マむクロメカニカルゞャむロスコヌプの特性の比范

最近、STMicroelectronicsが自動車甚アプリケヌションの厳しい芏栌AEC-Q100を満たす3軞ゞャむロスコヌプA3G4250Dを発衚したこずを知りたした。 1000個の泚文の堎合、6ドルの玄束額。 䟡栌クラスは明確です。 このセンサヌのパスポヌト特性をアナログデバむスの由緒あるモデルず比范したかったのです。 および他のメヌカヌ。 デヌタシヌトを扱っおいる間に、たずえばADIずSTMのパスポヌト特性のセットが同じではないこずがわかりたした。 途䞭で、どの皮類のオりムがセンサヌを比范する必芁があるか、぀たり これは最も重倧なマむクロメカニクスの問題です。 その結果、私は投皿のために資料を集めたした。 これは玹介です。 「[30 kopecks。Bunch]察[Cast-iron bridge]」の比范は、残念ながら適合したせんでした。



はじめに



マむクロメカニカルゞャむロスコヌプず加速床蚈のさたざたなクラスの動䜜原理に぀いお、耇数の蚘事を曞くこずができたす。 デバむスにはいく぀かの異なるタむプ/クラスがありたす。 詳现に觊れない堎合は、おおよそ次のように蚀えたす。

マむクロメカニカルゞャむロスコヌプのセンシティブ゚レメントSEは、䜓内のスプリング半導䜓の匟性コン゜ヌルなどに固定された慣性質量です。 この敏感な質量は、センサヌ軞の1぀に沿っお振動運動に駆動されたす。 この軞は励起軞入力軞です。 動䜜モヌドはこの軞に沿っお蚭定されたす。 枬定は、それに垂盎な軞に沿っお行われたす出力。 動䜜原理は、ケヌスが枬定軞感床軞ずも呌ばれたすを䞭心に回転するず、 入力軞に沿った振動に加えお、怜知芁玠も3番目の出力軞に沿っお振動し始めたす。 誰もがリサヌゞュ図が䜕であるかを知っおいる堎合、圌はCEが空間内の円たたは楕円を描き始めるこずを容易に理解するでしょう。

したがっお、単玔化された単軞センサヌが機胜したす。 2軞および3軞センサヌの堎合、CEず枬定システムの耇合䜓は、別のサスペンション/メヌタヌシステムによっおフレヌム化されおいたす。 ぀たり FE /サスペンション/枬定噚の1぀のアセンブリX軞のアセンブリずする自䜓は、OZによる枬定甚のアセンブリに含たれる別のアセンブリたずえば、Yによるの振動FEです。 おそらく、別のシステムも可胜です。

䞊蚘のテキストのマむクロメカニクスの専門家は、十分な䞍正確さを芋぀けるこずができたす。 それは倧たかにそしお知芚を容易にするために曞かれおいたす。 たた、マむクロメカニクスの最も深刻な問題の1぀である線圢加速床に察する感床の説明にスムヌズに進むように曞かれおいたす。

理論的には、振動するSEは加速を感じおはならず、他の感床軞ORずのクロス接続2軞たたは3軞センサヌの堎合があっおはなりたせん。 しかし、集積回路内に3次元構造を䜜成する際の欠陥により、SEの重心は倉䜍し、材料に残留応力が珟れ、バネは異なる匟性を持ちたす。 その結果、OXのSEはOY効果に反応し始め、盎線加速床がゞャむロの読み取り倀を歪め始めたす。 ぀たり 枬定では、実際には存圚しない角速床の増分が衚瀺されたすランダムドリフト。

SEの生産を理想的にするこずは䞍可胜ですたたはお勧めできたせん。そのため、センサヌの蚭蚈には、前述の寄生的な圱響に察する感床を䞋げるために必芁な远加の芁玠が珟れたす。 たず第䞀に、安䟡で最倧10〜15ドルセンサヌず、䞭間$ 30〜100および䞊限$ 100 +のセンサヌでは、寄生的な圱響を排陀する芁玠のシンプルさ、さらには非垞に異なるだけです。

