CC BY
152
MEMS-СЕНСОРЫ ОРИЕНТАЦИИ И ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ
Геннадий Александрович Сырецкий
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры наносистем и оптотехники, тел. 8-913-897-35-87, e-mail: sga-2002@mail.ru
В статье рассмотрены принципы построения и важные характеристики современных MEMS-сенсоров ориентации параметров движения.
Ключевые слова: MEMS, цифровой компас, цифровой гироскоп и акселерометр. MEMS-SENSORS OF ORIENTATION AND OF MOVEMENT PARAMETERS
Gennady A. Syreckiy
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Parchomenko, Novosibirsk, 630108, senior teacher, department of nanosystems and optotechnik, tel. 8-913-896-35-87, e-mail: sga-2002@mail.ru
In article describes the principles of construction and the important characteristics modern MEMS-sensors of orientation and of movement parameters.
Key words: MEMS, digital compass, digital gyroscope and accelerometer sensor.
Ныне для создания разнообразных миниатюрных датчиков используются технологии микроэлектромеханических систем — систем, представляющих собой взаимоувязанное объединение микромеханических и микроэлектронных компонентов (Micro Electro Mechanical System, MEMS) на одном кремниевом кристалле, в корпусе одной микросхемы. Различают не только MEMS, но и 3D-MEMS технологии производства компонентов таких систем. Причем, в настоящее время в корпусе одной микросхемы могут содержаться два и более 3осевых датчиков различных физических величин. Для датчиков, созданных по указанным технологиям, характерно низкое собственное энергопотребление.
MEMS-сенсоры, производимые множеством зарубежных компаний, находят широкое применение в приборах и автоматизированных системах различного назначения, используемых как в промышленности, так и в изделиях военного и гражданского назначения. Например, ими оснащаются автономные транспортные средства, мобильные домашние роботы, смартфоны Apple iPhone 4, электроэнцефалографические гарнитуры компании Emotiv Systems и сегвеи. Они применяются и в моделях устройств, конструируемых на базе робототехнических образовательных наборов (http://laurensvalk.com/nxt-2_0-only/anyway; http://legolab.daimi.au.dk/DigitalControl.dir/NXT/Sensors.html).
Данная статья посвящена краткому изложению принципов действия и важных характеристик таких типов MEMS-сенсоров, как цифровой компас, гироскоп и акселерометр.
Цифровой компас. Компас, как известно, предназначен для ориентации на местности и задания курса движения объекта по земной поверхности относительно четырех сторон горизонта.
Первичным измерительным преобразователем компаса служат, чаще всего, четыре магниторезистора (например, микросхема HMC52L 216), соединенных в мостовую схему. У магниторезисторов резисторов сопротивление меняется в зависимости от индукции внешнего магнитного поля. Обработка измерительных сигналов, снимаемых с диагонали моста, осуществляется встроенным либо внешним микроконтроллером (например, PIC16F677 компании Microchip). Посредством такого компаса можно определять не только азимут, но и измерять индукцию внешнего магнитного поля.
На рис. 1 показан внешний вид цифрового двухосного компаса HiTechnic Compass Sensor, компоненты конструкции и ось отсчета азимута.
Рис. 1. Цифровой компас HiTechnic Compass Sensor
а — внешний вид; б — отсчет азимута; в — компоненты датчика
Точность измерения направления в диапазоне от 00 до 3590 составляет 10. Передача данных, организуемая микроконтроллером PIC16F677 датчика, происходит по цифровому протоколу связи I C. Результаты измерений обновляются с частотой 100 раз в секунду. Цифровой компас может работать в одном из двух программно задаваемых режимов: режим измерения
(абсолютного либо относительного); режим калибровки. В режиме калибровки (выполнения встроенной функции) вычисляется и сохраняется в компасе корректирующее смещение, т.е. компас с определенной погрешностью компенсирует влияния аномалий магнитного поля, вызванных внешним окружением датчика (например, электромоторами, аккумуляторными батареями и металлическими конструкциями).
Цифровой гироскоп. Гироскопы используются для стабилизации направления движения, измерения поворотной скорости и угла наклона тела в инерциальном пространстве.
Важнейшими техническими характеристиками современных гироскопов являются следующие: диапазон угловых скоростей, град/с; чувствительность, град/с; нелинейность масштабного коэффициента, %FS(full-scale); максимальный выходной сигнал, В; время запуска, с; полоса пропускания, Гц; ударопрочность, g/мс; виброустойчивость, g, RMS (gravity root mean square,
среднеквадратичное значение вибрационного ускорения (СКО), оцениваемое в единицах ускорения свободного падения); напряжение питания, В.
Основой конструкции традиционного гироскопа
(http://en.wikipedia.org/wiki/Gyroscope) служит карданов подвес с размещенным внутри его вращающимся телом. Карданов подвес позволяет закрепленному внутри его вращающемуся телу (например, диску) сохранять неизменное направление оси вращения независимо от ориентации самого подвеса и при отсутствии воздействия на неё моментов внешних сил.
Как известно, при вращении тел могут возникать прецессия, нутация и сила Кориолиса. На использовании эффекта Кориолиса строится множество MEMS гироскопов.
На рис. 2. приведены примеры механических резонаторов MEMS-гироскопов, возбуждаемых извне и реагирующих на Кориолиса (поворотное) ускорение. Управление и измерение колебаний чувствительного элемента (ЧЭ) осуществляется обычно с помощью электростатической системы. Емкостные датчики системы позволяют измерить высокочастотные угловые колебания ЧЭ по обобщенным координатам. Угловые колебания возбуждаются с помощью создаваемого электростатическим приводом момента М. Рис. 3 поясняет принципы работы некоторых гироскопов с одной осью.
Lir
Рис. 2. Примеры конструкций механических резонаторов MEMS-сенсоров углов: а — простой балочный (одиночной струны) осциллятор; б — сбалансированный мост;
в — цилиндрическая оболочка
В основе обработки измерительных сигналов современных гироскопов лежит математический аппарат аналитической механики (обычно на основе углов Эйлера) или кватернионов, посредством которых устраняется эффект Карданова подвеса и достигается простота вычисления направляющих косинусов.
Рис. 3. ЧЭ одноосевого гироскопа
а — с чувствительной массой и емкостными преобразователями; б — камертонного типа
Так, пересчет координат точки тела (хЬ’Уь>2ь ), определенной в навигационной (опорной, неподвижной) системе координат, к координатам в связанной СК(хЪ'Уъ‘2ъ), осуществляется по формуле
Для выполнения обратного преобразования координат предназначена транспонированная матрица = где
cii
Сп = c
cb c21
c,
12
c
ci
13
22 23
cc
"31 32 '-'33
— матрица проекций ортов системы декартовой координат (СК) тела на направляющие оси неподвижной СК.
Данная матрица выражается следующим образом
а) Через углы Эйлера:
eos i¡> cos р cos i¡> sin p sin y — sin ip eos y eos ip sin p eos y + sin \¡) sin y sin ф eos p ifj eos ф eos y + sin ф sin p sin y ~ sin ф sin y + sin ф sin p eos y ;
б) Через компоненты кватерниона
9 = ^о^1,92^9ъ\=9о -1 + ^i - ¡ + ^2 • j + ^з -к-
1-2q\- 2q¡ 2 q2 + qQ q3) 2 q3 - qQ q2)
2(q1q2-q0q3) l-2q\-2q\ 2 (q2 q3 + q0 q^
2 (<?! q3 + % Я2) 2 [q2 q3 - q0 <h) 1 - 2q\ - 2q\
В динамическом режиме трехосный гироскоп измеряет угловые скорости 6>(t) = [fc>x^ ЫуШ u)z(t)]T вокруг осей подвижной Ск Угловая скорость вращения вектора вычисляется с учетом
q
á
b = 1/2
с
d
a -b -c -d" " 0 "
b с a d -d a c -b шх Шу Ш2 = 1/2
d -c b a
0
-ш
шу
-Ш„
0
-ш
-ш.
y
-ш
Шх
0
-ш
Шх
ШУ
Ш;
0
a
b
c
d
На рис. 4 приведена конструкция микросхемы 3-х осевого гироскопического MEMS-датчика L3G4200D компании STMicroelectronics и его функциональная схема.
Работа вращающегося гироскопа основана на периодическом движении в горизонтальной плоскости четырех чувствительных масс М1, М2, М3 и М4. Под действием сил Кариолиса происходит их отклонение от прямолинейного движения, фиксируемое в позициях Y, Р и R микросхемы. В позициях изменение положения масс фиксируется емкостными датчиками, расположенными над позициями. Приращение емкости каждого датчика преобразуется вначале в напряжение, которое пропорционально прикладываемой к датчику угловой скорости, а затем — в 16-битный код, сохраняемый во внутренних регистрах ASIC-процессора.
Рис. 4. MEMS-гироскоп L3G4200D в корпусе LGA (Land Grid Array)
а — вид сверху; б — вид основания ; в — функциональная схема
Акселерометр. Он является устройством для измерения наклона, изменений положения объекта (например, при ускорении 1..^), линейных и вращательных свободных падений (^), перегрузок, вибраций и ударов.
Главная часть акселерометра — датчик скорости. Основой большинства, таких датчиков служит емкостной чувствительный элемент, представляющий собой микромеханическую систему, которая сформирована на поверхности кремниевой подложки. ЧЭ состоит из центральной пластины, закрепленной при помощи упругих элементов, и трех неподвижных пластин (две основные и одна нужна для реализации функции самотестирования). В совокупности образуется дифференциальная емкость. Центральная пластина обладает чувствительной массой и может смещаться под действием ускорения, изменяя тем самым свое
положение относительно неподвижных пластин. Это приводит к изменению емкости микроконденсатора. Подвижная пластина находится в среднем положении при отсутствии ускорения.
Примером 3-осевого аналогового акселерометра служит энергоэкономичный чип LIS344ALH от компании STMicroelectronics. Инерциальный датчик включает в себя емкостной ЧЭ и блок обработки сигнала. Измерения производятся LIS344ALH в одном из двух программно задаваемых диапазонов: ±2g/±6g. Наделен функцией самотестирования. Напряжение питания чипа: 2,4 В...3,6. Температурный диапазон: -40°С...+85°С.
© Г.А. Сырецкий, 2012
