Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 23 октября
 
 


Это интересно!

Ранее

Компактные операционные системы реального времени

В статье рассмотрена архитектура нетребовательной к ресурсам операционной системы реального времени (ОСРВ) для встраиваемых систем на базе загружаемых прикладных модулей, которая позволяет увеличить ее эффективность и гибкость. Описаны методы защиты системы от появления случайных отказов. Статья представляет собой перевод [1].

Критерии выбора платы стандарта СОМ

Самый распространенный форм-фактор среди плат SFF — это компьютер на модуле, но и в этой группе есть несколько конфигураций. В статье рассмотрены основные критерии выбора.

Новые возможности COM Express

За пять лет успешного существования спецификации COM Express™ технология х86 значительно обновилась: появились миниатюрные процессоры с улучшенными параметрами энергопотребления и более производительной обработкой графической информации. Рынку потребовались более компактные системы с улучшенными графическими возможностями, и появилась вторая версия спецификации COM Express — COM.0 Rev.2.0. Технология COM Express обогатилась новыми функциями и стала масштабируемой, что, в свою очередь, расширило возможности ускоренного построения специализированных систем с меньшей стоимостью владения (TCO — Total Cost Ownership).

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

6 октября

Мобильные МЭМС-датчики с девятью и более степенями свободы

В статье рассмотрены последние достижения мобильных технологий МЭМС — детектирование движения и других параметров со многими степенями свободы, слияние сенсорных данных. Начавшийся переход от автономных трёхосевых сенсорных компонентов к комплексной аппаратно-программной реализации высокоинтегрированных мобильных датчиков с девятью (и более) степенями свободы со слиянием данных подразумевает, что аналогичные возможности имеются при проектировании встраиваемых систем любого масштаба.



В

ведение

Среди различных типов МЭМС-датчиков во всех сегментах рынка имеются датчики движения (motion sensors). Они же являются наиболее популярными из всех МЭМС, встраиваемых в смартфоны и им подобные устройства.
По данным IHS iSuppli, потребительский сегмент МЭМС вырос в 2010 г. на 27% и достиг 1,6 млрд долл. По оценке iSuppli, в 2014 г. этот показатель вырастет до 3,7 млрд долл. Исходя из данных Yole о том, что CAGR (совокупный годовой темп роста) рынка датчиков движения для потребительской электроники составляет 20,3%, этот сегмент вырастет с 847 млн долл. в 2009 г. до 2,56 млрд долл. в 2015 г.
Одной из главных задач МЭМС-детектирования движения является определение положения и ориентации объекта в пространстве и в реальном времени. Одно из ключевых применений сотовых телефонов — использование их для навигации. Другие ключевые применения — обнаружение, захват жестов при взаимодействии с пользователем.
Новые функции обработки движения в мобильной электронике могут включать точное определение поворотов, качаний, щелчков/постукиваний по корпусу, дрожания руки для повышения качества изображения, стабильности воспроизведения видео, новые пользовательские и игровые интерфейсы.
На мобильном рынке для этих задач широко применяются акселерометры, гироскопы, магнитометры, которые предоставляют сведения о движении, изменении пространственного положения устройства или его интерфейса. Эти датчики также обеспечивают контроль движения в медицинских исследованиях, мониторинг физической активности в спортивном оборудовании, анализ компьютерной анимации и т.д.
Однако отдельного МЭМС-датчика недостаточно для определения ориентации в пространстве или описания сложного движения или траектории.
Комбинация таких трёхосевых датчиков как акселерометр, гироскоп и магнитометр вместе с соответствующим аппаратно-программным обеспечением позволяет решать навигационные задачи. Данные о положении/ориентации и другие данные от мобильных датчиков могут далее использоваться для контроля показаний других (фиксированных) датчиков.
Но в других применениях только мобильные датчики обеспечивают решение задачи. Пример — спортивное снаряжение, в котором все датчики, размещённые в разных точках относительно корпуса человека, являются мобильными.
В этом случае целесообразно объединять все измерительные МЭМС-устройства в одном корпусе, рассчитанном на крепление в точке подвижного объекта (корпуса). Такой датчик, фиксированный в подвижной части корпуса, будет на самом деле мобильным и характеризоваться несколькими степенями свободы.
Развитие коммерческих технологий МЭМС допускает плавный переход от применения комбинации акселерометра, гироскопа и магнитометра для навигации целого объекта (самолёта, автомобиля, пешехода) к отслеживанию положения/ориентации его отдельных частей.