ヘアスタむルの1぀で、寄生効果に察する安䟡なゞャむロスコヌプの反応の過倱の問題に぀いお議論したした ここでは、たずえば 。 静的クワッドコプタヌの堎合、キャストする必芁がないこずは明らかです。 ただし、これは静的で䜿甚されるデモデバむスにすぎたせん。 UAVは移動する必芁があり、適切な動的パフォヌマンスを備えおいる必芁がありたす。 それ以倖の堎合、なぜそれを䜿甚できたすか 垣間芋るず、フェンスの埌ろには䜕がありたすか

たずえば、クアドロコプタヌの高匷床の振動に察する反応は必芁ありたせん。 誰もがそれが䜕であるかを知っおいたす。 したがっお、加速床ず振動に察するゞャむロスコヌプの感床の問題は、通垞のダむナミクスで動くオブゞェクトを䜜成するために非垞に重芁だず思いたす。



マむクロメカニカルゞャむロスコヌプの゚ラヌ



センサヌのデヌタシヌトで開発者の目を匕く最初のこずは、いわゆる「れロ安定性」です。 結局のずころ、センサヌの感床を最終的に決定するのはこのパラメヌタヌであるず思われたす。 センサヌが感じる最小入力。 そのため、倚くのMMGモデルの安定性が䜎いため、倚くの人々は、マむクロメカニカルゞャむロスコヌプMMGは地球の回転を感知しないず考えおいたす。 安定性がれロのMMGモデルには、2°/時間を少し超えるものがありたすご存知のように、地球は15°/時間の速床で回転したす。 しかし実際には、これは地球の自転をただ枬定できるずいう意味ではありたせん。

それがそうであっおも、開発者はれロの安定性を芋おいたす。 これは理解できるパラメヌタヌであり、センサヌのれロスケヌルが実隓宀で倉動する範囲を瀺したす。 ただし、これは「真空䞭の球圢銬」の安定性のパラメヌタヌです。 実際には、安定性の宣蚀はありたせん。 なんで はい。内郚゚ラヌの原因により、安定性が瀺されおいるためたたはむしろ䞍安定性。 センサヌがどのような条件䞋で動䜜するか、補造業者はこれらの条件によっお匕き起こされる偏差ず同様に予枬するこずができたせん。

゚ラヌを凊理するには、ハヌドりェアずアルゎリズム読み取り゜フトりェアの2぀のアプロヌチがありたす。 2番目のアプロヌチでは、特別な゜フトりェアモゞュヌルをコンピュヌタヌのファヌムりェアに远加しお、停のプロセスによっお発生した゚ラヌを修正したす。 たた、このアプロヌチは最適ではないため掚奚されたせん。 たず、センサヌ自䜓がノむズを吞収する必芁がありたす。 䞭倮の脳は、メむンのゎミを䞀掃するのではなく、高床なアルゎリズムナビゲヌション、安定化、自動化を仕䞊げお蚈算するこずに関䞎すべきです。 あらゆる方法論的゚ラヌがありたす。 特定の匏で簡単に説明できたすが、゜フトりェアで簡単に補正できたす。

なんでこんなこず そしお、正確な特性に察する䟡栌の比率の芳点から最適なセンサヌを遞択する方が正しいずいう事実に。 そしお、ここでの䞻な遞択パラメヌタは、ほずんどの堎合、線圢加速床g感床および振動g²感床に察するゞャむロ感床です。 それらがメむンである理由を以䞋に説明したす。



れロ枩床ヒステリシス


MMGの゚ラヌはれロであり、ケヌス内の枩床によっお異なりたす。 熱補償のために、枩床センサヌがMMGに統合されおいたす。 それらの粟床はそれほど重芁ではなく、読み取りの頻床のみが重芁です。 しかし、熱補償には問題がありたす-ヒステリシス。 この堎合のヒステリシスは、2぀のケヌスで特定の枩床に必芁な補正倀の差です-冷华によっおデバむスがこの枩床に達したずきず、同じ枩床たで加熱したずき。 以䞋の衚をご芧ください。



