Меню

Акселерометр как датчик наклона

Акселерометр как датчик наклона

Определение положения объекта относительно плоскости Земли является важной задачей во многих технических приложениях. Используя ускорение свободного падения, обусловленное наличием гравитационного поля Земли, датчик наклона на основе твердотельного акселерометра позволяет определить угол относительно плоскости Земли с точностью до 0,5 градуса. В данной статье рассматривается задача построения такого датчика, а также некоторые аспекты его применения.

Введение

Датчик наклона используется человечеством уже тысячи лет. Самым элементарным приспособлением для этого можно считать отвес, т.е. груз, привязанный к нити. С помощью такого датчика возводились постройки ещё тысячи лет назад. Более сложным и точным устройством является уровень – ёмкость с жидкостью (обычно водой), в которой плавает пузырёк воздуха. Всевозможные приспособления такого типа, позволяющие выровнять уровень относительно Земли, находят широкое применение и сегодня. Однако в ряде случаев необходимо не просто выровнять объект, а знать численное значение угла его наклона относительно Земли, для чего существуют механические угломеры различной конструкции, в основе которых лежит использование силы земного притяжения. Электронные угломеры имеют массу преимуществ перед традиционными механическими устройствами: прямой интерфейс с цифровой системой позиционирования, более точные показания, большая разрешающая способность и т.д. К сожалению, представленные сегодня на рынке электронных приборов цифровые датчики угла имеют относительно высокую цену (от $300). В данной статье рассматривается задача самостоятельного изготовления простого в настройке датчика наклона на основе акселерометра фирмы Analog Device, содержащего минимум деталей и обеспечивающего точность измерения 0,5 градуса.

Рисунок 1 — Структурная схема ADXL202

Основы измерения угла наклона

Существует много типов датчиков угла наклона: жидкостные, твердотельные, на основе гироскопного эффекта и т.д. Для многих современных систем позиционирования применяются гироскопы, которые представляют собой датчики с вращающимся рабочим телом большой массы, позволяющим избежать влияния переменного ускорения объекта на результаты измерения. Однако такие датчики обладают рядом существенных недостатков, основным из которых является их высокая стоимость. Другими существенными недостатками таких датчиков является медленная прецессия осей вращения и необходимость регулярной калибровки в течение срока эксплуатации.
Современное развитие микромеханики позволило сконструировать миниатюрные твердотельные датчики ускорения, которые по своим рабочим характеристикам идентичны жидкостным датчикам, но при этом обладают рядом преимуществ: ударо- и вибростойкостью, широким диапазоном рабочих температур, миниатюрностью и.т.д.

Конструкция датчика угла наклона

При разработке новых устройств важными требованиями является минимизация цены изделия, количества применяемых деталей и скорости разработки. Поэтому для построения датчика угла наклона предлагается использовать акселерометр ADXL202 производства фирмы Analog Device.
Данная микросхема интегрирует в своём составе два аналоговых датчика ускорения (по осям X и Y) и встроенный контроллер обработки, преобразующий аналоговые сигналы датчиков в ШИМ-колебание. Структурная схема ADXL202 приведена на рис. 1.
Датчики ускорения представляют собой набор дифференциальных конденсаторов, образуемых неподвижным основанием и укреплённой на нём с помощью полисиликоновой пружины подвижной части [1, 2]. При приложении внешней силы подвижная часть перемещается относительно неподвижной, соответственно изменяя ёмкость конденсаторов. Сигнал с датчика подаётся на контроллер обработки, который преобразует его в сигнал с ШИМ (рис. 2). Отношение Т12 прямо пропорционально ускорению, действующему на микросхему.

Рисунок 2 — Сигнал с датчика

Интеграция всех необходимых элементов в одном корпусе позволяет создавать дешёвые, быстро настраиваемые датчики с минимумом дополнительных деталей. Предлагаемая принципиальная схема датчика приведена на рис. 3.
ШИМ-сигналы с обоих датчиков подаются на входы контроллера, который вычисляет отношение Т12. Для определения ускорения применяется выражение:

где Toff = Т12 при нулевом наклоне (ускорении), S – коэффициент шкалы (в среднем S = 12,5%).
Резистором R1 устанавливается период T2 следования импульсов согласно выражению:

Так, при R1 = 125 кОм получаем частоту следования 1 кГц, т.е. T2 = 1 мс. Акселерометр рассчитан на работу при T2, лежащем в интервале 0,5. 10 мс. Величина периода T2 медленно изменяется в зависимости от температуры, поэтому её измерение можно проводить раз в 10. 15 мин. При конструировании датчика резистор R1 необходимо располагать как можно ближе к микросхеме для минимизации паразитной ёмкости на этом выводе.

Рисунок 3 — Принципиальная схема датчика угла наклона

Для снижения уровня шума в ADXL202 применяется низкочастотный фильтр. Полоса пропускания данного фильтра на уровне –3 дБ определяется значением ёмкости внешних конденсаторов Cx и Cy согласно формуле:

или, более просто, F–3 дБ [Гц] = 5 × 10 –6 /Cx,y [мкФ]. Реальное значение сопротивления внутреннего резистора может изменяться в пределах 32 кОм ± 25%, что, соответственно, изменяет и частоту пропускания. В любом случае ёмкость внешнего конденсатора не должна быть ниже 1000 пФ.
Вычисленное значение угла наклона по интерфейсу RS485 передаётся на цифровую систему позиционирования. Для внутрисхемного программирования микроконтроллера используется SPI-интерфейс, подключаемый через специально введённый разъём.

Вычисление угла наклона

Угол наклона датчика пропорционален ускорению, действующему на его подвижную часть, и вычисляется по формуле:

При микроконтроллерной реализации данного алгоритма для вычисления угла наклона необходимо использовать разложение функции arcsin(А) в ряд Тейлора:

arcsin(А) = A + A 3 /6 + 3A 5 /40 + 5A 7 /112 + 35A 9 /1152 +.

φ выражается в радианах. Можно показать, что для вычисления угла наклона с точностью до 0,5° достаточно ограничить ряд первыми четырьмя членами.
Получение более стабильных и точных результатов можно обеспечить использованием усреднения показаний датчика методом скользящего среднего. При реализации на основе дешёвого 8-битного микроконтроллера целесообразно выбрать число усредняемых измерений кратным степени двойки, тогда операция деления переходит в более простую операцию сдвига.

Компактный алгоритм вычисления угла наклона

Существует много устройств, где не требуются очень точные измерения угла наклона, но необходим максимально простой и компактный алгоритм обработки. В этом случае возможно использование алгоритма вычисления значения угла наклона, основанного на элементарном двоичном делении, что удобно при применении дешёвых 8-битных микроконтроллеров (PIC, Atmel и т.д).
Рассмотрим первое выражение. При стабильных внешних условиях величина Т2 не изменяется. Тогда при S = 12,5% выражение можно преобразовать к виду:

В диапазоне ±35° каждый градус наклона будет соответствовать ускорению примерно в 16 мg, где g — ускорение свободного падения. Используя это, при соответствующем выборе величины Т2 можно получить существенное сокращение вычислительных затрат за счёт применения двоичного деления. Например, пусть Т2 = 500 мкс, тогда при вертикальном положении датчика имеем изменение показаний ΔТ1 = (500 мкс) × 12,5% = 62,5 мкс, а изменение на 1 мкс соответствует 16 мg. Таким образом, изменение Т1 на 1 мкс соответствует наклону в 1°. Соответственно может быть использована любая кратная 500 мкс величина Т2 (например, 1000 мкс, 2000 мкс и т.д.).
Наиболее существенной ошибкой в этом случае является ошибка в определении величины коэффициента шкалы S. Для различных экземпляров датчиков значение S может изменяться от 10%/g до 15%/g, что приводит к ошибке ±8° при наклоне датчика ±40°. Другим источником ошибок является неточность задания Т2. Ошибка задания Т2 в 1% приводит к ошибке в 1% при вычислении угла.
Данные ошибки могут быть устранены точным подбором Т2 (для получения отношения 16 мg/мкс) с помощью выражения Т2 = 1 / 0,016 S. Например, при S = 10% получаем Т2 = 1 / (0,10 × 0,016) = 625 мкс. Увеличение Т2 до значения 625 мкс в этом случае устранит ошибки, вносимые коэффициентом шкалы S. Для точного подбора значения величины Т2 рекомендуется использовать схему, приведённую на рис. 4.

Рисунок 3 — Схема подбора значения периода T2

Калибровка датчика

Для вычисления индивидуального для каждого датчика значения коэффициентов Toff и S необходимо проводить его предварительную калибровку. Архитектура ADXL202 такова, что калибровка может проводиться программно с помощью микроконтроллера. Вычисленные коэффициенты необходимо сохранить в энергонезависимой памяти контроллера и использовать в дальнейших вычислениях. Калибровка датчика проводится в два этапа:
1. Датчик располагается параллельно поверхности Земли. Считываются показания датчика, и вычисляется значение Toff.
2. Для калибровки значения S измеряют показания датчика при ускорениях ±1g, чувствительность определяется по двум измерениям. При калибровке ось акселерометра направляют вертикально к Земле. Измеряются показания X1 при 1g, далее датчик поворачивается на 180° и снимаются показания X2 при –1g. Тогда:

Например, пусть при измерениях получено X1 = 55%, X2 = 32%, тогда:

Читайте также:  Датчик вращения барабана стиральных машин горенье

Заключение

Приведённая схема проста в изготовлении и настройке, позволяет проводить программную калибровку датчика, требует минимального количества внешних деталей и позволяет обеспечить точность измерения угла наклона 0,5° в двух плоскостях. Не требовательная к внешним условиям, устойчивая в работе и имеющая малые габариты, она может найти применение в системах ориентации, стабилизации, контроля и управления различных подвижных объектов.

Источник

Точное измерение наклона объекта с помощью специализированных MEMS-датчиков ST

Софья Букреева (г. Протвино)

Для измерения углов наклона в промышленности и в жестких условиях эксплуатации, а также при наличии дополнительных ускорений, обычных акселерометров недостаточно. Для этих целей компания STMicroelectronics выпускает специальные датчики – MEMS-инклинометры, 2- и 3-осевые – для статических измерений, и 6-осевые, с программируемым ядром машинного обучения и термокомпенсацией – для динамических.

Введение

Датчики наклона, также называемые инклинометрами, используются для измерения углов наклона относительно вектора гравитации Земли. Такие измерения востребованы в самых разных областях: от игровых контроллеров до сложных геодезических задач. В геофизике инклинометры используются для мониторинга вулканов и для измерения глубины и скорости оползней, их также используют при разведке полезных ископаемых. В строительстве инклинометры широко применяются для измерения сдвигов в стенах и земле, с помощью инклинометров определяют угол наклона и прогиб стрелы строительных кранов. Инклинометры помогают контролировать состояния опор мостов и транспортных магистралей, а также определять отклонения столбов уличного освещения, дорожных знаков и светофоров. Индикация тангажа и крена важна в эксплуатации морских судов и летательных аппаратов.

В медицине по показаниям инклинометров изучаются движения в суставах тела. Кроме того, инклинометры встраиваются в противоугонные системы транспортных средств, крепятся к упаковке товаров при транспортировке, позволяют регулировать положение солнечных панелей и имеют много других применений.

Важными характеристиками, которые следует учитывать при выборе инклинометра, являются диапазон угла наклона и количество осей измерения, которые, как правило, ортогональны. По технологиям, используемым для оценки наклона, датчики делятся на емкостные, наполненные жидкостью, с пузырьками газа в жидкости, электролитические, MEMS-акселерометры и инерционные IMU (Inertial Measurement Unit). MEMS-инклинометры завоевали популярность благодаря компактному размеру, низкой стоимости и простоте интеграции. Последние усовершенствования MEMS-технологии позволяют таким датчикам выигрывать также по шумовым характеристикам и показателям энергоэффективности.

Инклинометры можно разделить на две категории в зависимости от используемых алгоритмов:

  • Статические инклинометры используются в основном для статических применений, таких как антенны, манипуляторы, системы мониторинга состояния конструкций, активная защита от опрокидывания в сельскохозяйственном оборудовании, регулировка и отслеживание положения солнечных панелей, выравнивание шасси для промышленных станков и инструменты для точного нивелирования. Статические инклинометры измеряют наклон по отношению к вектору ускорения свободного падения. В перечисленных задачах внешнее ускорение может быть только кратковременным, и среднее ускорение остается близким к земному (g = 9,81 м/с²), поэтому статический инклинометр сможет обеспечить достаточную точность в определении угла наклона. Любое внешнее ускорение (движение, вибрация и т. д.) приведет к ошибкам при измерениях.
  • Динамические инклинометры – это решение для измерения наклона, когда объект не является статическим и подвергается быстрым перемещениям, вибрации или ударам. Проблема влияния внешних ускорений решается использованием гироскопа в дополнение к акселерометру. Такие устройства, объединяющие датчики, используют специальные алгоритмы (например, фильтры Калмана) для обработки сигналов от акселерометра и гироскопа и называются динамическими инклинометрами или IMU.

На рисунке 1 представлены категории инклинометров и области их применения.

Рис. 1. Статические и динамические инклинометры и области их применения

Линейка промышленных акселерометров ST

Для определения наклона могут быть использованы акселерометры, измеряющие линейное ускорение. Промышленные акселерометры компании ST обладают расширенной функциональностью и идеально подходят для приложений с ультранизким потреблением. Они имеют режим пониженного энергопотребления, функцию автоматического пробуждения и буфер FIFO, который можно использовать для хранения данных, что снижает нагрузку на основной процессор и уменьшает энергопотребление системы в целом. Вся линейка оснащена последовательным цифровым интерфейсом (SPI и/или I 2 C) и функцией самодиагностики, которая позволяет проверить работоспособность датчика в готовом устройстве. Датчики могут генерировать сигналы прерывания по пробуждению, свободному падению и по положению.

Акселерометр идеален для статического инклинометра, где внешнее ускорение незначительно. Однако если объект вращается и испытывает значительные внешние ускорения, для стабилизации выходного сигнала наклона потребуются дополнительные измерения с помощью гироскопа. Для таких применений компания ST предлагает 6-осевые IMU iNEMO™, которые объединяют в компактном корпусе акселерометр, гироскоп и магнитометр и, кроме того, могут включать в себя специальное ядро машинного обучения.

В таблице 1 приведены основные параметры промышленных MEMS-акселерометров и 6-осевых IMU компании ST. Напряжение питания датчиков составляет от 1,71 до 3,6 В (от 2,1 В для IIS3DWB и IIS328DQ). Во все модели, за исключением акселерометра IIS328DQ, встроен температурный датчик.

