Akselerometrai ir giroskopai: judesio jutiklis, kalibravimas ir našumas

Akselerometrai ir giroskopai yra judesio jutikliai, matuojantys judesį ir orientaciją. Akselerometrai nustato tiesią liniją ir gravitaciją, o giroskopai nustato sukimosi greitį. Naudojant kartu, jie tiksliau ir stabiliau apibūdina judesį. Šiame straipsnyje paaiškinama, kaip šie jutikliai veikia, jų vidinis dizainas, duomenų išvestis, klaidos, kalibravimas ir kaip jie derinami, pateikiant informacijos šia tema.

Akselerometrų ir giroskopų apžvalga

Akselerometrai ir giroskopai yra judesio jutikliai, naudojami judesiui ir orientacijai matuoti. Akselerometrai nustato linijinį pagreitį, įskaitant greičio ir krypties pokyčius tiesiuose keliuose. Giroskopai matuoja kampinį greitį, apibūdindami, kaip greitai objektas sukasi aplink ašį.

Kartu šie jutikliai suteikia išsamų judesio vaizdą, suporuodami linijinio judesio duomenis su sukimosi elgesiu, pagerindami orientacijos tikslumą ir judesio stabilumą.

Akselerometro matavimai judesio jutime

Akselerometrai matuoja pagreičio jėgas, veikiančias objektą laikui bėgant. Šios jėgos apima judesiu pagrįstą pagreitį ir pastovų gravitacinį pagreitį. Kadangi gravitacija visada yra, akselerometrai taip pat gali nustatyti pasvirimą ir pagrindinę orientaciją.

Greitis ir padėtis gaunami matematiškai integruojant pagreičio duomenis laikui bėgant. Šio proceso metu kaupiasi nedidelės matavimo klaidos, apribojančios akselerometrus trumpalaikiu judesio sekimu ir orientacijos nuoroda, o ne tiksliu ilgalaikiu padėties nustatymu.

MEMS akselerometrų vidinis darbas

Dauguma šiuolaikinių akselerometrų yra pagaminti naudojant MEMS technologiją. Prietaiso viduje mikroskopinė masė yra pakabinta lanksčiomis konstrukcijomis. Kai įvyksta pagreitis, ši masė šiek tiek pasislenka iš ramybės padėties.

Judėjimas keičia elektrinę talpą tarp vidinių elementų. Šis pokytis paverčiamas elektriniu signalu, proporcingu pagreičiui. MEMS konstrukcija užtikrina kompaktišką dydį, mažas energijos sąnaudas ir tiesioginę integraciją su giroskopais judesio jutimo sistemose.

Giroskopo sukimosi matavimas judesio jutime

Giroskopas matuoja sukimosi judesį, jausdamas, kaip greitai kažkas sukasi aplink ašį. Jis praneša kampinį greitį, o ne tikslų kampą ar kryptį. Norint rasti orientaciją, šie sukimosi duomenys turi būti apskaičiuojami laikui bėgant, o tai leidžia sistemai sekti krypties pokyčius.

Giroskopai puikiai tinka greitam ir sklandžiam sukimosi judesiui aptikti. Per ilgesnį laiką gali kauptis nedideli signalo poslinkiai. Dėl tokio elgesio giroskopai yra suporuoti su akselerometrais, todėl sukimosi duomenis galima subalansuoti su judesio ir orientacijos jutimu.

Koriolio efektas MEMS giroskopuose

MEMS giroskopai matuoja sukimąsi naudodami fizinį efektą, vadinamą Koriolio efektu. Jutiklio viduje labai maža konstrukcija vibruoja pastoviu greičiu. Kai vyksta sukimasis, šią vibraciją į šoną stumia papildoma jėga, atsirandanti dėl judesio.

Judėjimas į šoną yra tiesiogiai susijęs su sukimosi greičiu. Prietaiso viduje esantys jutikliai aptinka šį judesį ir paverčia jį elektriniu signalu. Šis signalas atspindi kampinį greitį ir veikia kartu su akselerometro duomenimis, kad apibūdintų judėjimą ir orientaciją.

Jutiklio ašys ir orientacija judesio sekime

• Akselerometrai ir giroskopai gali matuoti judesį išilgai vienos ašies, dviejų ašių arba trijų ašių

• Trijų ašių jutikliai aptinka judėjimą ir sukimąsi X, Y ir Z kryptimis

• Ašių kryptis apibrėžia jutiklio vidinė struktūra, o ne išorinė forma

• Neteisingas ašies atvaizdavimas lemia neteisingus judesio ir sukimosi rodmenis

Duomenų išvestis ir sąsajos akselerometruose ir giroskopuose

Akselerometrų ir giroskopų veikimo specifikacijos

Jutiklių sintezė naudojant akselerometrus ir giroskopus

Akselerometrai ir giroskopai geriausiai veikia, kai naudojami kartu. Akselerometras pateikia pastovią nuorodą, pagrįstą gravitacija ir linijiniu judesiu, o giroskopas sklandžiai seka sukimąsi ir greitai reaguoja į pokyčius. Kiekvienas jutiklis matuoja skirtingą judesio dalį ir kiekvienas turi ribas, kai naudojamas atskirai.

Kai jų signalai yra sujungti, vieno jutiklio stipriosios pusės padeda sumažinti kito silpnybes. Šis procesas pagerina stabilumą ir laikui bėgant išlaiko tikslią judesio ir orientacijos informaciją.

Akselerometrų ir giroskopų testavimas ir trikčių šalinimas

Išvada

Akselerometrai matuoja linijinį judesį ir gravitaciją, o giroskopai seka sukimąsi laikui bėgant. Kiekvienas jutiklis turi ribas, įskaitant triukšmą, šališkumą ir temperatūros poveikį. Teisingas ašių išlyginimas, tinkamas kalibravimas ir jutiklių suliejimas padeda sumažinti klaidų skaičių. Suprantami ir pritaikomi kartu, šie jutikliai užtikrina patikimus judesio ir orientacijos matavimus.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

Ką kontroliuoja akselerometrų ir giroskopų mėginių ėmimo dažnis?

Jis kontroliuoja, kaip dažnai matuojami judesio duomenys. Maži dažniai praleidžia greitą judesį, o labai dideli dažniai prideda triukšmo ir papildomos duomenų apkrovos.

Koks yra judesio jutiklių dinaminis diapazonas?

Dinaminis diapazonas yra nuo mažiausio iki didžiausio judesio, kurį jutiklis gali tiksliai išmatuoti. Siauras diapazonas sukelia iškirpimą arba mažų judesio detalių praradimą.

Ar svarbi jutiklio tvirtinimo vieta?

Taip. Prastas išdėstymas ar mechaninis įtempimas gali iškraipyti rodmenis ir pridėti klaidingą judesį.

Kodėl svarbus ilgalaikis stabilumas?

Laikui bėgant matavimai išlieka nuoseklūs. Nedideli išvesties pokyčiai gali lėtai sumažinti tikslumą.

Kaip maitinimo kokybė veikia jutiklio išvestį?

Nestabili galia padidina signalo triukšmą ir šuolius. Švari energija pagerina tikslumą.

Kokie išoriniai veiksniai turi įtakos judesio jutiklio veikimui?

Drėgmė, vibracija, mechaninis įtempimas ir elektromagnetiniai trukdžiai gali pakeisti jutiklio rodmenis.