Как правильно выбрать акселерометр и датчик ускорения

Как правильно выбрать акселерометр и датчик ускорения Квадрокоптеры

Акселерометры stmicroelectronics

MEMS-технологии являются одним из быстроразвивающихся направлений деятельности STMicroelectronics. Весь цикл – кремниевое производство, тестирование, корпусировка, калибровка – выполняется на собственных производственных мощностях, что положительно сказывается на качестве конечной продукции.

MEMS-портфолио STMicroelecronics включает в себя интеллектуальные датчики физических величин и их сборки, датчики температуры, емкостные датчики и сенсорные панели [1].

Акселерометры STMicroelectronics представлены аналоговыми и цифровыми приборами и охватывают диапазон измеряемых ускорений до ±400g с питанием 1.7…3.6 В. Акселерометры имеют целый ряд дополнительных опций, делающих их идеальными для систем с низким и ультранизким энергопотреблением.

Среди них – режимы пониженного энергопотребления, режимы ожидания событий, автоматический переход в активный режим, наличие FIFO-буфера. Указанные опции снижают не только собственное потребление акселерометра, но и нагрузку на хост-контроллер, что также уменьшает общее потребление системы.

В целом акселерометры STMicro­electronics обладают высокой точностью и повторяемостью результатов (рисунок 1: число испытаний – 2790, диапазон ускорений – до 250g, точность – до 98%, среднеквадратичное отклонение – 0.997).

Компактные размеры акселерометров позволяют применять их в мобильных и носимых приборах, от мобильных телефонов и планшетов до часов, пульсометров, шагомеров и подобных им устройств. Размеры самого миниатюрного из акселерометров – 2х2х1 мм.

В линейку акселерометров STMicro­electronics [2] входят серии, оптимизированные для автомобильных приложений (рисунок 2), например серия AIS32x с расширенным температурным диапазоном работы, отвечающая требованиям стандарта AEC-Q100.

Полное портфолио акселерометров можно найти на офицальном сайте STMicroelectronics. Но разработчику, прежде чем закладывать в свое изделие акселерометр, нужно учитывать, что не все изделия из линейки предназначены для массового рынка. По факту все акселерометры и остальные MEMS-дачтики делятся на две группы – рекомендованные и не рекомендованные для массового применения. Т.е. разработчик может использовать нерекомендованные датчики в своем изделии, но производитель не дает гарантии, что будет поддерживать их на рынке довольно долгое время.

Это связано с тем, что датчики данной группы были разработаны с ориентацией на нескольких крупных заказчиков – Apple, Samsung, Nikon и т.д. В таблице 2 приведены акселерометры, которые ориентированы на массовый рынок, и производитель гарантирует их долгий срок жизни на рынке.

Таблица 2. Акселерометры STMicroelectronics

НаименованиеТип корпуса;
размер, мм
ОсиДиапазон измерений, gВыходНапряжение питания, ВПотребляемый ток в активном режиме, мА
AIS328DQQFN 24; 4x4x1.8X, Y, Z±2; ±4; ±8Цифровой2.4…3.60.25
H3LIS331DLLLGA 16; 3x3x1.0X, Y, Z±100; ±200, ±400Цифровой2.16…3.60.3
LIS2DHLGA 14; 2x2x1.0X, Y, Z±2; ±4; ±8; ±16Цифровой1.71…3.60.011
LIS2DH12VFLGA; 2х2х1X, Y, Z±2; ±4; ±8; ±16Цифровой1.71…3.60.011
LIS2DMLGA 14; 2x2x1X, Y, Z±2; ±4; ±8; ±16Цифровой1.71…3.60.006
LIS2HH12VFLGA; 2х2х1X, Y, Z±2; ±4; ±8Цифровой1.71…3.60.005
LIS302DLLGA 14; 3x5x0.9X, Y, Z±2; ±8Цифровой2.16…3.60.3
LIS331DLLLGA 16; 3x3x1.0X, Y, Z±2; ±8Цифровой2.16…3.60.3
LIS331DLHLLGA 16; 3x3x1.0X, Y, Z±2; ±4; ±8Цифровой2.16…3.60.25
LIS331DLMLLGA 16; 3x3x1.0X, Y, Z±2; ±4; ±8Цифровой2.16…3.60.25
LIS331EBLLGA 16L; 3х3х1.0X, Y, Z±2; ±4; ±6 ;±8; ±16Цифровой1.71…3.60.25
LIS331HHLLGA 16; 3x3x1.0X, Y, Z±6; ±12; ±24Цифровой2.16…3.60.25
LIS3DHLLGA 16; 3x3x1.0X, Y, Z±2; ±4; ±8; ±16Цифровой1.71…3.60.011
LIS3DSHLLGA 16; 3x3x1.0X, Y, Z±2; ±4; ±6; ±8; ±16Цифровой1.71…3.60.25

В общем случае в состав акселерометра (рисунок 3) входит подвижная трехмерная структура, которую можно представить в виде набора конденсаторов переменной емкости, усилителя заряда, связанного с мультиплексором, подающим сигнал на вход усилителя, и демультиплексором, выдающим сигналы для сигма-дельта АЦП.

LIS3DH [3] является высокопроизводительным трехосевым цифровым акселерометром с ультранизким энергопотреблением (рисунок 4). LIS3DH имеет два режима работы – нормальный, обеспечивающий высокую производительность, и режим пониженного потребления.

Динамический диапазон измерений датчика может выбираться пользователем и лежит в пределах ±2g/±4g/±8g/±16g. Частота следования отсчетов – 0.001…5 кГц. Встроенная функция самотестирования позволяет проверить функционирование датчика в конечном устройстве.

Акселерометр может генерировать два независимых сигнала прерывания – срабатывание по преодолению порогового значения или по обнаружению свободного падения, а также по изменению положения устройства. Пороги и времена срабатывания прерываний могут быть заданы пользователем.

Смотрите про коптеры:  Радиоуправляемая розетка 433 МГц

На каждый канал измерений (ось) имеется собственный десятиразрядный FIFO-буфер на 32 значения.

В качестве дополнительного бонуса LIS3DH имеет три внешних канала АЦП (10 бит) для отслеживания внешних сигналов.

Основные характеристики:

  • рабочий температурный диапазон: -40…85°C;
  • независимые выводы питания акселерометра и линий ввода-вывода;
  • потребление в режиме LowPower – менее 2 мкА;
  • I2C-/SPI-интерфейс;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • детектирование положения 6D/4D;
  • определение свободного падения;
  • определение начала движения;
  • перегрузки до 10000g;
  • встроенный датчик температуры;
  • три дополнительных канала АЦП.

LIS331HH [4] имеет аналогичные LIS3DH функциональные возможности в плане режимов работы и интерфейсов с внешними устройствами (рисунок 5). Акселерометр имеет встроенную функцию самотестирования, настраиваемый диапазон измеряемых значений – ±6g/±12g/±24g, частоту следования отсчетов 0.0005…1 кГц, две настраиваемые линии прерывания.

Основные характеристики:

  • рабочий температурный диапазон: -40…85°C;
  • независимые выводы питания акселерометра и линий ввода-вывода;
  • I2C-/SPI-интерфейс;
  • потребление в режиме LowPower – менее 10 мкА;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • детектирование положения 6D;
  • перегрузки до 10000g.

LIS3DSH – малопотребляющий высокопроизводительный трехосевой акселерометр со встроенным программируемым автоматом (машиной состояний) [5] (рисунок 6).

Диапазон измерений – ±2g/±4g/±6g/±8g/±16g, частота следования отсчетов измерений – 3.125 Гц…1.6 кГц. Акселерометр может быть настроен на распознавание определенных последовательностей событий и генерацию прерываний по их обнаружению. LIS3DSH имеет встроенный FIFO-буфер.

Основные характеристики:

  • рабочий температурный диапазон: -40…85°C;
  • независимые выводы питания акселерометра и линий ввода-вывода;
  • потребление в режиме LowPower – менее 11 мкА;
  • I2C-/SPI-интерфейс;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • перегрузки до 10000g;
  • встроенный датчик температуры;
  • программируемый автомат;
  • три дополнительных канала АЦП.

LIS3DSH имеет два встроенных программируемых конечных автомата, способных выполнять пользовательские программы. Программа состоит из набора инструкций, которые определяют переходы между состояниями автомата, возможны также условные переходы.

Каждый из автоматов может иметь до 16 состояний. Из каждого состояния возможен переход или в начальное состояние (состояние после сброса) или в следующее. Переход выполняется по выполнению одного из двух условий «RESET condition» или «NEXT condition». Сигнал прерывания генерируется при достижении одного из состояний – output/stop/continue.

Каждый из автоматов может быть запрограммирован на распознавание определенных жестов, свободного падения, определения положения – 6D/4D, подсчет пульса, шагов, распознавание двойного нажатия – т.н. «click/double click», перевороты. Инструкции и условия переходов загружаются хост-устройством в выделенную область памяти.

Автоматы могут работать независимо друг от друга, возможны так называемые синхронные режимы работы, когда второй автомат используется для увеличения количества состояний первого (суммарно до 32 состояний) или как автомат-подпрограмма, исполняющаяся в одном или нескольких состояниях первого автомата (рисунок 8).

FIFO-буфер имеет четыре режима работы:

  • напрямую (Bypass):
    • буфер FIFO в данном режиме не используется, он пуст
    • режим может быть использован для сброса FIFO из другого режима;
  • FIFO:
    • FIFO продолжает заполняться, пока не достигнет 32 значений, а затем останавливается;
    • для рестарта буфера необходимо перейти в режим Bypass;
  • потоковый – Stream:
    • FIFO работает как кольцевой буфер, старые данные замещаются новыми;
    • режим Bypass используется для остановки данного режима;
  • поток в FIFO (Stream to FIFO):
    • FIFO работает как кольцевой буфер, старые данные замещаются новыми;
    • возможно использование триггера (события на ножках INT1 и INT2).

За исключением отсутствия функции самотестирования и диапазона измеряемых напряжений, акселерометр H3LIS331DL [6] аналогичен LIS331HH. В сравнении с LIS331HH, H3LIS331DL имеет гораздо более широкий динамический диапазон измеряемых ускорений – ±100g/±200g/±400g.

LIS2DH – трехосевой высокопроизводительный акселерометр с I2C-/SPI-интерфейсом, частотой следования отсчетов 0.001…5.3 кГц [7]. Диапазон измеряемых ускорений задается пользователем и может лежать в пределах ±2g/±4g/±8g/±16g.

Основные характеристики:

  • рабочий температурный диапазон: -40…85°C;
  • независимые выводы питания акселерометра и линий ввода-вывода;
  • потребление в режиме LowPower – менее 2 мкА;
  • I2C-/SPI-интерфейс;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • детектирование положения 6D/4D;
  • встроенный FIFO-буфер;
  • определение свободного падения;
  • определение начала движения;
  • перегрузки до 10000g;
  • встроенный датчик температуры.

AIS328DQ – трехосевой акселерометр для автомобильных применений с I2C-/SPI-интерфейсом. AIS328DQ может быть настроен на генерацию прерываний по событиям или по изменению положения устройства. QFPN-корпус (4х4 мм) позволяет акселерометру функционировать в диапазоне температур -40…105°C [8]. Среди других особенностей акселерометра – следующие:

  • потребление в режиме LowPower – менее 10 мкА;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • детектирование положения 6D;
  • перегрузки до 10000g.
  • два независимых конфигурируемых источника прерывания;
  • диапазон измерений: ±2g/±4g/±8g;
  • линии ввода-вывода, совместимые с логикой 1.8 В.
Смотрите про коптеры:  Беспилотник восьмикоптер - XENA Surveyor - Altigator - для картографии / легкий

Емкостной полумост

Итак прежде, чем описывать работу самого датчика, обратимся к довольно популярной схеме в схемотехнике – емкостному полумосту (Capacitive half-bridge).

Как правильно выбрать акселерометр и датчик ускоренияЕмкостной полумост — основа МЭМС-датчиковНапряжения $e_1$$e_2$$e_3$$C_1=C_2=C_0$


Итак часть пути пройдена, мы получили как зависит значение изменения емкости от изменения положения обкладки (то есть внешнего ускорения). Пора это изменение детектировать: вводим дополнительные токи —

$i_1, i_2, i_3$

. Теперь остается вычислить как выходной ток будет зависеть от изменения положения обкладки.

Как правильно выбрать акселерометр и датчик ускорения
Емкостной полумост — токи

Итак если использовать одинаковые потенциалы входных напряжений

$e_1= e_2= e_s$

получаем зависимость тока:

Результат получился довольно странный: выходной ток никак не зависит от изменения емкости. Для того, чтобы детектировать изменение емкости, необходимо задавать на обкладках напряжения разной полярности, то есть:

$e_1=e_s$

, а

$e_2=-e_s$

. Тогда переделаем уравнение с учетом данной модификации.

Из этого уравнения видны следующие факты:


Для эффективной работы емкостного полумоста необходимо использовать переменные входные сигналы e1 и e2, смещение фаз между которыми будет равно 180 градусов (для того, чтобы потенциалы имели разный знак). Поэтому получаем следующий вид сигналов:

, где

$omega$

– частота переменного сигнала (определяется на этапе разработки, в зависимости от полосы пропускания системы и нормальной работы механических емкостей).

Итак, мы получили уравнение (1.4), которое показывает, как изменение емкости конденсатора влияет на выходной сигнал системы. Однако такой сигнал будет довольно малый по амплитуде, к тому же если подключим к нему нагрузку для общения с внешним миром — вся система рухнет. Тут нужен усилитель…

Обзор лидирующих предложений мэмс-гироскопов

Компания Systron Donner объявила о выпуске одноосевого цифрового кварцевого гироскопа SDD3000, уровень исполнения которого позволяет отнести его к тактическому классу. Устройство оптимальным образом подходит для тех задач, решению которых способствует беспрецедентно низкий шум (ARW), который составляет менее 0,02 °/√ч, и стабильность смещения (in-run) в 1 °/ч.

Применения включают стабилизацию платформ, системы AHRS (курсовертикали), БПЛА и наземную навигацию. Стабильность смещения в 1 °/ч соответствует тактическому уровню исполнения. Другие стандартные температурные дрейфы смещения, заявленные в спецификации трех версий датчика, составляют 1, 3 и 10 °/ч соответственно.

При этом устройство с цифровым выходом RS232 или RS422 заключено в корпус размерами 78×83×25 мм, что допускает его легкую интеграцию. Заявленный срок службы устройства — порядка 20 лет.

Компания Tronics сейчас предлагает свой первый собственный гироскоп GYPRO2300 высокого уровня исполнения, разработанный после многолетнего анализа клиентского спроса. МЭМС-гироскоп Tronics представляет собой одноосевое Z‑устройство, малое по занимаемому объему (0,55 см3) и легковесное (2,6 г), которое имеет 24‑битный выход. Заявлены следующие ключевые параметры:

  • Нестабильность смещения: 1 °/ч.
  • Шумовая плотность: 10 °/ч/Гц.
  • Ошибка смещения в зависимости от температуры: ±0,05 °/с.

Компания Sensonor выпустила на рынок STIM300 — блок инерциальных измерений, объединяющий три высокоточных МЭМС-гироскопа, три высокостабильных акселерометра и три инклинометра. По уровню характеристик гироскопа датчик относится к верхнему тактическому классу. Заявленные характеристики гироскопа, входящего в состав инерциального модуля, следующие:

  • Нестабильность смещения: 0,5 °/ч.
  • Показатели шума: порядка 0,15 °/ч.
  • Температурный дрейф смещения составляет 10 °/ч, а измерительный диапазон — 400 °/c.

Как видно, заявленные характеристики гироскопа от Sensonor в условиях, близких к идеальным, с большим основанием позволяют причислить его к тактическому классу.

Еще более высокие характеристики имеет одноосевой МЭМС-гироскоп Silicon Sensing Systems CRH01 (рис. 2), представляющий собой разработку на основе вибрационного кольца с индуктивным приводом VSG3.

Основные параметры устройства:

  • Нестабильность смещения: 0,2 °/ч (для версии CRH01-025).
  • Показатели шума: порядка 0,04 °/ч.
  • Температурный дрейф смещения: ±0,2…±0,5 °/с.

Разработаны четыре версии датчика с измерительными диапазонами от ±25 до ±400 °/с.

Кривая Аллана для версии датчика угловой скорости в диапазоне ±25 °/с явно показывает, что его типичная нестабильность смещения лучше 0,1 °/ч, а угловой случайный уход (ARW) лучше 0,02 °/√ч. Такой уровень характеристик до недавнего времени был достижим только FOG- и RLG-гироскопами.

Компания Silicon Sensing еще за год до публикации этой статьи объявила о разработке новой линейки инерциальных датчиков, модулей и систем, отличающихся низким дрейфом (менее 0,3 °/ч) на основе индуктивного МЭМС-гироскопа, представляющего собой недорогую альтернативу волоконно-оптическим продуктам. Но, как видно, реально достигнутые характеристики МЭМС-гироскопов Silicon Sensing Systems Ltd. оказались еще выше.

В настоящий момент важнейшее ожидаемое событие — выпуск Silicon Sensing коммерческих МЭМС-гироскопов серии CRS39 на основе чувствительного элемента индукционного типа SGH03 с увеличенной добротностью последнего поколения VSG3QMAX (рис. 3).

Silicon Sensing уже серийно поставляет датчики CRS39-01 и CRS39-02 — в закорпусированном и незакорпусированном исполнении, характеризующиеся также низкой нестабильностью смещения в 0,2–0,3 °/ч и ARW в 0,017 °/ч. Впрочем, по сравнению с другими МЭМС-устройствами тактического класса температурный дрейф у них такой же, как у многих других датчиков, и составляет 3 ±10°/ч (max ±30°/ч), а измерительный диапазон — только ±25 °/с.

Смотрите про коптеры:  Тяжелый FPV-квадрокоптер — разработка, сборка и первый полет / Хабр

Объявлено, что гироскоп CRS39-03 характеризуется нестабильностью смещения порядка 0,08–0,1 °/ч, что выходит за границы верхнего тактического уровня и вполне сопоставимо с характеристиками волоконно-оптических и кольцевых лазерных гироскопов; заявленный показатель случайного ухода — не более 0,0083–0,015 °/√ч, а собственный среднеквадратический шум — не более 0,01 °/с.

На примере одной серии гироскопов компания Silicon Sensing продемонстрировала улучшения в характеристиках нестабильности смещения от типичных значений 0,3–0,08 °/ч, а шума ARW — 0,013–0,0083 °/√ч. На данный момент характеристики МЭМС-гироскопов Silicon Sensing — самые высокие, поэтому датчики применяются в высокопрецизионных high-end системах.

Silicon Sensing также демонстрировала способность своего гироскопа к высокоточному обнаружению севера (до 0,1 °/ч).

В целом МЭМС-гироскопы не вполне достигли тактического уровня исполнения, которому соответствует стабильность смещения в 1 °/ч именно в реальных, а не в испытательных условиях. Стабильность смещения лучших МЭМС-гироскопов оценивается в реальных условиях в диапазоне 5–30 °/ч.