Возможности детектирования многоосевых инерциальных компонентов

Шесть степеней свободы в опорном фрейме объединяют три линейных и три угловых степени свободы двух трёхосевых датчиков — акселерометров и гироскопов. Им соответствуют по три декартовых оси, относительно которых выполняется детектирование линейного перемещения либо линейного ускорения с помощью акселерометров и угловой скорости или углового поворота посредством гироскопов. Датчики с шестью степенями свободы называют также шестиосевыми, и эти понятия тождественны.
Мобильный датчик детектирует такие углы поворота как крен (Roll), продольный наклон (Pitch) и курс (Yaw). Акселерометры и гироскопы детектируют линейное ускорение и угловую скорость объекта/точки.
Гироскопы позволяют вычислять угловую скорость. Интегрирование угловой скорости даёт угол поворота. Важнейшим параметром является смещение гироскопа. Если известна начальная ориентация в момент времени t0 и смещение (сигнал на нулевом повороте), то возможно определение ориентации в момент времени t.
Гироскопы и акселерометры находятся в гравитационном и магнитном полях Земли. Для указанной схемы вычислений подходит использование системы координат, фиксированной относительно магнитного поля Земли. Но в том случае, если земной и мобильный фрейм в реальном времени различаются, необходимо учитывать магнитное поле и в любом случае — гравитационное.
Акселерометры позволяют измерять истинное ускорение объекта или его части (точки), которое суммируется из истинного ускорения объекта и ускорения свободного падения в поле гравитации. Крен и продольный наклон возникают в результате действия ускорения в гравитационном поле. Для вычленения гравитационного ускорения сигналы мобильных акселерометров проецируются на оси земного фрейма. Перед корректировкой гравитации и интегрированием сигналов акселерометров для вычисления положения в системе инерциальной навигации для проецирования используются данные интегрирования сигналов гироскопов (данные об ориентации).
В мобильной системе сигнал гравитации отделяется с помощью магнитометра для ориентирования по осям. Магнитометры предоставляют информацию о курсе (Yaw). Добавление трёхосевого магнитометра к мультисенсорному блоку с шестью степенями свободы даёт ещё три дополнительных степени свободы и комплексное решение с девятью степенями свободы (или девятиосевой датчик).
Очевидно, что для непрерывных вычислений данных о положении/ориентации применяются сложные алгоритмы обработки сигналов со слиянием данных от датчиков. Традиционные навигационные системы IMU, AHRS — сложные и дорогостоящие решения, цена которых тем выше, чем более высокую точность они обеспечивают. Развитие коммерческих МЭМС-технологий привело к появлению на рынке блоков инерциальных измерений с шестью или девятью раздельными типами выходов от трёхосевых датчиков, обработка сигналов которых для вычисления положения или ориентации производится центральным процессором. В последние годы МЭМС-технологии позволили добиться выдающихся результатов в плане повышения характеристик гироскопов (стабильности смещения, углового случайного шума) и достичь т.н. тактического уровня исполнения (tactical-grade), при котором стабильность смещения лучше 10°/ч, а угловой случайный шум — менее 0,5°/√ч. Но в последнее время появилось сразу несколько недорогих девятиосевых решений plug&play со слиянием данных, легко встраиваемых в мобильные электронные устройства. Поскольку рынок потребительской электроники в настоящее время является ведущим для всех остальных сегментов, эти решения символизируют собой и самые ближайшие перспективы для разработки встраиваемых систем для промышленных, медицинских приложений, робототехники и т.д. В своё время системы IMU в МЭМС-исполнении возвратились с потребительского рынка в традиционные сферы применения (военную и авиакосмическую). МЭМС-технология позволила снизить цену, размер компонентов, допустить ещё более массовое распространение комбинированных датчиков. Миниатюрные мультисенсорные смарт-системы с девятью и более степенями свободы и со слиянием данных от датчиков способствуют ещё более полному осуществлению контроля над положением/ориентацией различных функциональных блоков объектов.