Таблица 1. Основные параметры промышленных акселерометров и IMU компании ST

Название Диапазон измерений Ток потребления Темп.
диапазон, °C
FIFO Корпус, размеры
IIS2DH
3-осевой акселерометр
Ускорение*:
(±2g, ±4g, ±8g,
±16g)
2 мкА – при частоте выходных данных 1 Гц;
11 мкА – при частоте выходных данных 50 Гц
-40…85 32 10-битных ячейки памяти LGA-12
2x2x0,7 мм
IIS2DLPC
3-осевой акселерометр
Ускорение:
(±2g, ±4g, ±8g, ±16g)
120 мкА -40…85 32 14-битных ячейки памяти LGA-12
2x2x0,7 мм
IIS2ICLX
2-осевой инклинометр
Ускорение:
(±0,5g, ±1g, ±2g, ±3g)
420 мкА -40…105 3 кбайта CC LGA-16
5x5x1,7 мм
IIS328DQ
3-осевой акселерометр
Ускорение:
(±2g, ±4g, ±8g)
250 мкА -40…105 Отсутств. QFN24
4x4x1,8 мм
IIS3DHHC
3-осевой инклинометр
Ускорение:
(±2,5g)
2500 мкА -40…85 32 16-битных ячейки памяти CC LGA-16
5x5x1,7 мм
IIS3DWB
3-осевой акселерометр
Ускорение:
(±2g, ±4g, ±8g, ±16g)
1100 мкА -40…105 3 кбайта LGA-14L
2,5x3x0,83 мм
ISM330DLC
6-осевой IMU
Ускорение:
(±2g, ±4g, ±8g, ±16g)
Угловая скорость**:
(±125 dps, ±250 dps,±500 dps, ±1000 dps, ±2000 dps)
500 мкА при использовании гироскопа и акселерометра -40…85 4 кбайта LGA-14L
2,5x3x0,83 мм
ISM330DHCX
6-осевой IMU
Ускорение:
(±2g, ±4g, ±8g, ±16g)
Угловая скорость:
(±125 dps, ±250 dps, ±500 dps, ±1000 dps, ±2000 dps, ±4000 dps)
700 мкА
при использовании гироскопа и акселерометра
-40…105 9 кбайт LGA-14L
2,5x3x0,83 мм
*– 1g = 9,81 м/с 2
**– 1 dps = 1°/сек

Теория измерения углов наклона

Измерение угла наклона акселерометром основано на измерении проекции вектора силы тяжести на ось измерения. Стоит иметь в виду, что акселерометр измеряет не только ускорение свободного падения, но и другие параметры: постоянное ускорение устройства, центростремительное ускорение за счет вращения устройства, вибрации. Эти дополнительные ускорения также проецируются на оси датчиков акселерометра и не могут быть легко отделены от ускорения свободного падения, что приводит к ошибке измерения. Поэтому для получения достоверных результатов необходимо проводить измерения только в статических или квазистатических условиях. Для других применений требуется использование динамических инклинометров и других методов измерений.

В статических или квазистатических условиях можно использовать три метода определения наклона в зависимости от количества осей измерения:

1. Использование одной оси акселерометра

При таком измерении датчик вращается вокруг одной фиксированной оси, ортогональной вектору силы тяжести (рисунок 2):

Рис. 2. Вращение датчика вокруг одной оси

Значение на выходе акселерометра будет равняться синусу угла наклона α – угла между горизонтальной плоскостью и осью измерения. Таким образом, угол наклона можно рассчитать по формуле:

где AX – выходное значение акселерометра (проекция ускорения на ось измерения), g – ускорение свободного падения (9,81 м/с 2 ).

При измерении угла таким методом проявляются два недостатка: во-первых, величина чувствительности не является постоянной во всем диапазоне углов, а во-вторых, невозможно охватить полный угол в 360°. На рисунке 3 продемонстрировано изменение чувствительности измерения при изменении наклона. Видно, что чувствительность максимальна при наклоне около 0° и уменьшается с его увеличением.

Рис. 3. Изменение выходных данных акселерометра при изменении угла наклона

Проблема с охватом полного угла 360° при одноосном методе вызвана тем, что выходной сигнал акселерометра одинаков для угла α и угла π — α (рисунок 4). Следовательно, диапазон измерения составляет от -90° до 90°.

Читайте также:  Машина дергается из за датчика детонации

Рис. 4. Измерение углов α и π — α при одноосном методе

2. Использование двух осей акселерометра

Пример ориентации датчика при таком методе измерения представлен на рисунке 5:

Рис. 5. Измерение угла наклона по двум осям

Выходные значения по осям X и Y равны: AX= sin(α) и AY = cos(α). Как и в первом методе, можно вычислить обратный синус и обратный косинус, чтобы получить угол наклона, однако лучше использовать соотношение обоих показаний акселерометра, что соответствует тангенсу угла, и угол наклона вычислять с помощью арктангенса:

Преимущество использования такого расчета состоит в том, что чувствительность во всем диапазоне углов остается постоянной (рисунок 6).

Рис.6. Чувствительность при измерении наклона по двум осям

Кроме того, появляется возможность проводить измерения в полном диапазоне 360°, так как ориентацию можно распознать по полярности двух осей измерения, как показано на рисунке 7.

Рис. 7. Определение квадранта угла по двум осям

Таким образом, двухосный метод позволяет преодолеть недостатки первого метода измерений.

3. Использование трех осей акселерометра

Трехосное измерение наклона используется для измерения тангажа и крена во всем диапазоне 360° (рисунок 8).

Рис. 8. Использование трех осей при измерении наклона

Соотношения выходных сигналов трехосевого акселерометра и углов наклона α, β и γ представлены ниже:

$$A_=g\times sin(\alpha ) \Rightarrow \alpha =arcsin\left(\frac> \right)\:[рад]\\A_=g\times sin(\beta ) \Rightarrow \beta =arcsin\left(\frac> \right)\:[рад]\\A_=g\times sin(\gamma ) \Rightarrow \gamma =arcsin\left(\frac> \right)\:[рад]$$

При использовании этих формул появляются те же недостатки, что и при измерении по одной оси, поэтому рекомендуется использовать при вычислении функцию арктангенса:

Источники ошибок и калибровка

Как и в любой электромеханической системе, на качество измерений акселерометров влияют такие факторы как шум, вибрация, смещение, дрейф температуры и т.д. Шум акселерометра возникает вследствие шума электроники, колебаний напряжения, ошибок АЦП и прочего. Естественный белый шум представлен плотностью шума в спецификации датчика. Даже при отсутствии собственного шума датчик может испытывать внешнюю вибрацию, которая портит сигнал. Точность измерений можно улучшить путем усреднения выходных данных по N выборкам, однако увеличение количества выборок увеличит задержку измерений.

От времени и температуры может меняться чувствительность датчика, ошибка чувствительности указывается в спецификации в процентах от младшего значащего разряда (LSB). Кроме этого, отклонения чувствительности характеризуют нелинейность датчика, которая указывается в спецификации как процент по отношению к полной шкале измерений: например, шкала ±2g и нелинейность 0,5% означают, что максимальная ошибка составляет 0,5% от 4g, то есть 2 mg. В случае неортогональных осей измерения может быть существенной ошибка кросс-осевой или поперечной чувствительности, возникающая, когда при ускорении по одной оси датчик измеряет некоторую часть ускорения и на другой оси. Ухудшать точность измерения наклона может также и некорректное расположение датчика: поворот корпуса акселерометра относительно печатной платы, т.е. несоосность датчика в конечном устройстве.

Смещение (постоянный уровень сигнала акселерометра при отсутствии ускорения) может меняться вследствие термических напряжений во время пайки, изменения температуры, старения и других факторов. С увеличением смещения ошибка измерений хотя бы по одной оси при разных углах будет возрастать, что приведет к увеличению общей ошибки, поэтому рекомендуется выполнять калибровку акселерометра.

В спецификациях указывается отклонение смещения при изменении температуры. MEMS-датчики компании ST имеют стабильные характеристики при изменении температуры, обычно не требуют температурной компенсации и хорошо откалиброваны при комнатной температуре (25°C). В отдельных случаях можно применить простую процедуру компенсации смещения: для этого нужно измерить сигнал с датчика в зафиксированном положении при двух разных температурах, отличающихся хотя бы на 10°C, вычислить коэффициент наклона прямой, полученной по двум значениям, и использовать вычисленное значение как поправочный коэффициент.

Для уменьшения ошибки смещения и повышения точности измерений можно выполнить заводскую калибровку датчика с использованием программных библиотек ST. Для таких применений как поворот экрана или обнаружение открытия/закрытия ноутбука дополнительная калибровка, как правило, не требуется. Однако в системах контроля уровня или автомобильных системах оповещения, когда нужна точность лучше 1°, рекомендуется калибровать акселерометр после его сборки в конечном устройстве.

Калибровка может осуществляться двумя методами: компенсацией смещения и усиления и методом наименьших квадратов. Первый метод наиболее прост и основан на установке датчика в нескольких положениях (рисунок 9).

Рис. 9. Расположение датчика при калибровке

Датчик необходимо размещать таким образом, чтобы вектор силы тяжести проецировался одновременно на одну измерительную ось. Затем это повторяется для всех осей в положительной и отрицательной ориентации. Это обеспечивает n*2 позиций, где n – количество осей. По показаниям датчика во время такой процедуры можно вычислить ошибки и учитывать их в виде поправочных коэффициентов.

Специализированные промышленные MEMS-инклинометры ST

Применение акселерометра для измерения наклона может быть целесообразным в некоторых приложениях, чувствительных к стоимости, но в промышленности, в жестких условиях эксплуатации, необходимо использовать специально предназначенные для измерения угла устройства – инклинометры. Кроме того, акселерометры подходят только для измерений в статических условиях, в случае дополнительных ускорений необходимо использовать динамические инклинометры.

Компания ST выпускает промышленные MEMS-инклинометры IIS2ICLX, IIS3DHHC для статических измерений и динамические инклинометры ISM330DHCX, ISM330DLC. Основные параметры этих датчиков и их особенности приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры и особенности промышленных инклинометров компании ST

Название, корпус и размеры Диапазон измерений Чувствительность Частота выходных данных (ODR) FIFO Особенности
IIS2ICLX
2-осевой инклинометр
CC LGA-16
5x5x1,7 мм
±0,5g 0,015 mg 12,5…833 Гц 3 кбайта
  • Ультранизкий шум: 15 µg/√Гц
  • Низкое потребление 420 мкА
  • Поддержка I 2 C и SPI
  • Возможность подключения до 4 внешних датчиков
  • Программируемое ядро машинного обучения
  • Программируемый конечный автомат
±1g 0,031 mg
±2g 0,061 mg
±3g 0,122 mg
IIS3DHHC
3-осевой инклинометр
CC LGA-16
5x5x1,7 мм
±2,5g 0,076 mg 1,1 кГц 32 16-битных ячейки памяти
  • Ультранизкий шум: 45 µg/√Гц
  • Высокая стабильность при изменении температуры ( 2 C и SPI
±2g 0,061 mg
±4g 0,122 mg
±8g 0,244 mg
±16g 0,488 mg
Угловая скорость 12,5…6664 Гц
±125 dps 4,375 mdps
±250 dps 8,75 mdps
±500 dps 17,5 mdps
±1000 dps 35 mdps
±2000 dps 70 mdps
ISM330DHCX
6-осевой IMU
LGA-14L
2,5x3x0,83 мм
Ускорение 1,6…6667 Гц
  • Поддержка I 2 C и SPI
  • Возможность подключения до 4 внешних датчиков
  • Программируемое ядро машинного обучения
  • Программируемый конечный автомат
  • Встроенная компенсация изменения температуры
  • Встроенный шагомер
  • Низкое потребление 700 мкА
±2g 0,061 mg
±4g 0,122 mg
±8g 0,244 mg
±16g 0,488 mg
Угловая скорость 12,5…6667 Гц
±125 dps 4,375 mdps
±250 dps 8,75 mdps
±500 dps 17,5 mdps
±1000 dps 35 mdps
±2000 dps 70 mdps
±4000 dps 140 mdps

При выборе подходящего инклинометра необходимо обращать внимание в первую очередь на диапазон измерений и разрешение (чувствительность). Диапазон измерений следует выбирать с запасом так, чтобы минимальный и максимальный углы наклона, которые планируется замерять, оставались в границах диапазона измерения датчика. Например, если применение требует измерения диапазона наклона от -90 до 90°, рекомендуется выбрать датчик с минимальной шкалой измерений 2g. Важен также и минимально возможный диапазон датчика, когда требуется получить максимальную чувствительность и измерять угол с высоким разрешением.

Уровень шума – один из главных ограничивающих факторов при определении разрешения. Датчик будет распознавать изменения только в том случае, если амплитуда измеряемого движения выше уровня шума датчика. Таким образом, сначала необходимо определиться с нужной полосой пропускания, а затем подобрать подходящий по частоте дискретизации (Output data rates, ODR) и разрешению датчик. Шум датчика или разрешение, которое можно получить от него при определенной частоте дискретизации, вычисляется как плотность шума (из спецификации), умноженная на √ПП, где ПП – полоса пропускания, обычно вдвое ниже частоты ODR. Как правило, чтобы минимизировать среднеквадратичный шум, выбирается узкая полоса пропускания, однако более высокая частота дискретизации обеспечит быстрый отклик и даст возможность дополнительного усреднения шума основным процессором.

Точность измерений инклинометра определяется отклонением смещения и чувствительности, а также стабильностью по температуре. Несмотря на то, что смещение и ошибку чувствительности можно устранить заводской калибровкой, необходимо следить за этими параметрами в течение срока службы (в спецификации указаны изменения параметров датчика после выполнения однократной калибровки).

Читайте также:  Что такое датчик коррозии

В таблице 3 приведены основные параметры точности из спецификаций датчиков. Здесь указаны максимальные значения, типичные значения, как правило, несколько ниже.

Таблица 3. Параметры точности инклинометров ST

Параметр/Наименование IIS2ICLX IIS3DHHC ISM330DLC ISM330DHCX
Ошибка чувствительности
(% от LSB)
±2% ±7% ±3%*
±3%**
±2%*
±2%**
Изменение чувствительности с температурой ±0,012 %/°C ±1,35 %/°C ±0,024 %/°C*
±0,048 %/°C**
±0,01 %/°C*
±0,015 %/°C**
Смещение нулевого уровня ±8 mg ±35 mg ±85 mg*
±2 dps**
±65 mg*
±3 dps**
Отклонение смещения нулевого уровня с температурой ±0,075 mg/°C ±0,4 mg/°C ±0,1 mg/°C*
±0,015 dps/°C**
±0,5 mg/°C*
±0,015 dps/°C**
Плотность шума 30 µg/√Гц 65 µg/√Гц 230 µg/√Гц*
11 mdps/√Гц**
100 µg/√Гц*
8 mdps/√Гц**
Нелинейность
(% от шкалы измерений)
0,1% 2% 2%*
(для ±8g)±0,07%**
(для ±2000 dps)
Не указана
* – Для линейного ускорения
** – Для угловой скорости

Инклинометры IIS2ICLX и ISM330DHCX (с буквой Х в конце названия) имеют ядро машинного обучения (рисунок 10), которое позволяет интегрировать часть вычислительных алгоритмов в датчик, снижая тем самым нагрузку на основной процессор. Ядро машинного обучения сравнивает полученные датчиком данные с шаблонами, заданными пользователем. Так датчик может самостоятельно распознавать сильные вибрации, сложное движение, обнаружить активность и т.д. Входными данными могут быть показания внешних устройств (от внешнего гироскопа или дополнительного инклинометра, датчика температуры или давления), подключенных по интерфейсу SPI. Датчики IIS2ICLX и ISM330DHCX позволяют настроить до восьми одновременных и независимых потоков, каждый и которых может генерировать до 256 результатов и может служить источником прерывания. Результаты обработки ядром машинного обучения доступны в специальных выходных регистрах, которые можно прочитать с помощью процессора в любое время.

Рис. 10. Обработка данных ядром машинного обучения датчиков IIS2ICLX и ISM330DHCX

Для генерации прерываний в этих двух инклинометрах может использоваться программируемый конечный автомат, с помощью которого можно запрограммировать 16 независимых прерываний. В качестве данных для проверки условий прерывания могут быть использованы как показания самого датчика, так и показания внешних устройств. Прерывание генерируется при достижении конечного состояния или при выполнении определенной команды.

Инструменты для работы с инклинометрами

Для работы с MEMS-датчиками компания ST разработала материнскую плату STEVAL-MKI109V3 (рисунок 11) с микроконтроллером ARM Cortex-M4 STM32F401VE. Датчики подключаются к этой плате с помощью специальных плат-адаптеров DIL24 (рисунок 12):

В качестве программной поддержки можно использовать пакет Unico GUI, доступный для операционных систем Windows, Mac и Linux (Debian). Unico GUI – это графический интерфейс пользователя, взаимодействующий с платой STEVAL-MKI109V3 и позволяющий быстро и легко настроить датчики, а также полностью настроить все регистры и дополнительные функции (такие как ядро машинного обучения, конечный автомат, шагомер и т.д.). Unico GUI визуализирует выходные данные датчиков как в графическом, так и в числовом формате и позволяет пользователю сохранять и управлять данными, поступающими с датчиков.

Рис. 11. Материнская плата STEVAL-MKI109V3

Рис. 12. Платы-адаптеры DIL24 с датчиками IIS2ICLX, IIS3DHHC, ISM330DLC, ISM330DHCX (слева направо)

Другой вариант работы с MEMS-датчиками – это комбинация микроконтроллерной платы STM32 Nucleo с платой расширения для MEMS-датчиков (рисунок 13). В этом случае для аппаратной конфигурации можно использовать программный пакет X-CUBE-MEMS1, который содержит все библиотеки анализа движения и управления датчиками, а также множество примеров реализованных программ. Для визуализации данных предлагается многофункциональное приложение Unicleo GUI, доступное только для операционных систем Windows. Основная цель Unicleo GUI – продемонстрировать функциональность датчиков и алгоритмов ST.

Рис. 13. Микроконтроллерная плата NUCLEO-F401RE (слева) и плата расширения X-NUCLEO-IKS01A2 (справа)

Для IoT-применений компания выпустила специальную отладочную плату STEVAL-STWINKT1 с установленными Bluetouth-модулем и различными MEMS-датчиками, в числе которых ISM330DHCX, IIS3DWB, IIS2DH.

Библиотеки для измерения углов наклона MotionTL, MotionTL2, MotionDI

Библиотеки MotionTL, MotionTL2 и MotionDL, входящие в состав программного пакета X-CUBE-MEMS1, предназначены для анализа данных с инклинометров и предоставляют информацию об углах наклона в режиме реального времени через графический интерфейс Unicleo, а также позволяют выполнять калибровку датчиков. Эти библиотеки разработаны на основе библиотек STM32Cube и могут быть использованы для ARM-микроконтроллеров STM32 семейств Cortex-M3, Cortex-M4, Cortex-M7 и Cortex-M0+.

Библиотека MotionTL используется для трехосевых акселерометров и имеет два режима предоставления данных:

  • вычисление тангажа, крена и наклона относительно вектора гравитации (рисунок 14);
  • вычисление углов наклона theta, psi и phi (рисунок 15).

Для мониторинга данных в реальном времени требуется подключение через USB-кабель. Это позволяет пользователю отображать в реальном времени рассчитанные углы наклона, данные акселерометра, отметки времени и другие данные датчиков с помощью графического интерфейса пользователя Unicleo. При необходимости библиотека также может выполнять 6-позиционную калибровку акселерометра. Параметры калибровки (смещение и усиление для всех трех осей) отображаются в графическом интерфейсе пользователя Unicleo и сохраняются во flash-памяти микроконтроллера. Сохраненные калибровочные коэффициенты автоматически загружаются и используются при следующем включении платы.

Рис. 14. Окно расчета тангажа (Pitch), крена (Roll) и наклона относительно вектора гравитации (Gravity Inclination) с помощью библиотеки MotionTL в графическом интерфейсе Unicleo

Рис. 15. Окно расчета углов наклона theta, psi и phi с помощью библиотеки MotionTL в графическом интерфейсе Unicleo

MotionTL2 реализует алгоритм вычисления наклона для оценки ориентации одной или двух осей в пространстве. Библиотека имеет настройку снижения воздействия вибрации, в ней имеются два режима вычисления:

  • Одноплоскостной режим: измеряется угол оси X по отношению к горизонтальной плоскости против часовой стрелки. Наклон и плоскость датчика всегда должны быть в одной плоскости (рисунок 16).

Рис. 16. Одноплоскостной режим измерения с помощью библиотеки MotionTL2 в графическом интерфейсе Unicleo

  • Двухплоскостной режим: вычисляется угол между осью X, осью Y и горизонтальной плоскостью, а также вычисляется угол между горизонтальной плоскостью и плоскостью осей X, Y датчика (рисунок 17).

Рис. 17. Двухплоскостной режим измерения с помощью библиотеки MotionTL2 в графическом интерфейсе Unicleo

Библиотека MotionDI (рисунок 18) использует данные от акселерометра и гироскопа и выполняет вычисления вектора вращения, кватернионов, углов Эйлера и линейного ускорения. Кроме калибровки акселерометра, библиотека предоставляет возможность калибровки гироскопа.

В библиотеке MotionDI применяется цифровой фильтр, основанный на теории фильтра Калмана, для объединения данных с нескольких датчиков и компенсации ограничений каждого из них. Например, поскольку дрейф данных гироскопа может повлиять на оценку ориентации, акселерометр можно использовать для получения информации об абсолютном угле наклона.

Рис. 18. Окно расчета тангажа и крена с помощью библиотеки MotionDI в графическом интерфейсе Unicleo

Рис. 19. Окно расчета вектора ориентации с помощью библиотеки MotionDI в графическом интерфейсе Unicleo

В таблице 4 приведены сводные параметры трех библиотек. Стоит отметить, что компания ST также разработала ряд других программных библиотек, входящих в состав пакета X-CUBE-MEMS1 и упрощающих разработку программного кода обработки данных с MEMS-датчиков: MotionAC для калибровки акселерометров, MotionAR для обнаружения активности, MotionID для определения интенсивности движения и другие.

Таблица 4. Сводные характеристики библиотек

Библиотека MotionTL MotionTL2 MotionDI
Назначение Трехосевые инклинометры Двухосевые инклинометры Динамические инклинометры
Требуемые ресурсы: микроконтроллер и память программ Cortex-M0+ 4,0 кбайта
Cortex-M3 3,6 кбайта
Cortex-M4 3,3 кбайта
Cortex-M7 3,2 кбайта
Cortex-M0 + 1,9 кбайта
Cortex-M3 1,9 кбайта
Cortex-M4 1,8 кбайта
Cortex-M7 1,7 кбайта
Cortex-M3 56,1 кбайта
Cortex-M4 48,7 кбайта
Cortex-M7 46,5 кбайта
Память данных 0,1 кбайта 0,1 кбайта 6,2 кбайта
Поддерживаемые платы NUCLEO-F401RE, NUCLEO-L476RG, NUCLEO-L152RE, NUCLEO-L073RZ
платы расширения,
X-NUCLEO-IKS01A2,
X-NUCLEO-IKS01A3
NUCLEO-F401RE,
NUCLEOL476RG,
NUCLEO-L152RE,
NUCLEO-L073RZ,
платы расширения STEVAL-MKI209V1K
NUCLEO-F401RE,
NUCLEO-L476RG, NUCLEO-L152RE,
платы расширения
X-NUCLEO-IKS01A2,
X-NUCLEO-IKS01A3

Заключение

В статье рассмотрены MEMS-акселерометры и инклинометры компании ST и их основные характеристики. Компания предлагает различные варианты программных и аппаратных средств, которые позволяют оценить возможности датчиков и сократить затраты на их интеграцию в готовую продукцию. Кроме этого, на все рассмотренные датчики действует программа 10-летней гарантии выпуска.

Источник

Adblock
detector