Ключевые характеристики high-end гироскопов

Точность гироскопа обычно определяется важнейшим параметром — стабильностью смещения. Стабильность смещения представляет собой точность выхода датчика при отсутствии вращения в течение всего срока службы. В идеале стабильность смещения должна быть равна 0, но в реальных условиях достижение такой точности невозможно вследствие погрешностей изготовления самого датчика (рассогласование, шум, старение и др.), а также влияния условий и среды на измерения (температурные колебания, вибрации, линейные ускорения и др.).

Прочие важные характеристики гироскопов включают:

  • Угловой случайный уход/шум.
  • Нестабильность смещения.
  • Ошибка или дрейф смещения гироскопа — общая или под влиянием конкретных факторов, например температуры.
  • Собственно смещение — выход гироскопа в отсутствие вращения.
  • Измерительный диапазон.
  • Температурная чувствительность.
  • Чувствительность к вибрации, ускорениям и ударам.
  • Старение.

Чувствительность гироскопа также зависит от различных дрейфов, что находит отражение в спецификациях. Гироскопы подвержены собственным шумам и влиянию невыравнивания осей, но принятие во внимание этих параметров, как и ряда других, является вторичной задачей.

Нестабильность смещения или стабильность описывает, как смещение изменяется во времени. В спецификациях производителей стабильность смещения обычно специфицируется как 1σ значение в °/ч для более точных или в °/с для менее точных устройств.

Нестабильность смещения в большинстве спецификаций определяется производителями как наилучшая характеристика, достигнутая гироскопом в лабораторных условиях. Нестабильность смещения определяется как минимальная точка на кривой Аллана и используется для характеристики гироскопа, определение которой проводится при комнатной температуре и в отсутствие воздействий вибраций и ударов.

В более общем случае стабильность смещения (in-run или run-to-run) характеризует работу гироскопа в реальных условиях и в большей степени зависит от того, какой фактор среды влияет на работу датчика — температура или, например, старение.

Помимо абсолютной точности, в расчет может приниматься относительная точность, которая определяется как отношение стабильности смещения к измерительному диапазону и выражается в процентах, когда речь идет о датчиках для потребительского или high-end сегмента, или в ppm и ppb для датчиков из разряда high-end.

Угловой случайный уход (случайное блуждание угла) (Angle Random Walk, ARW) — это сигнальный шум стационарного (в отсутствие вращения) гироскопа после интегрирования (в отличие от стабильности смещения, которая измеряется до интегрирования сигнала ориентации).

Нестабильность смещения и угловой случайный шум (ARW для гироскопа) — два основных источника погрешностей МЭМС-компонентов, которые в первую очередь принимаются во внимание. При комплексном анализе необходимо принять во внимание факторы влияния внешней среды и рабочих условий, то есть всех параметров, перечисленных выше.

Вследствие этого спецификации современных high-end гироскопов представляют собой довольно разрозненные данные для анализа, которые не всегда могут быть абсолютно унифицированы и непосредственно сопоставлены.

Средние цифры наилучших значений для современных МЭМС-гироскопов согласно последним публикациям производителей представлены в таблице 2.

Таблица 2. Важнейшие характеристики high-end гироскопов

Параметр

Описание

Наилучшие характеристики МЭМС-гироскопов

Нестабильность смещения

Наименьшее значение на кривой Аллана при комнатной температуре в отсутствие вибраций и ударов

<0,1°/ч

Угловой случайный уход (шум) ARW

Метод Аллана

<0,01°/√ч

Дрейф смещения под влиянием температуры

Полный температурный диапазон

5 °/ч

Дрейф смещения под влиянием вибрации

Полный диапазон вибрационного воздействия

Дрейф смещения под влиянием ускорения

Полный диапазон воздействия ускорения

Стабильность смещения (in-run)

Квадратичная сумма предыдущих дрейфов в зависимости от условий эксплуатации

1–5 °/ч

Смещение

Выход при нулевой скорости

30 °/ч

Смещение под действием ударов

Старение

Стабильность смещения (run-to-run)

Квадратичная сумма предыдущих дрейфов в зависимости от условий эксплуатации

5–30 °/ч

Оцените статью
Радиокоптер.ру
Добавить комментарий

Adblock
detector