Мобильные многоосевые компоненты типа plug&play

Пионером в области многоосевого инерциального детектирования можно назвать компанию InvenSense (www.invensense.com), т.к. именно она впервые представила аппаратно-программную реализацию слияния данных датчиков — поначалу в шестиосевом формате. Хотя InvenSense только в 2009 г. создала трёхосевой гироскоп ITG-3200 (первый в мире гироскоп по цене до 3 долл.), уже в начале 2010 г. появился компонент IMU-3000 — первый трехосевой гироскоп, интегрирующий входы акселерометра и являющийся шестиосевым сенсорным решением для блоков инерциальных измерений. Как следует из его названия, данное решение представляет собой шестиосевой блок инерциальных измерений, требующий внешнего акселерометра. IMU-3000 интегрирует также аппаратную машину обработки движения Digital Motion Processor (DMP) без центрального процессора с вторичным портом I2C-master для интерфейса с акселерометром. Системная коммуникация с хост-процессором осуществляется через буфер FIFO (first-in, first-out) для экономии энергии. Для коммуникации производитель рекомендует использовать беспроводной канал.
Для ускорения цикла разработок InvenSense сопроводила IMU-3000 библиотекой Motion Processing Library (MPL) с алгоритмами ядра для обработки движения посредством встроенных модулей и API-интерфейсом. IMU-3000 стал первым решением, реализованным в шестиосевом формате.
Затем компании InvenSense, STMicroelectronics, Movea расширили концепцию шестиосевого детектирования до девятиосевого формата слияния сенсорных данных. На момент публикации этой статьи девятиосевой формат уже стал для потребительской электроники стандартом де-факто.
Следующим решением от InvenSense, о котором стало известно в конце 2010 г., стал микропроцессор Motion Processor MPU-6000. Это первая (в мире) аппаратно-программная реализация девятиосевого сенсорного решения без центрального процессора в корпусе QFN размерами 4×4×0,9 мм (см. рис. 1).

