul de caracteristici ale pașaportului ADI și STM, de exemplu, nu este același. Pe parcurs, m-am decis să aflu pe ce papagali toate merită comparate senzorii, adică care este cea mai gravă problemă a micromecanicii. Ca rezultat, am primit materiale pentru post, și poate două. Acesta va fi cel de deschidere. Comparația a la [30 cope] Vs. [Podul din fontă] ", din păcate, nu se potrivea.
Nu se poate scrie un articol despre principiile de funcționare a diferitelor clase de giroscoape și accelerometre micromecanice. Există mai multe tipuri / clase de instrumente separate. Dacă nu intri în detalii, poți să spui asta.
Elementul sensibil (CHE) al giroscopului micromecanic este masa inerțială fixată în carcasă pe arcuri (console elastice ale unui semiconductor, etc.). Această masă sensibilă este condusă în mișcare oscilantă de-a lungul uneia dintre axele senzorilor. Această axă este axa excitației (axa de intrare). Pe această axă este setat modul de funcționare. Măsurătorile se fac de-a lungul axei perpendiculare pe ea (ieșire). Principiul de funcționare este acela că atunci când corpul se rotește în jurul axei sale de măsurare (numit și axa de sensibilitate), elementul senzor, pe lângă oscilațiile de-a lungul axei de intrare, începe de asemenea să oscileze de-a lungul celei de-a treia ieșiri. Dacă cineva știe ce sunt Lissajous Figures. el înțelege cu ușurință că CHE începe să descrie în spațiu un cerc (sau o elipsă).
Acest lucru simplifică funcționarea unui senzor cu o singură axă. Gama de trei axe două și senzori SE și sistemul de măsurare ca acesta este flancat de un alt sistem de suspensie / metri. Ie un ansamblu de ELV / suspensie / metru (lăsați-l să fie asamblat la axa X) este ea însăși o ChE vibratoare pentru alte ansambluri (de ex. prin OY), care este inclus în ansamblul pentru măsurarea la OZ. Probabil, sigur, și un sistem separat.
Un specialist în micromecanică din textul de mai sus poate găsi suficientă incapacitate. Scrisă aproximativ și pentru simplitatea percepției. Și este scris pentru a trece ușor la descrierea uneia dintre cele mai grave probleme ale micromecanicii, și anume sensibilitatea la accelerațiile liniare.
Teoretic, ezitarea CE nu ar trebui să se simtă accelerații și nu ar trebui să aibă legături încrucișate (în cazul datelor cu două sau trei axe) cu alte axe de sensibilitate (OC). Dar datorită imperfecțiunii creării unei structuri tridimensionale în interiorul microcircuitului integrat, centrele de masă ale CHE sunt deplasate, în material apar presiuni reziduale, izvoarele au elasticități inegale etc. Ca urmare, ES pentru OX începe să răspundă efectelor OY, accelerația liniară începe să distorsioneze citirile giroscoapelor. Ie în măsurători apare o creștere a vitezei unghiulare a căreia, de fapt, nu există (drift aleator).
Asigurați-vă producția Jae ideală nu este posibil (sau nu recomandabil), astfel încât în proiectarea de senzori, există elemente suplimentare necesare pentru a reduce sensibilitatea la influențe parazite menționate. În primul rând simplitatea și chiar respingerea de prezența elementelor impacturilor parazite difera doar senzorii ieftine (până la $ 10-15) de mediu senzori ($ 30-100) și superioare (100 $ +) preț variază.
Într-una din habrastaturi am discutat problema neglijenței reacției giroscoapelor necostisitoare cu influențele parazitare (aici, de exemplu). Este clar că pentru un quadrupter static nu este nevoie să fie epuizat. Dar acest lucru este doar un dispozitiv demo va fi folosit în statică. UAV trebuie să se miște și să aibă caracteristici dinamice decente. Altfel, de ce ar fi folosit? Pentru a vedea ce se află în spatele gardului?
Despre reacția la vibrații, care au o intensitate mare în kvadkopterah, de exemplu, mai ales pentru a vă spune că nu aveți nevoie. Toată lumea știe ce este. Prin urmare, cred că problema sensibilității giroscoapelor la accelerație și vibrații este foarte importantă pentru crearea unui obiect mobil cu dinamică normală.
Erori ale giroscopelor micromecanice
Primul lucru care este evident pentru dezvoltatori în foi de date pentru senzori este așa-numita "stabilitate zero". La urma urmei, se pare că acest parametru determină în cele din urmă sensibilitatea senzorului, adică Efectul minim de intrare pe care senzorul îl va simți. Deci, datorită stabilității scăzute a zero a multor modele MMG, până acum mulți cred că giroscoapele micromecanice (MMG) nu simt rotația Pământului. Există modele de MMG care au o stabilitate zero de puțin peste 2 ° / oră (Pământul este cunoscut să se rotească la o viteză de 15 ° / oră). Dar, în practică, acest lucru nu înseamnă că va fi încă posibil să se măsoare rotația Pământului.
Cu toate acestea, dezvoltatorul se uită la stabilitatea zero. Acesta este un parametru ușor de înțeles, care indică măsura în care scala zero a scării senzorilor va fluctua în laborator. Totuși, acesta este parametrul de stabilitate al unui "cal sferic într-un vid". În realitate, nu va exista stabilitate declarată. De ce? Da, deoarece este indicată stabilitatea (sau, mai degrabă, instabilitatea) datorită unor surse interne de erori. În ce condiții senzorul va funcționa, producătorul nu va putea să prezică, precum și abaterile cauzate de aceste condiții.
Există două modalități de abordare a erorilor: hardware și algoritmice (software-ul citit). A doua abordare implică adăugarea de module software speciale la firmware-ul BCEMS pentru corectarea erorilor cauzate de procesele parazitare. Iar această abordare nu este recomandată ca optimă. Mai întâi de toate, senzorul însuși trebuie să stingă zgomotul. Creierul central nu trebuie să curețe gunoiul principal, ci să termine și să calculeze algoritmi de nivel înalt (navigație, stabilizare, automatizare). Există diferite tipuri de erori metodice. Ele pot fi descrise cu ușurință de câteva formule, care le este ușor de compensat programabil.
De ce toate astea? Și la faptul că este mai corect să alegeți senzori optimi din punct de vedere al raportului dintre preț și caracteristicile de precizie. Și apoi parametrii principali ai alegerii vor fi, cel mai probabil, sensibilitatea giroscopului la accelerația liniară (sensibilitatea la g) și la vibrație (sensibilitatea la g²). De ce sunt cele principale explicate mai jos.
Histerezis de temperatură de zero
MMG-urile au erori zero, care variază în funcție de temperatura din interiorul incintei. Pentru a efectua compensarea termică, senzorii de temperatură sunt integrați în MMG. Precizia lor nu contează prea mult, doar repetabilitatea citirilor este importantă. Dar cu compensare termică există o problemă - histerezis. Histerezisul în acest caz este diferența dintre valoarea de corecție necesară pentru o temperatură specifică în două cazuri - când dispozitivul atinge această temperatură prin răcire și când este încălzit la aceeași temperatură. Vezi tabelul de mai jos.
Acest grafic prezintă histerezisul de temperatură de zero pentru MMG ADXRS453 cu o schimbare de temperatură de la + 25 ° C la + 130 ° C, apoi la -45 ° C și până la + 25 ° C. Această histerezis are loc indiferent dacă senzorul este pornit în timpul fluctuației de temperatură sau nu. În plus, histerezisul depinde de cât de mare este intervalul de temperatură.
Situația este complicată? Nu, nu chiar. În general, MMG nu ar trebui să fie utilizat pentru a determina unghiurile de orientare în absența unui sistem de referință extern, ceea ce vă permite să resetați eroarea acumulată la un anumit nivel scăzut. Cu același sistem, puteți determina și offsetul curent zero. Astfel, deplasarea la zero a temperaturii și eroarea factorului de scală la aplicarea normală pot fi efectiv compensate (deși la o valoare mică, non-zero).
Erori datorate vibrațiilor
Dacă constanta derivă și întotdeauna într-o singură direcție - este doar vorba despre calibrarea greșită 0. 0 MultiWii GIR calibrat de fiecare dată când porniți, dar imperfect (rotunjit), dacă introduceți cel puțin a zecea devine mult mai bine. Dar, în această aplicație, giroscop, chiar în derivă perceptibilă nu este teribil, deoarece există orientarea de referință (busolă și accelerometru), pentru care este corectată.
Dar se pare că derivă din cauza sensibilității la accelerațiile depinde de frecvența cu care această accelerare se schimbă. Mai jos sunt grafice ale MMG CRG20-01 semnalul de ieșire (în această piesă furnizează un cost demo-bord, dacă nu mă înșel, în regiunea de $ 100-150 cu livrare) de la frecvența modificărilor aplicate de accelerație.
Graficul arată că eroarea nu depinde de amplitudinea accelerației. Dar există dependență de frecvență. Și tocmai această eroare nu este compensată (o variație mare și o curbă complexă de schimbare a sensibilității). Compensarea g²-sensibilității, dacă este constantă, este ușoară. Dar, din nou, nu toți producătorii din foile de date indică graficele pentru acest parametru. Dezvoltatorul trebuie adesea să construiască aceste diagrame cel mai experimental. Și de multe ori acest lucru se face în domeniu pe dispozitive deja comandate.
O altă ambuscadă cu corecție pentru accelerometre - potrivirea fazelor. În general, frecvențele naturale ale accelerometrului și ale giroscopului nu coincid și caracteristicile de frecvență în general. Prin urmare, pentru diferite frecvențe de vibrații, MMA și MMG vor produce diferite deviații de fază ale semnalului de ieșire în raport cu vibrațiile de intrare. În cele din urmă, corecția pentru accelerometru poate crește! eroare în loc de golire. Acest lucru se va întâmpla dacă diferența dintre offseturile de fază MMA și MMG se apropie de valoarea de 3.14 radiani (180 grade).
Ca urmare, pentru că sensibilitatea la vibrații și accelerații variază foarte mult chiar și în cadrul unui model senzor sau este prea mare, producătorul pur și simplu nu îl indică. Adevarul este ca este foarte greu sa testezi senzorii pentru sensibilitate la vibratii. Problemele sunt atât tehnice, cât și metodologice.
Pentru a reduce sensibilitatea la vibrații, este, desigur, posibilă montarea senzorilor printr-un izolator de cauciuc. Dar pentru a vă asigura că această suspendare are o distribuție uniformă a caracteristicilor pentru o gamă largă de frecvențe și chiar nu le-a schimbat la îmbătrânire este foarte dificilă.
Mai jos este o comparație a erorilor datorită sensibilității la accelerație și vibrații, când nu se utilizează compensarea g (în g / sec).
Iar următorul tabel arată erorile care rămân chiar după introducerea compensării g (în g / sec).
După cum vedem chiar și cu introducerea compensării g, eroarea de la sensibilitatea la accelerații poate fi mai mare decât eroarea datorată instabilității de temperatură de zero (vezi curba de histereză de mai sus).
Cele de mai sus spun că nu întotdeauna cel mai evident parametru de precizie este, de asemenea, principalul criteriu pentru alegerea senzorilor. "Întotdeauna este întunecată sub o lumânare", spune înțelepciunea oamenilor. Ceea ce nu este clar descris în datasat sau nu este specificat deloc poate juca un rol decisiv în succesul proiectului. Vă puteți concentra asupra stabilității variația zgomotului la sol și, și, de fapt, ele pot fi depășite prin algoritmi simpli (în medie în timp sau folosind unități de măsură redundante). Dar incertitudinea de vibrație, așa cum am văzut mai sus în CRG20-01 exemplu, poate fi dificil pentru a descrie algoritmul. Pentru o lungă perioadă de timp, stabilitatea zero este standardul de aur pentru alegerea MMG. Cu toate acestea, în practică, sensibilitatea la accelerații și vibrații poate avea un impact mai mare asupra preciziei.
concluzie
Am vrut să fac un post care conține două părți - 1) Justificarea pentru criteriul de comparație și 2) O comparație a caracteristicilor de performanță ale modelelor de Analog Devices Inc. Silicon Sensing, Sensonor și STMicroelectronics. Cu toate acestea, sa dovedit a fi "mnogabukv". Dacă este interesant, voi încerca în curând pentru a compara foi de date pentru senzorii firmele menționate, cu o explicație a semnificației fizice a caracteristicilor de bază.
UPD: Au fost corectate unele erori grafice și greșeli.