Нещодавно дізнався про те, що фірма STMicroelectronics анонсувала трехосевой гіроскоп A3G4250D, що задовольняє жорсткого стандарту для автомобільного застосування (AEC-Q100). Обіцяна вартість $ 6 при замовленнях від 1000 шт. Клас ціни зрозумілий. Захотілося порівняти паспортні характеристики цього датчика з маститими моделями від Analog Devices Inc. і інших виробників. Поки розбирався з даташіта з'ясував, що набір паспортних характеристик ADI і STM, наприклад, неоднаковий. Попутно вирішив з'ясувати за якими все-таки папугам варто порівнювати датчики, тобто що є найбільш серйозною проблемою мікромеханіки. В результаті набрався матеріал для поста, а може і двох. В даному буде вступна. Порівняння a la "[30 коп. Пучок] Vs. [Чавунний міст]" нажаль не вмістилося.
Про принципи роботи різних класів мікромеханічних гіроскопів і акселерометрів можна написати жодну статтю. Існує кілька відокремлених видів / класів приладів. Якщо не вдаватися в подробиці, грубо можна сказати наступним чином.
Чутливим елементом (ЧЕ) мікромеханічного гіроскопа є інерційна маса, закріплена всередині корпусу на пружинах (пружних консолях напівпровідника та ін.). Ця чутлива маса приводиться в коливальний рух по одній з осей датчика. Ця вісь є віссю збудження (вхідний віссю). З цієї осі задається робочий режим. Вимірювання ж виробляються по перпендикулярній до неї осі (вихідний). Принцип дії полягає в тому, що при обертанні корпуса навколо його вимірювальної осі (її ще називають віссю чутливості) чутливий елемент крім коливань уздовж вхідний осі починає коливатися ще й уздовж третьої, вихідний. Якщо хто знає, що таке Фігури Ліссажу. той легко зрозуміє, що ЧЕ починає описувати в просторі коло (або еліпс).
Так спрощено працює одновісний датчик. У двох і трехосевой датчиків комплекс з ЧЕ і вимірювальної системи як би обрамляється ще однією системою підвісу / вимірників. Тобто одна збірка ЧЕ / Подивись / Вимірники (хай це буде збірка для осі Х) сама є нерішучим ЧЕ для іншої збірки (напр. по ОY), яка входить в збірку для вимірювання по OZ. Можлива, напевно, і роздільна система.
Спеціаліст по мікромеханіки в тексті вище зможе знайти досить неточностей. Написано грубо і для простоти сприйняття. І написано це, щоб плавно перейти до опису однієї з найсерйозніших проблем мікромеханіки, а саме чутливість до лінійних прискорень.
В теорії коливається ЧЕ не повинен відчувати прискорень і не повинно у нього бути перехресних зв'язків (в разі дво- або трехосевой датіков) з іншими осями чутливості (ОЧ). Але внаслідок неідеального створення тривимірної структури всередині інтегральної мікросхеми центримас ЧЕ зміщуються, з'являються залишкові напруги в матеріалі, пружини мають неоднакові пружності і т.д. В результаті ЧЕ для ОХ починає реагувати на дії по OY, лінійні прискорення починають спотворювати показання гіроскопа. Тобто в вимірах з'являється приріст кутової швидкості якого насправді немає (випадковий дрейф).
Зробити виробництво ЧЕ ідеальним неможливо (або недоцільно), тому в конструкції датчиків з'являються додаткові елементи, потрібні для зменшення чутливості до згаданих паразитних впливів. В першу чергу простотою і навіть самою наявністю елементів режекции паразитних впливів якраз і відрізняються дешеві (до $ 10-15) датчики від датчиків середнього ($ 30-100) і верхнього ($ 100 +) цінових діапазонів.
В одній з хабрастатей я обговорював питання нехтує реакції недорогих гіроскопів на паразитні впливу (тут наприклад). Зрозуміло, що для статичного квадракоптера нема чого изгаляться. Але ж це лише демо-пристрій буде використовуватися в статиці. UAV повинен переміщатися, причому мати гідні динамічні характеристики. Інакше навіщо він зможе бути використаним? Для подивитися, а що там за парканом?
Про реакцію на вібрації, які мають високу інтенсивність в квадракоптерах наприклад, особливо розповідати не потрібно. Всі знають що це таке. Тому вважаю, що питання чутливості гіроскопів до прискорення і вібрацій дуже важливий для створення рухомого об'єкта з нормальною динамікою.
Похибки мікромеханічних гіроскопів
Перше, що кидається в очі розробникам в даташітах до датчиків, це так звана «стабільність нуля». Адже здається, що саме цей параметр в кінцевому підсумку визначає чутливість датчика, тобто мінімальне вхідний вплив, яке датчик відчує. Так через низьку стабільності нуля багатьох моделей ММГ, до сих пір багато хто вважає, що мікромеханічні гіроскопи (ММГ) не відчувають обертання Землі. Є моделі ММГ мають стабільність нуля трохи більше 2 ° / год (Земля, як відомо обертається зі швидкістю 15 ° / год). Але на практиці це не означає, що виміряти обертання Землі все-таки вдасться.
Як би там не було, розробник дивиться на стабільність нуля. Це зрозумілий параметр, що показує в яких межах коливатиметься нуль шкали датчика в лабораторних умовах. Однак це параметр стабільності «сферичного коня у вакуумі». В реальності заявленої стабільності не буде. Чому? Та тому, що там вказана стабільність (вірніше нестабільність) обумовлена внутрішніми джерелами похибок. В яких умовах датчик буде працювати виробник не зможе передбачити, як і викликані цими умовами девіації.
Є два підходи боротьби з похибками: апаратний і алгоритмічний (читай програмний). Другий підхід передбачає додавання в прошивку БЦЕВМ спеціальних програмних модулів для корекції помилок, викликаних паразитними процесами. І цей підхід не рекомендується як оптимальний. В першу чергу сам датчик повинен гасити шуми. Центральний мозок повинен займатися не вичищені основного сміття, а фінішною обробкою і обрахуванням високорівневих алгоритмів (навігація, стабілізація, автоматизація). Є різного роду методичні похибки. Вони легко описуються деякими формулами, ось їх легко компенсувати програмно.
До чого все це? А до того, що правильніше вибрати датчики, оптимальні з точки зору співвідношення ціни до точносних характеристиками. І тут головними параметрами вибору буде швидше за все чутливості гіроскопа до лінійного прискорення (g-чутливість) і вібрацій (g²-чутливість). Чому вони головні пояснюється нижче.
Температурний гістерезис нуля
ММГ мають похибки нуля, які варіюються в залежності від температури всередині корпусу. Для проведення термокомпенсации в ММГ вбудовані температурні датчики. Їх точність особливого значення не має, важлива лише повторюваність показань. Але з термокомпенсацією є проблема - гістерезис. Гістерезис в даному випадку - це різниця між необхідним значенням корекції для конкретної температури в двох випадках - коли прилад досягає цієї температури охолоджуючись і в разі, коли він нагрівається до тієї ж температури. Див. Графік нижче.
На цьому графіку показаний температурний гістерезис нуля для ММГ ADXRS453 при зміні температури від + 25 ° С до + 130 ° С, потім до -45 ° С і назад до + 25 ° С. Цей гистерезис має місце не залежно від того включений датчик під час коливання температури чи ні. До того ж гистерезис залежить від того, наскільки широкий діапазон зміни температур.
Ситуація складна? Ні, не дуже. У загальному випадку ММГ не повинні використовуватися для визначення кутів орієнтації при відсутності деякої зовнішньої референсной системи, яка дозволяє скинути накопичену похибка до деякого низького рівня. З тієї ж системи може бути визначений і поточне зміщення нуля. Таким чином, температурні зміщення нуля і похибка масштабного коефіцієнта при нормальному застосуванні досить ефективно можуть компенсуватися (нехай і з точністю до деякої малої, ненульовий величини).