Рис. 1. Аппаратно-программная реализация девятиосевого сенсорного решения


MPU-6000 объединяет на одном кремниевом кристалле интегрированный трёхосевой акселерометр, трёхосевой гироскоп и интеллектуальные функции Digital Motion Processor (DMP) для девятиосевого слияния сенсорных данных без центрального процессора. Для этого устройства только магнитометр должен быть внешним.
В альтернативном варианте с учётом обработки сигнала потребовалось бы достаточно много компонентов от различных поставщиков, что отразилось бы на цене и сроках разработки.
Семейство MPU-6000 от InvenSense было разработано для решения проблемы выбора и интегрирования различных датчиков движения, обработки сигнала, слияния данных, производственной калибровки. В устройстве полностью реализованы алгоритмы девятиосевого слияния данных и реализации функционала инерциальной навигации. Цифровой выход шести- или девятиосевого слияния — матрицы вращения, кватернионы, углы Эйлера, строковый формат данных.
MPU-6000 совместим по выводам с предшествующим семейством интегрированных трёхосевых гироскопов MPU-3000. Интеграция в систему и интерфейсы с модулями реализованы с помощью шин I2C (порт для подключения цифрового выхода внешнего трёхосевого магнитометра или компаса) или SPI с использованием стандартных библиотек Motion Processing Library (MPL) и API (см. рис. 1). MPU-6050 практически идентичен MPU-6000, но поддерживает только I2C-коммуникацию на скорости до 400 кГц и имеет вывод VLOGIC, определяющий интерфейсные уровни напряжения, а MPU-6000, кроме I2C, поддерживает SPI на скорости до 20 МГц и имеет один вывод VDD, служащий опорным для логического уровня и аналогового питания.
Производство девятиосевого сенсорного семейства MPU-6000 InvenSense основано на оригинальном процессе Nasiri-Fabrication однокрис­тальной интеграции датчиков (CMOS MEMS-интеграция на уровне пластины) и на гибкой 8-дюймовой инфраструктуре.
Заявленные параметры продукта следующие:
– полный диапазон гироскопа MPU-6000: ±250…±2000 dps (°/с);
– полный диапазон акселерометра: ±2…±16g;
– разрешение АЦП: 16 бит;
– шумовые характеристики: 0,005°/с/√Гц.
Эти характеристики позволяют детектировать и медленное, и быстрое движение, дают высокое качество при стабилизации изображений, наведения, воспроизведении игр. Чувствительность калибруется с точностью до ±1%. Резонансная частота — 27 кГц, что делает MPU-6000 устойчивым к помехам на звуковых частотах 20–20000 Гц. Кроме того, эти устройства обеспечивают программируемую цифровую фильтрацию, тактирование с 2-% точностью в диапазоне температур –40…85°C, , программируемые прерывания, имеют встроенный датчик температуры и потребляют 5,5 мА.
Компания InvenSense не только производит законченные аппаратно-программные решения, но и совершенствует свою многоосевую сенсорную концепцию на программном уровне.
В декабре 2010 г. InvenSense анонсировала первую библиотеку с девятиосевым слиянием сенсорных данных, предназначенную для телефонов Android 2.3 Gingerbread и другой электроники. ПО MPL 3.2 представляет собой программную надстройку для процессоров обработки движения Motion Processor со встроенными алгоритмами, которая позволяет подключить датчики (трёхосевые гироскопы, акселерометры, магнитометры) непосредственно к аппаратной сенсорной части телефонов Android Gingerbread. Девятиосевое детектирование означает программное слияние данных от новых API-интерфейсов.
Интеграция алгоритмов предназначена для ускорения цикла разработки OEM-производителями смартфонов с девятиосевыми измерениями. MPL позволяет решить следующие задачи: управление датчиком, калибровку смещения, слияние данных, обнаружение жестов. DMP снижает нагрузку процессора в применении до 10 раз, удаляет временные ограничения для доступа и обработки данных в смартфонах с рабочей частотой до 1 ГГц.
Следующее решение от InvenSense — представленная в апреле 2011 г. программная платформа Smart Motion 4.0, которая интегрирует алгоритм девятиосевого слияния датчиков Motion Fusion Engine и библиотеки компасов от AKM и Aichi Steel.
Smart Motion 4.0 разработана для применения с новым семейством процессоров движения MPU-6000 Motion Processor. Процессор Motion Fusion Engine в этом применении выполняет девятиосевое слияние данных акселерометров, гироскопов и компасов. Поскольку компасы чувствительны к разрушающим магнитным полям, искажающим курсовую точность, InvenSense разработала для гироскопа адаптивные алгоритмы сброса магнитных полей. Smart Motion 4.0 также включает алгоритмы для быстрой калибровки компаса, калибровки смещения гироскопа, API и др.
Компания Movea (www.movea.com) представила для потребительской электроники своё запатентованное аппаратно-программное решение на основе МЭМС-датчиков для определения движения с девятью степенями свободы — беспроводное миниатюрное устройство IMU MotionPod (см. рис. 2). В отличие от MPU-6000, MotionPod характеризуется ещё более высокой степенью интеграции, реализованной на аппаратном уровне — в этом устройстве используется встроенный магнитометр и беспроводной трансмиттер.

