慣性傳感器助力自主式機器應用

慣性傳感器助力自主式機器應用

在許多自動化機械與汽車導航等應用中,都需要仰賴慣性傳感器來協助偵測設備的運動狀態,本文將為您介紹慣性傳感器的應用與發展,以及由ADI推出的相關解決方案。

慣性傳感器可提供關鍵精度與安全機制

無論是在制造業、農業、物流業、能源業、汽車業還是無人機行業,都可通過各種傳感器檢測來達到機械自動化,以顯著提高資源效率、設備精度和安全性。

目前市面上有各式各樣的傳感器,可分類為用于感測環境的情境傳感器,像是可以感測溫度、光學、化學、氣體、振動的傳感器,以及用于定位的位置傳感器,像是慣性、GPS、磁力計、氣壓計、分布區域傳感器等,結合情境傳感器與位置傳感器,便可以形成完整的運動物聯網(Internet of Moving Things, IoMT)應用環境。

在運動物聯網應用中,確定位置起著關鍵性作用,通過指出精確地點或維持精準定位,精密的慣性傳感器(或稱為慣性測量單元,IMU)將在其中發揮巨大作用。在機動性很重要的應用中,需要確定情境傳感器所擷取數據的地理位置,運動物聯網能同時融合情境數據和位置數據,將極大地提高數據分析的價值和效益。

本文重點介紹的慣性傳感器主要是用于檢測和測量物件的加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉和多自由度(DoF)運動,是解決導航、定向和運動載體控制的重要部件。在大多數智能機器中,由于GPS信號可能會被阻擋,導致無法準確的定位與導航,此時慣性傳感器便能夠起到兩個主要作用,一是使設備穩定和瞄準,二是導航和制導,提供像是天線、吊車平臺、施工刀片、農具或無人飛行器上的相機等部件維持一個可靠的指向角,并在嚴苛環境中提供關鍵精度或安全機制。

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在成本與效能上取得平衡的工業慣性傳感器

目前市面上的慣性傳感器通常會采用微機電(MEMS)結構,不過一些以降低成本為主要目標的MEMS結構,在設計上通常會犧牲性能,例如采用縮小硅片質量和用塑料封裝的消費級產品等方式,對MEMS結構的性能帶來很大的不利影響。

為了從微機電器件提取精確穩定的信息,必須有很高的信噪比,而信噪比是由硅片面積和厚度決定的,另外還要選擇適當的器件封裝和系統外殼,使硅片受到的應力最小。若能夠在一開始定義傳感器時,便牢記最終應用的性能要求,并據此優化硅片、集成、封裝、測試和校準方法,便能夠使得在復雜環境下也能維持原有性能,并且使成本最低。

近年來,噪聲在區分傳感器級別上所起的作用有所降低,在實際比較了工業MEMS IMU和消費級IMU,二者均有比較好的噪聲性能。然而,消費級器件并未針對振動或對準進行設計或校正,通過芯片設計方法或器件專用校準來改善精準度則需要付出高昂的成本,工業器件則實現了更好的平衡,在不考慮消費級產品耐用性較差的其他潛在誤差源的話,二者性能相差至少20倍。

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經濟高效的慣性測量單元

為了滿足客戶在高精度慣性傳感應用的需求,ADI推出了一款精密的MEMS IMU──ADIS16505,它包括一個三軸陀螺儀和一個三軸加速度計。ADIS16505中的每個慣性傳感器均結合了可優化動態性能的信號調節功能。工廠校準可表現每個傳感器的靈敏度、偏置、軸向對準、線性加速(陀螺儀偏置)和沖擊點(加速度計位置),校準溫度范圍為?40℃至+85℃。因此,每個傳感器都有動態補償公式,用于在各種條件下提供準確的傳感器測量。

ADIS16505提供了一種簡化且經濟高效的方法,用于將精確的多軸慣性檢測技術集成到工業系統中,尤其是在與離散設計所涉及的復雜性和投資進行比較時,更具有更佳的優勢。所有必要的運動檢測和校準均已在工廠生產過程中完成,大大縮短了系統集成時間。在導航系統中,緊密的正交對準簡化了慣性坐標系對準。兼容串行外設接口(SPI)和寄存器結構設有一個簡單接口可進行數據通信,用于數據收集和配置控制。

ADIS16505的三軸數字陀螺儀具有支持±125°/sec、±500°/sec、±2000°/sec的動態范圍型號,運行偏置穩定性為2.3°/hr(ADIS16505-1),x軸和y軸角度隨機游走為0.13°/√hr,1 σ(ADIS16505-1),軸間錯位誤差為±0.25°,支持的三軸數字加速計的動態范圍為±78.4 m/sec2,具有26.5 μm/sec2的運行偏置穩定性(x軸和y軸),支持三軸的角度增量和速度增量輸出,并可編程操作和控制,進行自動和手動偏置校正控制,可用于同步數據采集的數據就緒指示器,支持直接、縮放和輸出的外部同步模式,內部傳感器與閃存可按需自檢,采用3.0 V至3.6 V的單電源供電(VDD),具有14,700 m/sec2的機械沖擊生存能力,可在?40℃至+105℃的工作溫度范圍運作。

ADIS16505采用100球的球柵陣列(BGA)封裝,尺寸約為15 mm × 15 mm × 5 mm,可應用于導航、穩定和儀器儀表、無人和自動駕駛車輛、智能農業和建筑機械、工廠/工業自動化、機器人、虛擬/增強現實與運動物聯網。

分線板與評估套件加速開發流程

為了加速客戶的產品開發流程,ADI也推出各種評估套件,包括ADIS16505-x/PCBZ分線板,可提供了一種在每個ADIS16505-xBMLZ IMU模型和嵌入式處理器平臺之間,建立原型連接的便捷方法。每個ADIS16505-x/PCBZ分線板也可連接到EVAL-ADIS2評估系統的J1上。

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ADIS16505-x/PCBZ分線板的尺寸僅有33.25mm x 30.75mm,具有方便的16針(2x8)、2mm間距的連接器,每個角落上都有直徑2.3毫米的安裝孔(4個角落),共有三種型號,可對應不同的IMU模型。

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另外ADI還推出EVAL-ADIS-FX3評估板,這是iSensor評估產品系列的最新成員,其設計初衷是為了給用戶提供易于使用的解決方案,以在實驗室和表征環境中捕獲可靠的慣性數據。EVAL-ADIS-FX3具有以最大吞吐量捕獲慣性傳感器數據的功能,同時與外部測試設備連接,并對外部觸發信號做出反應。

除了推出這個可重新設計的硬件平臺之外,ADI還開發了強大的API,可幫助用戶快速構建可捕獲可靠傳感器數據的自定義應用程序。此外,在API中還囊括了許多有用的功能,使設計人員能夠在任何.NET兼容環境中表征傳感器的性能。

EVAL-ADIS-FX3評估板可以全采樣率對IMU進行實時采樣,保證不會丟失數據,且無需外部電源,也可以通過USB端口供電,具有完全開源的API、固件和評估GUI,可提供原理圖,API包括用于連接MATLAB、Python、LabView的包裝庫。該評估板可應用于慣性檢測、機器人、自主駕駛、平臺穩定性等領域。

結語

慣性傳感器可廣泛應用在各種定位與導航應用,隨著成本降低、精度提高,市場需求也隨之水漲船高。ADI提供了經過工廠校準的MEMS IMU,具有高精度、高集成度的特性,并提供完整的開發與評估套件,可加快產品的開發流程,將是相關應用的最佳選擇之一。

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