Инерциальные модули европейских производителей на базе МЭМС-датчиков. Обзор новинок
Продукция компании Xsens Technologies (Нидерланды)
Компания Xsens традиционно сильна в создании и внедрении алгоритмов и программного обеспечения для обработки информации с датчиков, входящих в состав инерциальных модулей. Примером тому служат решения в области захвата движения тела человека, используемые как для индустрии кино и развлечений, так и для биомеханики. Не отстает и подразделение индустриальных продуктов, недавно пополнившее ряды инерциальных модулей новой топовой моделью MTi-G-710 с поддержкой ГЛОНАСС и новой линейкой миниатюрных недорогих модулей MTi 1-й серии.
Все модули, выпускаемые сегодня компанией, относятся к последнему, 4-му поколению (табл. 1-6), их архитектура предоставляет возможность пользователю самостоятельно обновлять прошивки для расширения функционала либо создавать свои программные блоки для взаимодействия с модулями на основе бесплатно предлагаемых производителем фрагментов исходного кода. Модули MTi представлены тремя сериями (1-й, 10-й и 100-й), отличающимися друг от друга типами гироскопов, акселерометров, магнетометров. Наиболее точной и в то же время дорогой является 100-я серия, но не стоит забывать, что каждая из них занимает свою нишу. Последней, например, была выпущена 1-я серия — недорогая и менее точная, чем 10-я и 100-я, но, по заявлению производителя, лучшая в своем классе по цене и характеристикам.
Крен/Тангаж | Курс | Алгоритмы обработки | Координаты и скорость | ||||
Статическая | Динамическая | ||||||
тип. | max | тип. | max | тип. | гориз.; верт.; скор. | ||
MTi 1-series | |||||||
MTi-1 IMU | — | — | — | — | — | — | — |
MTi-2 VRU | 0,75° | — | 1° | — | Свободная в азимуте | XKF | — |
MTi-3 АHRS | 0,75° | — | 1° | — | 2° | XKF | — |
MTi 10-series | |||||||
MTi-10 IMU | — | — | — | — | — | — | — |
MTi-20 VRU | 0,2° | 0,4° | 0,5° | 2° | Свободная в азимуте | XKF | — |
MTi-30 АHRS | 0,2° | 0,4° | 0,5° | 2° | 1° | XKF | — |
MTi 100-series | |||||||
MTi-100 IMU | — | — | — | — | — | — | — |
MTi-200 VRU | 0,2° | 0,25° | 0,3° | 1° | Свободная в азимуте | XEE | — |
MTi-300 АHRS | 0,2° | 0,25° | 0,3° | 1° | 1° | XEE | — |
MTi-G-700/710 GPS, GLONASS/INS | 0,2° | 0,25° | 0,3° | 1° | 1° | XEE | 1 м (1σ); 2 м (1σ); 0,1 м/с (1σ) |
IMU — инерциальный модуль. VRU — гирогоризонт. AHRS — курсовертикаль.
MTi 1-series | MTi 10-series | MTi 100-series | |
Входное напряжение, В | 2,16-3,45 | 4,5-34 или 3,3 | 4,5-34 или 3,3 |
Потребляемая мощность, мВт | 44 (при 3 В) | 480-570 | 675-950 |
Время готовности, с | — | 1,3 | 2,5 |
Класс защиты IP | — | IP67 (корпусированный) | IP67 (корпусированный) |
Диапазон рабочих температур, °С | -40…+85 | -40…+85 | -40…+85 |
Вибрация и удары | — | MIL STD 202/2000g | MIL STD 202/2000g |
Материал корпуса | — | Анодированный алюминий | Анодированный алюминий |
Частота дискретизации, кГц/канал | — | 10 | 10 |
Частота выдачи информации, Гц | до 100 | до 400 | до 400 |
Запаздывание, мс | — | <2 | <2 |
Интерфейсы | I2C/SPI/UART | RS-232/422/485/UART/USB | RS-232/422/485/UART/USB |
GPIO и опции | SyncIn, SyncOut, 2×GPIO, Clock sync | SyncIn, SyncOut, 2×GPIO, Clock sync | |
Протоколы | Xbus | XBus или NMEA | XBus или NMEA |
MTi 1-series | MTi 10-series | MTi 100-series | ||||||||
Гироскопы | Акселерометры | Гироскопы | Акселерометры | Гироскопы | Акселерометры | |||||
тип.* | тип.* | тип.* | max | тип.* | max | тип.* | max | тип.* | max | |
Диапазон измерений** (стандартный) | 2000°/с | 160 м/с2 | 450°/с | — | 50 м/с2 | — | 450°/с | — | 50 м/с2 | — |
Повторяемость смещения нуля (1 год) | 0,5°/с | — | 0,2°/с | 0,5°/с | 0,03 м/с2 | 0,05 м/с2 | 0,2°/с | 0,5°/с | 0,03 м/с2 | 0,05 м/с2 |
Стабильность нуля в запуске | 10°/ч | 100 мкg | 18°/ч | — | 40 мкg | — | 10°/ч | — | 40 мкg | — |
Полоса пропускания (3 дБ) | 180 Гц | 180 Гц | 415 Гц | — | 375 Гц | — | 415 Гц | — | 375 Гц | — |
Плотность шума | 0,01°/с/√Гц | 200 мкg/√Гц | 0,03°/с/√Гц | 0,05°/с/√Гц | 80 мкg/√Гц | 150 мкg/√Гц | 0,01°/с/√Гц | 0,015°/с/√Гц | 80 мкg/√Гц | 150 мкg/√Гц |
Погрешность от g (с калибровкой) | 0,001°/с/g | — | 0,006°/с/g | 0,02°/с/g | — | — | 0,003°/с/g | 0,015°/с/g | — | — |
Неортогональность | 0,05° | 0,05° | 0,05° | — | 0,05° | — | 0,05° | — | 0,05° | — |
Нелинейность (от полного диапазона) | 0,1% | 0,5% | 0,03% | 0,1% | 0,03% | 0,5% | 0,01% | — | 0,03% | 0,5% |
* Типовые значения при температуре +25 °C.
** Возможны нестандартные диапазоны, по запросу.
MTi 1-series | MTi 10-series | MTi 100-series | |||||
Магнетометр | Магнетометр | Магнетометр | Барометр | ||||
тип.* | тип.* | max | тип.* | max | тип.* | max | |
Диапазон измерений (стандартный) | ±190 мкТл | — | ±80 мкТл | — | ±80 мкТл | — | 300-1100 гПа |
Плотность шума | 200 мкГс/√Гц | 200 мкГс/√Гц | — | 200 мкГс/√Гц | — | 0,01 гПа/√Гц | — |
Нелинейность (от полного диапазона) | 0,1% | 0,1% | — | 0,1% | — | — | — |
* Типовые значения при температуре +25 °C.
MTi-G-700 GPS | MTi-G-710 GNSS | |
Тип приемника | 50 каналов, GPS L1, C/A code |
72 канала, GPS/QZSS L1 C/A, GLONASS L10F, BeiDou B1 |
Датум | WGS84 | WGS84 |
Частота обновления | 4 Гц | 4 Гц |
Погрешность определения координат: — в горизонте SPS (CEP) — в горизонте SBAS (CEP) — по высоте SPS |
2,5 м 2 м 5 м |
2,5 м – 5 м |
Погрешность по скорости | 0,1 м/с (при 30 м/с) | 0,05 м/с |
Время готовности (холодный старт) | 27 с | 26 с (GPS+GLONASS) |
MTi 10/100-series | MTi 1-series | MTi-G | Отладочный набор MTi | |
---|---|---|---|---|
57×42×23,5 мм, 52 г | 12,1×12,1×2,55 мм | 57×42×23,5 мм, 55 г | ||
Разъем пуш-пулл 9-контактный |
Под пайку | Разъем пуш-пулл 9-контактный |
Состав: модуль MTi, антенна (для MTi-G), USB-кабель CA-MP2-MTI, флэшка с ПО, чемодан |
Каждая из серий включает три варианта модулей, различающихся по функциональности. MTi-1/10/100 — инерциальные модули (IMU), содержащие три гироскопа и три акселерометра, выдающие калиброванные данные об угловых скоростях и ускорениях. MTi-2/20/200 — гирогоризонты (VRU), включающие то же, что и инерциальные модули MTi-1/10/100, а также навигационные алгоритмы обработки, позволяющие получить информацию об угловых положениях объекта в углах крена, тангажа и рыскания. MTi-3/30/300 — курсовертикали (AHRS), включающие то же, что и гирогоризонты MTi-2/20/200, а также магнитометры для коррекции угла по курсу. Дополнительно в 100-ю серию входят модули MTi-G-700/710 — это, по сути, модуль MTi-300, дополнительно оснащенный барометром и приемником сигналов спутниковой навигационной системы (СНС), что позволяет получить комплексированную с СНС систему, определяющую не только углы ориентации объекта, но и его координаты.
В течение всего времени существования инерциальных модулей, для поддержки пользователей и разработчиков систем управления движением, компания Xsens выпускает и постоянно обновляет программный пакет MT Software Suite, последняя версия которого появилась летом 2016 года. Из основных программных блоков в составе пакета можно отметить:
- MT Manager — программу для конфигурирования и управления модулями MTi, а также для записи данных.
- MT SDK — комплект средств для разработки собственного ПО, содержащий следующие компоненты:
— XsensDeviceApi.dll (XDA) — библиотеку динамической компоновки DLL языка C;
— исходные файлы XDA — преобразователь для языков C и C++;
— пример исходного кода для MATLAB, DLL C, DLL C++ и данных типа shared object. - Magnetic Field Mapper executable (GUI) and MFM SDK — исполняемый модуль (графический пользовательский интерфейс) и программный отладочный набор для калибровки встроенного электронного компаса.
- Firmware Updater — универсальную программу обновления прошивки для всех моделей инерциальных модулей Xsens.
Продукция компании Sensonor (Норвегия)
Sensonor — уникальная компания, имя которой известно всем, кто занимается разработкой систем на базе МЭМС-датчиков и кому требуется высокая точность. Несмотря на одну из самых маленьких продуктовых линеек, каждый из продуктов Sensonor — это шедевр, и благодаря этому компания имеет сильные позиции на рынке высокоточных инерциальных модулей, что подтверждается использованием модулей в изделиях, например, таких фирм, как NovAtel Inc. и LiDAR USA.
На данный момент компания Sensonor предлагает три варианта модулей: STIM202 и STIM210 — трехосные гироскопы на базе собственных МЭМС-датчиков, а также STIM300 — инерциальный модуль, включающий три гироскопа, три акселерометра и три инклинометра (табл. 7-9). Если взглянуть на историю создания модулей, то первым в линейке STIM был создан STIM202. Его отличает наличие механического демпфера внутри, что позволяет использовать его в жестких условиях вибрационных и ударных нагрузок. Следующим в линейке появился STIM210 — в нем разработчики отказались от демпфера, механически связав компоненты прибора с его корпусом. Это значительно улучшило теплоотвод и, как следствие, температурные характеристики. Последний в линейке — STIM300, построенный на базе STIM210; он также содержит три акселерометра, три инклинометра и дополнительные алгоритмы компенсации погрешностей. Несмотря на отсутствие часто появляющихся новинок в виде очередных модулей, следует обратить внимание на усилия Sensonor, направленные на усовершенствование существующих модулей STIM. Компания постоянно работает как над алгоритмической частью своих продуктов, так и над конструктивной. Например, при выпуске новой версии D (Rev. D) модуля STIM300 в ней было реализовано важное новшество — наличие программно-управляемой компенсации погрешностей от линейных ускорений для гироскопов GYRO G-COMP. В результате удалось уменьшить зависимость нулевого сигнала гироскопа от линейного ускорения с 15 до 1 °/ч/g и масштабного коэффициента с 400 ppm/g до 30 ppm/g.
min | ном. | max | |
Общие | |||
Масса, г | 55 | ||
Диапазон рабочих температур, °С | -40 | +85 | |
Напряжение питания, В | 4,5 | 5 | 5,5 |
Потребляемый ток, мА | 300 | ||
Время готовности, с | 0,3 | ||
Частота дискретизации, С/с | 2000 | ||
Удар (в любом направлении), g | 1500 | ||
Скорость передачи по RS-422, Мбит/с | 1,84 | ||
Несоосность, мрад | 1 | ||
Гироскоп | |||
Диапазон измерения, °/с | ±400* | ||
Разрешающая способность, °/ч | 0,22 | ||
Нестабильность нулевого сигнала, °/ч | 0,5 | ||
Случайный угловой уход (ARW), °/√ч | 0,15 | ||
ТКИ нулевого сигнала, °/ч с.к.з. | ±10 | ||
Погрешность МК, ppm | ±500 | ||
Акселерометр | |||
Диапазон измерения, g | ±10* | ||
Разрешающая способность, мкg | 1,9 | ||
Нестабильность нулевого сигнала, мg | 0,05 | ||
Случайный уход по скорости (VRW), м/с/√ч | 0,07 | ||
ТКИ нулевого сигнала, мg с.к.з. | ±2 | ||
Погрешность МК, ppm | ±300 | ||
Инклинометр | |||
Диапазон измерения, g | ±1,7 | ||
Разрешающая способность, мкg | 0,2 | ||
Погрешность МК, ppm | ±500 |
ТКИ — температурный коэффициент изменения.
МК — масштабный коэффициент.
* Возможны альтернативные диапазоны (±800°/с; ±5g, ±30g, ±80g).
STIM210 | STIM202 | |||||
min | ном. | max | min | ном. | max | |
Масса, г | 52 | 55 | ||||
Диапазон измерения, °/с | ±400* | ±400* | ||||
Разрешающая способность, бит | 24 | 24 | ||||
Диапазон рабочих температур, °С | -40 | +85 | -40 | +85 | ||
Напряжение питания, В | 4,5 | 5 | 5,5 | 4,5 | 5 | 5,5 |
Потребляемый ток, мА | 300 | 300 | ||||
Время готовности, С | 1 | 10 | ||||
Частота дискретизации, С/с | 2000 | 1000 | ||||
Удар, g | 1500 | 1500 | ||||
Нестабильность нулевого сигнала, °/ч | 0,5 | 0,5 | ||||
Случайный угловой уход (ARW), | 0,15 | 0,2 | ||||
ТКИ нулевого сигнала, °/ч с.к.з. | ±10 | ±30 | ||||
Полоса пропускания (3 дБ), Гц | 262 | 262 | ||||
Нелинейность**, ppm | 50 | 200 | ||||
Погрешность МК, ppm | 500 | 2000 | ||||
Скорость передачи по RS-422, Мбит/с | 1,84 | 0,88 | ||||
Погрешность от g, °/ч/g | 10 | 18 | ||||
Коэффициент вибрационной ошибки, °/ч/g2 с.к.з. | 0,1 | 0,1 |
ТКИ — температурный коэффициент изменения. МК — масштабный коэффициент.
* Возможны альтернативные диапазоны. ** От полного диапазона.
STIM300 | STIM210 | STIM202 | Отладочные средства |
---|---|---|---|
38,6×44,8×21,5 мм | 38,6×44,8×21,5 мм | 38,6×44,8×20 мм | |
Разъем Micro-D 15-контактный |
Разъем Micro-D 15-контактный |
Разъем Nicomatic CMM220 10-контактный |
Вариант отладочного комплекта для подключения по USB |
В качестве дополнения, повышающего удобство работы с модулями, предлагается отладочный набор в виде универсального кабеля со встроенным преобразователем интерфейса для подключения STIM210 и STIM300 к USB-порту переносного компьютера. Этот набор предоставляет разработчикам возможность пользоваться еще одним важным преимуществом — самостоятельно менять параметры и настройки для каждой из осей модуля, например настройки фильтров, скорость передачи, формат вывода и т. д.
Продукция компании Silicon Sensing (Великобритания)
Первое, что заставляет восхищаться компанией Silicon Sensing, — это ее более чем столетняя история, начавшаяся еще с компании Sperry Gyroscope Co., и колоссальный опыт, что сегодня говорит о надежности и уверенности. Важным достоинством компании является и то, что производство инерциальных модулей полностью находится в руках Silicon Sensing, начиная от разработки самих гироскопов и акселерометров и заканчивая калибровкой готового инерциального модуля. Для клиентов это означает уверенность в качестве продукта, отсутствие перебоев в поставках и минимальные цены. Помимо данных преимуществ, такой контроль над разработкой и производством позволяет быстро и просто адаптировать продукцию к изменяющимся рыночным условиям и легко внедрять самые последние разработки по акселерометрам и гироскопам в инерциальные модули. Примером тому служит последняя новинка компании Silicon Sensing — анонсированный минувшим летом инерциальный модуль DMU11 (табл. 10), последователь уже завоевавшего большую популярность в мире инерциального модуля DMU10. Не секрет, что оба модуля построены на базе трех миниатюрных модулей CMS300/390, каждый из них включает один гироскоп и два акселерометра. Кстати, их можно купить как отдельные продукты из линейки компании Silicon Sensing. Модули DMU10 и DMU11 имеют схожие характеристики, но DMU11 более компактен и предназначен для массовых применений, где критичны размеры компонентов.
DMU10-0x без калибровки |
DMU10-2x с калибровкой по температуре |
DMU11 | DMU30 | |
Гироскопы | ||||
Диапазон измерений | ±300°/с | ±300°/с | ±200°/с | |
Изменение МК в температурном диапазоне | ±1,5% | ±0,1% | ±0,1% | ±100ppm |
Нелинейность МК | ±0,05% | ±0,033% | ±0,033% | ±100ppm |
Дрейф нуля в температурном диапазоне | ±1,65°/с | ±0,25°/с | ±0,25°/с | ±20°/ч |
Шум (с.к.з. в полосе 100 Гц) | 0,1°/с | 0,1°/с | 0,15°/с | |
Нестабильность нулевого сигнала | <15°/ч | — | <0,2°/ч | |
Случайный угловой уход (ARW) | <0,4°/√ч | — | <0,02°/√ч | |
Акселерометры | ||||
Диапазон измерений | ±10g | ±10g | ±10g | |
Изменение МК в температурном диапазоне | ±1% | ±0,1% | ±0,1% | ±100ppm |
Нелинейность МК | ±0,5% (±8g) | ±0,5% (±8g) | ±100 ppm (±10g) | |
Дрейф нуля в температурном диапазоне | ±50 мg | ±2,5 мg | ±2,5 мg | ±1,5 мg |
Шум (с.к.з. в полосе 100 Гц) | 1 мg | 1 мg | 1 мg | |
Нестабильность нулевого сигнала | <0,05 мg | — | <0,03 мg | |
Случайный уход по скорости (VRW) | <0,05 м/с/√ч | — | <0,05 м/с/√ч | |
Несоосность | ||||
В диапазоне температур | 3% | 0,35% | 1,75% | ±0,35% |
Датчик температуры | ||||
Диапазон измерений | -40…+ 100 °C | |||
Погрешность измерения в рабочем диапазоне | ±3 °C | |||
Эксплуатационные характеристики | ||||
Диапазон рабочих температур | -40…+85 °C | |||
Время готовности | <0,5 с | <0,5 с | <1 с | |
Потребляемый ток/мощность | 85 мА | 85 мА | <3 Вт | |
Напряжение питания | 3,2-5,25 В | 3,2-5,25 В | 4,75-36 В |
МК — масштабный коэффициент.
Другая новинка 2016-го — инерциальный модуль DMU30. Достаточно взглянуть лишь на уровни нестабильности нулевых сигналов и случайного ухода по углу (ARW) и по скорости (VRW), составляющие для гироскопов 0,2°/ч и 0,02°/√ч и для акселерометров 30 мкg и 0,05 м/с/√ч соответственно, чтобы понять: данный продукт относится к разряду высокоточных модулей на базе МЭМС. И это неудивительно, ведь DMU30 построен на основе шести акселерометров и шести гироскопов собственного производства. Таким образом, на каждую ось приходится два акселерометра и два гироскопа, причем в случае гироскопов это комбинация из одного недорогого миниатюрного с открытым контуром и одного высокоточного с закрытым контуром. Подобное решение с двумя разными гироскопами по каждой из осей обладает рядом преимуществ. Путем калибровки каждого гироскопа и синтеза выходных сигналов можно получить высокую чувствительность на малых диапазонах измерения до 200°/с и одновременно большой диапазон измерений до 500°/с и выше. В случае акселерометров избыточность измерительных осей можно использовать для устранения синфазных ошибок, а значит, и для увеличения точности модуля и снижения шумов. В качестве примера достижимых точностей инерциального модуля DMU30 можно привести его способность определять истинное направление на север с точностью 0,5° за период времени, равный 10 мин.
- Бекмачев А. Е. Инерциальные МЭМС-датчики и модули европейских производителей. Обзор новинок // Электроника НТБ. 2014. № 2.
- Уитли Э., Кларк С., Пономарев Ю. А. Инерциальные модули на базе МЭМС для построения морских систем ориентации и навигации следующего поколения // Компоненты и технологии. 2016. № 9.