Рис. 2. Миниатюрный беспроводной девятиосевой блок инерциальных измерений MotionPod от компании Movea — новое аппаратно-программное решение в полностью интегрированном корпусе


Назначение устройства — точный мониторинг ориентации человеческого тела. Устройство представляет собой малый PCB-модуль, объединяющий трёхосевой акселерометр, трёхосевой гироскоп, трёхосевой магнитометр в полностью интегрированном корпусе с программным и беспроводным интерфейсом. Совместно с мощным ПО модуль MotionPod поставляет динамически обновляемую информацию датчиков на центральный процессор. Устройство использует запатентованные алгоритмы слияния данных. Данные от датчиков комбинируются посредством алгоритмов слияния данных платформы Smart Motion. Каждый MotionPod оснащён встроенным 2,4-ГГц беспроводным трансмиттером, работающим в диапазоне до 30 м с очень низким потреблением мощности (до 8 ч полезной работы).
Обновление ПО производится также беспроводным способом. Для большей гибкости в применениях режим Gyro On/Off программируется. Для увеличения срока службы батареи используется режим низкого энергопотребления, частота дискретизации с целью экономии энергии конфигурируется.
Размеры MotionPod — 33×22×15 мм, вес — 14 г. API-интерфейсы Smart Motion предназначены для удобной интеграции в аппаратные платформы клиентов и разработки специального ПО. Пользователи могут снимать и использовать в своих вычислениях следующие данные: углы Yaw, Pitch, Roll, кватернионы, матрицы вращения, углы Эйлера.
Миниатюрное устройство MotionPod предназначено для занятий фитнесом, игр, спорта, медицинских применений в одно- или многоузловом вариантах. Одно устройство MotionPod предоставляет информацию о движении, вращении, скорости, ускорении. Данные MotionPod передаются по беспроводному каналу к USB-приемнику компьютера. Несколько устройств MotionPod можно объединять в сеть для передачи информации из различных частей корпуса (тела). К одному устройству Motion Controller подключается до 32 MotionPod.
Разработчикам, системным интеграторам, OEM-производителям устройство MotionPod поставляется в комплекте Smart Motion Development Kit (SMDK), а также с набором базовых функций Windows API.
Предложения от InvenSense и Movea классифицируются как девятиосевые решения, реализованные на аппаратном и программном уровне.
ST также разрабатывает и продвигает на рынок концепции многоосевых датчиков. В обширном ассортименте разработок STM были представлены программный модуль iNEMO для слияния данных с девятью степенями свободы датчиков, цифровые компасы и датчик давления, позволяющий определять высоту нахождения мобильного телефона.
iNEMO Engine от ST (см. рис. 3) — это программный модуль для девятиосевого слияния данных датчиков движения — трёхосевого акселерометра, трёхосевого гироскопа, трёхосевого магнитометра.
На аппаратном уровне повышение степеней свободы было реализовано в компасах ST, разработанных совместно с Honeywell. Эти устройства интегрируют трёхосевой цифровой акселерометр и трёхосевой цифровой магнитный датчик. Пример — новейший геомагнитный модуль STLSM303DLHC в корпусе 3×5×1 мм с током потребления до 110 мкА.

Рис. 3. Программный модуль iNEMO Engine для девятиосевого слияния данных датчиков движения — трёхосевых акселерометра, гироскопа и магнитометра


Модуль характеризуется меньшим потреблением тока на 70% по сравнению с недавно анонсированным LSM303DLM, а его диапазон питающих напряжений — 2,16…3,6 В. Модуль LSM303DLHC работает в диапазоне линейного ускорения до ±16g и в магнитных полях до ±0,8 мТл. Модуль обеспечивает магнитное разрешение до 60% выше, чем у предшественника, имеет на 40% меньший размер. Целевые применения — LBS (location based services — услуги на базе информации о местоположении), навигация, ориентирование по дисплейным картам.
Компасы объединяются с акселерометрами и гироскопами для осуществления навигации, обнаружения жестов, создания новых игровых интерфейсов. В потребительской электронике они уже обособились в отдельную сферу применения.
Модуль LSM303DLHC от ST обеспечивает 4D/6D-определение ориентации, имеет два программируемых сигнала прерывания, допускающих обнаружение движения, щелчков/двойных щелчков и других событий.
Следующим ключевым шагом ST в аппаратной реализации детектирования движения со многими степенями свободы стал новый кремниевый МЭМС-датчик STM LPS001WP, который был специально разработан для точного измерения давления с помощью потребительских устройств, способных измерять атмосферное давление, учитывать высоту над уровнем моря при 3D-измерениях. На этом основании датчики давления теперь можно функционально причислить к датчикам движения/навигации.
Рабочий диапазон значений LPS001WP в 300–1100 мбар соответствует атмосферному давлению
–750…9000 м относительно уровня моря. Датчик детектирует изменения в 0,065 мбар, соответствующие 80 см высоты. Устройство производится с использованием собственной технологии ST VENSENS, обеспечивающей создание монолитного кремниевого кристалла без соединения пластин.
Первые портативные устройства, оснащенные традиционными функциями GPS, идентифицировали положение прибора и осуществляли навигацию только в двух измерениях. Добавление датчика LPS001WP расширило функциональность этих устройств за счет 3D-идентификации, причём стало возможным автоматически посылать звонок в пожарную, медицинскую службы или полицию с указанием этажа.
ST — весьма динамично развивающаяся компания, быстро реагирующая на рыночные веяния в потребительском сегменте. Успех компании в продвижении на данном сегменте рынка объясняется массовым производством, низким уровнем цен и технологическим превосходством новых решений над предложениями конкурентов. Поэтому следующее аппаратно-программное воплощение многоосевого детектирования, анонсированное ST в мае 2011 г., является уже 10-осевым. В нём десятая степень свободы достигается включением датчика давления для измерения высоты над уровнем моря.
10-осевой формат адресован новому классу мобильных систем и применений (LBS, инерциальная навигация пешеходов в многоэтажных зданиях и т.д.). Для этих целей ST предлагает использовать три МЭМС-датчика — геомагнитный модуль, гироскоп и датчик давления, предоставляющие данные о линейном ускорении, угловой скорости, гравитации, курсе, высоте. Для облегчения слияния данных ST ранее ввела программный механизм iNEMO Engine (см. рис. 3).
Располагая всем этим арсеналом для вычислений, ST обещает реализовать десятиосевой формат слияния данных в комплексном аппаратно-программном решении следующего уровня.
Массовое производство трёхкристальных систем, объединяющих геомагнитный модуль LSM303DLHC, трёхосевой гироскоп L3G4200D и кремниевый датчик давления, начнётся в III кв. 2011 г.
Трёхосевой цифровой гироскоп L3G4200D в корпусе 4×4×1 мм предоставляет 16-битные данные в программируемых пользователем диапазонах ±250…±2000 dps (°/с). Устройство включает признак FIFO (first-in, first-out) для коммуникации между датчиком и центральным процессором.
Кремниевый датчик давления от ST заключён в корпус 3×3×1 мм и работает в диапазоне 260–1260 мбар, что соответствует атмосферному давлению в диапазоне –700…10000 м относительно уровня моря. Датчик рассчитан на детектирование высоты с разрешающей способностью до 0,3 м.
ST уже перешагнула отметку в 1 млрд проданных МЭМС-датчиков ещё в 2010 г. и в настоящее время производит более 2 млн этих устройств ежедневно.


Заключение

По данным iSuppli, объем зарождающегося ныне рынка интегрированных множественных датчиков движения для бытовой электроники достигнет 1 млрд шт. в 2014 г.
Однако датчики движения — далеко не единственная развивающаяся технология МЭМС для мобильных и других встраиваемых систем, для которых особенно актуальными являются высокая степень функциональной интеграции и миниатюризации компонентов. Полный список этих технологий см. на сайте www.sysoeva.com.
Десятиосевой формат обработки данных — самый новый, но не окончательный формат определения параметров движения, который предлагается со встраиванием или креплением к точкам объекта со сложным позиционированием. Вместо датчика давления или вместе с ним могут использоваться другие мобильные детекторы, размещённые в различных точках, частях объекта со сложным позиционированием (человека, робота, аппарата). В этом случае можно говорить о девяти или более десяти степенях свободы конкретного мобильного датчика и всего объекта.

 



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

Автор: Светлана Сысоева, консультант



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты