Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 22 января
 
 

Это интересно!

Ранее

МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы

Большая популярность МЭМС-акселерометров и гироскопов обусловлена их широким потенциалом для использования как в бытовой, так и в промышленной технике. МЭМС-датчики широко применяются и в автомобильной промышленности для управления подушками безопасности, и в охранной сигнализации, в навигационных системах для исчисления пройденного пути или определения маршрута следования. С 2008 г. компания STMicroelectronics занимает лидирующие позиции в производстве МЭМС-датчиков движения для портативной и бытовой электроники, охранных, автомобильных и навигационных систем.

Дифференциальный датчик давления и потока воздуха

В статье на примере изделий компании Microbridge Technologies рассмотрены основные характеристики датчиков потока воздуха, работающих по принципу термометра-анемометра.

Высококачественный мониторинг линий электропередач с помощью многоканальных АЦП

В статье описывается построение мониторинга линий электропередач, приведены расчетные соотношения и структурная схема. Помимо этого рассмотрены основные компоненты системы и даны практические рекомендации. Статья представляет собой сокращенный вариант [2]

 

7 декабря

Выбор и использование датчиков движения на основе МЭМС

Статья посвящена системам обработки движения. Рассмотрены принципы, лежащие в основе этих систем, и описаны характеристики, достоинства и недостатки различных типов датчиков и решений. Указаны факторы, которые необходимо учитывать при проектировании системы обработки движения. Даны рекомендации по выбору датчиков.



О

бработка движения — новая прорывная технология, с которой начнется волна инноваций в проектировании карманных потребительских устройств, пользовательского интерфейса и систем управления. Эта технология предполагает детектирование движения в трехмерном пространстве, измерение параметров (скорости, угловой скорости, направления, ускорения, момента и т.д.) и передачу данных в процессор. С появлением коммерческих устройств инерциального измерения (IMU — inertial measurement unit), основанных на МЭМС, развитие обработки движения стало идти еще быстрее. Устройства IMU, оснащенные инструментами обработки движения, обеспечивают более простой пользовательский интерфейс (интуитивная навигация) и управление устройством без нагромождения операций и меню. Для начала рассмотрим принцип распознавания передвижения.

Распознавание движения

В некоторых современных мобильных устройствах используются акселерометры, измеряющие параметры движения по трем осям. Этого недостаточно, поскольку по трем осям можно разложить только поступательное или только вращательное движение. Для полноценной обработки необходимы шесть осей измерения.
Главное звено в системе распознавания движения — гироскоп, который традиционно используется для определения абсолютной скорости вращения. Гироскоп реагирует на изменение потока энергии между двумя резонансными положениями структуры, обусловленное силой Кориолиса, которая возникает при вращении внутренней рамы и пропорциональна скорости вращения (см. рис. 1). Гироскопы измеряют угловую скорость Ω по величине силы Кориолиса.

Рис. 1. Механизм возникновения силы Кориолиса

Вибрационные гироскопы стержневого типа обычно содержат пару вибрирующих масс, например, в форме стержней (как ветви камертона), которые осциллируют с одинаковой амплитудой и в противоположных направлениях. Когда гироскоп начинает вращаться, возникает сила Кориолиса, направленная перпендикулярно вектору скорости и пропорциональная его модулю. Величина скорости измеряется емкостным способом между зубьями гребенки по периметру вибрирующей структуры и зубьями неподвижной рамки, окружающей стержни. Гироскоп проектируется так, чтобы возникающее в нем ускорение Кориолиса было максимальным, а трение — минимальным.
Датчики ускорения (акселерометры) позволяют детектировать только простое движение, например, определять угол наклона или ориентацию устройства в пространстве. С их помощью можно измерить только сумму поступательного и центробежного ускорений, силу тяжести и колебательную силу, вызывающую вибрацию. Для выделения одной компоненты, например, поступательного движения, необходимо использовать дополнительный гироскоп, который точно измерит угловую скорость вращения. Таким образом, для более сложных задач, таких как оптическая стабилизация изображения, акселерометры непригодны.
Для коррекции погрешности измерения параметров вращательного движения некоторые производители вместо гироскопов используют магнитометры. Эти устройства определяют вращательное движение устройства по отношению к северному магнитному полюсу Земли. Они обычно применяются для переориентации карты на дисплее, чтобы ее положение соответствовало направлению движения пользователя.
Магнитометры работают сравнительно медленно, поэтому они не подходят для использования в системах, вращающихся с частотой более 5 кГц. Кроме того, они не защищены от искажения данных в присутствии внешних магнитных полей, создаваемых, например, микрофоном, аудиогарнитурой или металлическим предметами.
Гироскопы — единственные инерционные датчики, позволяющие точно и без задержки измерить параметры вращательного движения. Они не подвержены никаким внешним воздействиям, в том числе магнитным и гравитационным. Появление кремниевых гироскопов на основе МЭМС и снижение их стоимости позволило существенно расширить функциональность мобильных устройств. Помимо доступной цены, гироскопы на основе МЭМС имеют другие достоинства: малый размер и высокую точность.

Выбор датчика

Для определения всех параметров движения необходимо проводить измерения по трем осям поступательного и трем осям вращательного движения. Среди разработчиков портативных устройств бытует неверное представление, что для системы обработки движения нужно использовать либо гироскопы, либо акселерометры. На самом деле, для качественного измерения скорости и направления поступательного и вращательного движения необходимы оба вида датчиков.
Гироскопы в одиночку могут использоваться для измерения вращательной компоненты. Системы на основе датчиков ускорения могут использоваться в приложениях с неподвижной системой координат, а также для измерения угла поворота или параметров поступательного движения. Другими словами, они подходят только для тех случаев, когда система не совершает свободного вращения. Для одновременного анализа поступательного и вращательного движения необходимы и гироскоп, и акселерометр. Датчики ускорения имеют большую точность измерения, когда устройство покоится, а МЭМС-гироскопы — когда оно движется. Для объединения данных, полученных от датчиков, обычно используется алгоритм обработки данных из разных источников (см. рис. 2).

Рис. 2. Алгоритм объединения данных

При выборе способа обработки движения следует проводить тщательный анализ многих факторов, включая полный диапазон работы устройства, чувствительность, напряжение смещения, шумовые характеристики, чувствительность между осями, влияние температуры, влажности и механическую прочность устройства.

Обработка движения

При разработке системы детектирования и обработки движения первое, с чем сталкивается инженер, это выбор модели датчика ускорения, гироскопа или интегрального решения для своего приложения. У каждого подхода есть свои достоинства и недостатки. Рассмотрим некоторые соображения совместимости, которые следует учитывать.
1. Для максимального расширения функциональности в схеме следует предусмотреть несколько приложений, например, навигатор GPS, помощник водителя и интуитивный интерфейс пользователя, управляемый жестами. Для работы всех этих приложений требуются различные скорости выборок гироскопа, поэтому необходимо преду­смотреть защитные меры, чтобы данные разных приложений не накладывались друг на друга.
2. Достоверность вычисления угловых координат в значительной мере зависит от стабильности тактирования гироскопа.
3. Акселерометры и гироскопы должны делать выборки синхронно, чтобы правильно интерпретировать их и определить положение устройства в пространстве.
4. Частоты, на которых работают гироскопы, не должны интерферировать друг с другом, а также с другими каналами, использующимися в устройстве.
Обычно акселерометры и гироскопы классифицируются по техническим характеристикам, однако во многих случаях их лучше разделять по назначению. Пример соответствующей классификации приведен в таблице 1. В последней колонке указан полный диапазон работы гироскопа в градусах в секунду (dps — degree per second) и соответствующая чувствительность (мВ/dps). Характеристики цифровых датчиков ускорения, которые обычно применяются в системах обработки движения, выражаются, как правило, долями гравитационного ускорения, а чувствительность измеряется в единицах [младший значащий разряд/g].