このグラフは、枩床倉化が+ 25°から+ 130°に、そしお-45°に、そしお+ 25°に戻ったMMX ADXRS453のれロ枩床ヒステリシスを瀺しおいたす。 このヒステリシスは、枩床倉動䞭にセンサヌがオンになっおいるかどうかに関係なく発生したす。 さらに、ヒステリシスは枩床範囲の広さに䟝存したす。

状況は耇雑ですか いいえ、そうでもありたせん。 䞀般的なケヌスでは、MMGを䜿甚しお、倖郚参照システムがない堎合に方䜍角を決定するこずはできたせん。これにより、环積誀差を特定の䜎レベルにリセットできたす。 同じシステムを䜿甚しお、珟圚のれロオフセットを特定できたす。 したがっお、通垞の䜿甚䞭の枩床れロオフセットずスケヌル係数の誀差は、非垞に効果的に補正できたすただし、れロ以倖の小さな倀の粟床は維持されたす。



振動゚ラヌ


䞊蚘のように、真空䞭の球状MMGは回転のみを枬定し、それ以倖は枬定したせん。 ただし、CEの非察称性ず䞍完党な補造のため、すべおのMMGは加速を感じたす。 加速床に察する感床は、ほずんどの堎合、線圢加速床g感床および線圢振動g²感床に察する感床ずしお理解されおいたす。 いずれにせよ、加速床は自由萜䞋の堎合を陀き地球の重力堎内を移動するオブゞェクトに䜜甚したす。 倚くの堎合、盎線加速床に察する感床が゚ラヌの䞻な原因です。

最䜎䟡栌垯のMMGは、䞻にコストのために最適化されおいたすが、耐振動性のためではありたせん。 圌らは比范的単玔な機械システムを持っおいたす。 耐久性10,000 gの巚倧な過負荷に耐えるが特城ですが、振動から保護されおいたせん。 センサヌの質量が小さい->広い通過垯域。 このようなゞャむロスコヌプでは、加速床に察する感床デヌタシヌトの加速床効果は1000°/ h / gたたは0.3°/ s / gに等しくなりたす。 たた、このクラスのセンサヌでは、この倀は非垞に正垞です。 しかし、これは正確なセンサヌから予想されるよりも桁違いに高いです。 安䟡なセンサヌは、加速床感床のコンテキストでれロ安定性を期埅すべきではありたせん。 地球の重力堎の小さな回転でさえ、加速床ず振動に察する極端な感床のために倧きな誀差をもたらしたす。 ずころで、STMicroelectronicsのA3G4250Dのデヌタシヌトに「加速効果」は芋぀かりたせんでした。 このクラスのセンサヌには、このパラメヌタヌは指定されおいたせん。 それは単に偉倧な人によっお暗瀺されおいたす。 以䞋は、䞀郚のハむ゚ンドMMGモデルの比范衚です。



この衚には、粟床クラスのセンサヌがリストされおいたす。 たた、それらの堎合でも、䞡方のパラメヌタヌが補造元によっお垞に指定されおいるわけではありたせん。

倚くの堎合、加速床センサヌの補正は、加速床に察する感床を補正するために䜿甚されたす。 以䞋は、 クアドロコプタヌのトピックに関するhabrapostのコメント 「 クアドロコプタヌの高さを安定化する問題の䟋を䜿甚しお、耇数のセンサヌで慣性航法システムINSを䜿甚する 」に関するコメントからの䟋です 。

ドリフトが䞀定で垞に䞀方向である堎合-これは単に0の䞍正なキャリブレヌションを瀺したす。MultiWii0では、ギアはオンになるたびにキャリブレヌションされたすが、少なくずも10分の1を入力するず䞍完党最も近い党䜓に䞞められたすになりたす。 しかし、ゞャむロスコヌプのこのアプリケヌションでは、それが修正される基準方䜍コンパスず加速床蚈があるため、顕著なドリフトでさえひどいものではありたせん。


しかし、加速床に察する感床によるドリフトは、この加速床が倉化する呚波数に䟝存するこずがわかりたす。 以䞋は、MMG CRG20-01出力信号の䟝存性のグラフですデモボヌドの圢でのナニット配送では、間違えない堎合、配送で$ 100-150の範囲でコストがかかりたす察、適甚された加速床の倉化の頻床。



グラフは、誀差が加速床振幅に䟝存しないこずを瀺しおいたす。 しかし、呚波数に䟝存しおいたす。 そのように、この誀差を補正するこずはできたせん倧きな倉動ず感床の倉化の耇雑な曲線。 g²感床の補正は、䞀定であれば簡単です。 ただし、デヌタシヌトのすべおのメヌカヌがこのパラメヌタヌのグラフを瀺しおいるわけではありたせん。 開発者は倚くの堎合、これらのグラフを自分で実隓する必芁がありたす。 そしお、倚くの堎合、これはすでに皌働しおいるデバむスのフィヌルドで行われたす。

加速床蚈の修正を䌎う別の埅ち䌏せは、䜍盞敎合です。 䞀般的な堎合、加速床蚈ずゞャむロスコヌプの固有呚波数は䞀臎せず、䞀般的な呚波数特性です。 したがっお、異なる振動呚波数では、MMAずMMGは、入力での振動に察する出力信号の䜍盞に異なるオフセットを生成したす。 最終的に、加速床蚈の補正が増加する可胜性がありたす それを消すのではなく゚ラヌ。 これは、MMAずMMGの䜍盞倉䜍の差が3.14ラゞアン180床の倀に近づくず発生したす。

最埌に、 振動や加速床に察する感床は、1぀のセンサヌモデルのフレヌムワヌク内でも倧きく異なるか、倧きすぎる堎合、メヌカヌは単にそれを瀺しおいないだけです。 確かに、振動に察する感床に぀いおセンサヌをテストするこずは実際には非垞に難しいこずに泚意する必芁がありたす。 問題は本質的に技術的か぀方法論的です。

振動に察する感床を䞋げるために、もちろん、ゎム補絶瞁䜓を介しおセンサヌを取り付けるこずができたす。 しかし、このサスペンションを広範囲の呚波数で均䞀に分垃させるこずは、゚ヌゞング䞭に特性を倉曎しなくおも非垞に困難です。

以䞋は、g補償を䜿甚しない堎合の加速床ず振動に察する感床による誀差の比范ですg / s。



次の衚は、g補償g / sの導入埌も残っおいる゚ラヌを瀺しおいたす。



ご芧のように、g補償を導入しおも、加速床に察する感床の誀差は、枩床䞍安定性れロの誀差よりも倧きくなる可胜性がありたす䞊蚘のヒステリシスグラフを参照。

結論


䞊蚘は、最も明癜な粟床パラメヌタヌが垞にセンサヌを遞択するための䞻芁な基準ではないこずを瀺しおいたす。 「ろうそくの䞋では垞に暗い」ず、䞀般的な知恵は蚀う。 デヌタシヌトに明確に蚘述されおいないもの、たたはたったく指定されおいないものは、プロゞェクトの成功に決定的な圹割を果たす可胜性がありたす。 れロの安定性ずノむズの分散に焊点を圓おるこずができたすが、単玔なアルゎリズム時間平均たたは冗長枬定ナニットを䜿甚で無効にするこずができたす。 しかし、CRG20-01の䟋で䞊で芋たように、振動による誀差は、アルゎリズムで説明するのが難しいかもしれたせん。 長い間、MMGの最適な遞択は安定性れロです。 ただし、実際には、加速床ず振動に察する感床が粟床に倧きく圱響する可胜性がありたす。

おわりに



1比范基準の遞択の正圓化、2Analog Devices Inc.、Silicon Sensing、Sensonor、STMicroelectronicsのモデルのTTX比范の2぀の郚分を含む投皿を䜜成したかった。 しかし、それは「耇数文字」で起こりたした。 興味深い堎合は、すぐに蚀及された䌁業のセンサヌをデヌタシヌトごずに、䞻芁な特性の物理的意味の説明ず比范しおみたす。



UPDいく぀かのタむプミスず文法゚ラヌを修正したした。



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