Похибки через вібрації
Якщо дрифт постійний і завжди в одну сторону - це всього лише говорить про неправильну калібрування 0. В MultiWii 0 гир калибруется при кожному включенні, але неідеально (округляється до цілого), якщо ввести хоча б десяту стає набагато краще. Але в даному застосуванні гіроскопа, навіть відчутний дрейф не страшний, так як є референсна орієнтація (компасс і акселерометр) по якій він виправляється.
Але виявляється дрейф через чутливість до прискорення залежить від частоти з якою це прискорення змінюється. Нижче представлені графіки залежності вихідного сигналу ММГ CRG20-01 (в штучних поставках у вигляді demo-board обійдеться, якщо не помиляюся, в районі $ 100-150 з доставкою) від частоти зміни прикладеного прискорення.
На графіку видно, що від амплітуди прискорення похибка не залежить. А ось від частоти залежність є. І просто так цю похибка не скомпенсіруешь (велика варіація і складна крива зміни чутливості). Компенсувати g²-чутливість, якщо вона постійна, нескладно. Але знову ж таки не всі виробники в даташітах вказують графіки для цього параметра. Розробнику часто доводиться самому експериментально будувати ці графіки. І часто це робиться в польових умовах на вже запущених в експлуатацію приладах.
Ще одна засада з корекцією по акселерометр - узгодження фаз. У загальному випадку власні частоти акселерометра і гіроскопа не збігаються, та й частотні характеристики взагалі. Тому при різних частотах вібрацій ММА і ММГ видаватимуть різні зміщення по фазі вихідного сигналу щодо вібрацій на вході. В кінцевому підсумку корекція по акселерометру може збільшити! похибка замість її гасіння. Станеться це, якщо різниця між зміщеннями по фазі ММА і ММГ буде наближатися до значення 3,14 радіан (180 градусів).
У підсумку, тому що чутливість до вібрацій і прискорень сильно варіюється навіть в рамках однієї моделі датчика або вона занадто велика, виробник її просто не вказує. Правда слід зауважити, насправді досить важко протестувати датчики на чутливість до вібрацій. Проблеми носять як технічний, так і методологічний характер.
Для зниження чутливості до вібрацій можна, звичайно кріпити датчики через гумовий ізолятор. Але зробити так, щоб цей підвіс мав рівномірний розподіл характеристик для широкого діапазону частот, та ще й не міняв їх при старінні дуже складно.
Нижче представлено порівняння похибок через чутливість до прискорення і вібрацій, коли не використовується g-компенсація (в гр / сек).
А в наступній таблиці представлені похибки, які залишаються навіть після введення g-компенсації (в гр / сек).
Як бачимо навіть при введенні g-компенсації похибка від чутливості до прискорення все одно може бути більше похибки від температурної нестабільності нуля (див. Графік гистерезиса вище).
Написане вище говорить про те, що не завжди найочевидніший параметр точності є і головним критерієм вибору датчиків. «Під свічок завжди темно», - говорить народна мудрість. Те, що недостатньо чітко описано в даташіте або взагалі не вказано може зіграти вирішальну роль в успішності проекту. Можна акцентувати увагу на стабільності нуля і дисперсії шумів, але ж їх можна перемогти нескладними алгоритмами (усереднювати в часі або з використанням надлишкових вимірювальних блоків). Зате похибка від вібрацій, як ми побачили вище на прикладі CRG20-01, може виявитися важким описати в алгоритмі. Довгий час стабільність нуля є золотим стандартом вибору ММГ. Однак на практиці більший вплив на точність може надати чутливість до прискорення і вібрацій.
висновок
Хотів зробити пост, що містить дві частини - 1) Обгрунтування вибору критерію порівняння і 2) Порівняння по ТТХ моделей від Analog Devices Inc. Silicon Sensing, Sensonor і STMicroelectronics. Однак і так вийшло «многабукв». Якщо буде цікаво, постараюся незабаром порівняти з даташіта датчики згаданих фірм з роз'ясненням про фізичному сенсі основних характеристик.
UPD: виправлені деякі помилки і граматичні помилки.