Таблица 1. Классификация гироскопов по назначению

Назначение

Чувствительность гироскопа, мВ/dps

Полный диапазон измерений, dps

Стабилизация изображения

20...50

20...43

Навигация

4...15

50...67

3-D удаленное управление

2,0

500

Фильтрование

Обычно для обработки движения требуется гибкая система фильтрования. Шумовые характеристики и полоса сигнала, как правило, меняются в зависимости от производимого в данный момент действия. Существуют два основных метода фильтрования: аналоговый (фильтр на основе АЦП или RC-цепи) и цифровой (производится в процессоре после АЦП). Аналоговый фильтр применяется обязательно для предупреждения наложения данных. Для задач обработки движения, в которых полоса сигнала меняется, оптимальный выбор — включить программируемый цифровой фильтр после аналогового.
Мобильные устройства, оснащенные функцией обработки движения, имеют дополнительные функции, такие как стабилизация изображения в камере, пользовательский интерфейс, навигация. Для них требуются полосы частот. Например, для получения навигационных сигналов с частотой до 1 Гц частота выборки должна быть 10 Гц, а полоса пропускания фильтра согласно правилу Найквиста (отсечение всех сигналов, частота которых не меньше половины частоты дискретизации) составляет менее 5 Гц. Однако этот фильтр может создавать помехи в других приложениях, реализованных в устройстве. В связи с этим необходимо использовать такой фильтр, полоса которого покрывает все диапазоны фильтрации, требуемые приложениями, и цифровой фильтр, который будет подстраиваться под требования конкретного приложения.
Если схема обработки движения не интегральная (см. рис. 3), то может потребоваться МК для осуществления выборок. В полностью интегральных решениях (см. рис. 4) в состав блока АЦП обычно входят фильтры заданных частот. За ними следуют цифровые фильтры, которые используются в случае необходимости.

Рис. 3. Структура системы обработки движения с дискретными датчиками

Рис. 4. Интегральная схема обработки движения

Точность тактирования

Точность тактирования очень важна, особенно при определении угловых координат гироскопа, которые вычисляются путем перемножения угловой скорости на частоту дискретизации:

 

α = ω .ΔТ,            (1)

 

где α — данные, полученные от гироскопа; ω — угловая скорость гироскопа; ΔТ — промежуток времени. Из выражения (1) видно, что правильность тактирования гироскопа так же важна, как и точность определения угловой скорости.

Синхронизация данных

Поскольку современные мобильные устройства оснащены не одним датчиком, то важно синхронизовать получение данных от разных датчиков. Самая высокая точность может быть получена тогда, когда данные с акселерометра и гироскопа считываются синхронно. Однако, если у них разные требования по тактированию, этот процесс усложняется.
Существуют и другие методики, например, сбор данных с цифрового датчика ускорения через интерфейс I2C. Этот метод не подходит для аналогового гироскопа. В этом случае преимущество имеют законченные интегральные решения, в которых заведомо гарантируется синхронность сбора данных.

Частотный диапазон

Разработчик должен проверить, что частотные спектры в системе не перекрываются. Например, гироскопы, работающие в диапазоне звуковых частот ниже 5 кГц, не следует использовать вблизи источников звука — телевизоров, радио, громкоговорителей и т.д. Наушники обычно работают в диапазоне 20 Гц…20 кГц, а оптическая стабилизация изображения — на частотах 500 Гц…4 кГц. В системах обработки движения компании InvenSense используются более высокие частоты: по оси Х — 24 кГц, по оси Y — 27 кГц, по оси Z — 30 кГц. Таким образом, диапазоны работы отдельных блоков не накладываются друг на друга.

Заключение

Несмотря на то, что в настоящее время датчики движения представлены на рынке в большом разнообразии, с развитием систем обработки движения предпочтение будет отдаваться полнос­тью интегральным решениям.

Литература

1. Steve Nasiri, David Sachs and Michael Maia. Selection and integration of MEMS-based motion processing devices//www.dspdesignline.com/howto/218401101#.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Стив Назири (Steve Nasiri), Дэвид Сакс (David Sachs), Михаэль Майа (Michael Maia), компания InvenSense



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты