Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2016 №12

Инерциальные модули европейских производителей на базе МЭМС-датчиков. Обзор новинок

Пономарев Юрий


Обзор посвящен новинкам и популярным продуктам в области инерциальных измерительных модулей, используемых для решения задач навигации, стабилизации и управления движением.

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.

Таблица 1. Технические характеристики инерциальных модулей MTi

Крен/ТангажКурсАлгоритмы обработкиКоординаты и скорость
СтатическаяДинамическая
тип. max тип. max тип. гориз.; верт.; скор.
MTi 1-series
MTi-1 IMU - - - - - - -
MTi-2 VRU 0,75° - - Свободная в азимуте XKF -
MTi-3 АHRS 0,75° - - XKF -
MTi 10-series
MTi-10 IMU - - - - - - -
MTi-20 VRU 0,2° 0,4° 0,5° Свободная в азимуте XKF -
MTi-30 АHRS 0,2° 0,4° 0,5° XKF -
MTi 100-series
MTi-100 IMU - - - - - - -
MTi-200 VRU 0,2° 0,25° 0,3° Свободная в азимуте XEE -
MTi-300 АHRS 0,2° 0,25° 0,3° XEE -
MTi-G-700/710 GPS, GLONASS/INS 0,2° 0,25° 0,3° XEE 1 м (1σ); 2 м (1σ); 0,1 м/с (1σ)

IMU — инерциальный модуль. VRU — гирогоризонт. AHRS — курсовертикаль.

Таблица 2. Эксплуатационные характеристики инерциальных модулей MTi

  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

Таблица 3. Технические характеристики гироскопов и акселерометров в составе инерциальных модулей MTi

MTi 1-seriesMTi 10-seriesMTi 100-series
Гироскопы Акселерометры ГироскопыАкселерометрыГироскопыАкселерометры
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.



Таблица 4. Технические характеристики магнитометров в составе инерциальных модулей MTi

MTi 1-series MTi 10-seriesMTi 100-series
Магнетометр МагнетометрМагнетометрБарометр
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.



Таблица 5. Технические характеристики приемников в составе инерциальных модулей MTi

  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)


Таблица 6. Габариты и внешний вид инерциальных модулей MTi

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.

Таблица 7. Технические характеристики инерциального модуля STIM300

  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).



Таблица 8. Технические характеристики модулей STIM210/202

 STIM210STIM202
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.



Таблица 9. Габариты и внешний вид модулей STIM

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.

Таблица 10. Основные характеристики инерциальных модулей компании Silicon Sensing

  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°/с0,1°/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 мg1 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 мА85 мА <3 Вт
Напряжение питания 3,2-5,25 В3,2-5,25 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.

Литература

  1. Бекмачев А. Е. Инерциальные МЭМС-датчики и модули европейских производителей. Обзор новинок // Электроника НТБ. 2014. № 2.
  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.
-->

Сообщить об ошибке