Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2011 №9

Применение прецизионных MEMS-датчиков в новых навигационных приложениях

Скэннелл Боб (Scannell Bob)


Понятие «навигация» обычно ассоциируется с автомобилями, самолетами и кораблями. Однако в промышленности и медицине точная навигация все чаще применяется для решения различных задач: от управления заводским оборудованием и хирургическими роботами до сопровождения систем быстрого реагирования. Существует множество подходов к определению положения, направления и параметров движения для наводящего, управляющего и сопровождающего оборудования. Сегодня во многих приложениях стало стандартным применение сигналов глобальной системы позиционирования (Global Positioning System, GPS). Однако для навигации внутри помещения и решения навигационных задач в сложной обстановке с меняющимися окружающими условиями одной лишь системы GPS недостаточно.

В таких ситуациях для оптимизации возможностей системы по определению реального положения при аномальном характере движения можно использовать комбинацию различных типов датчиков. Возможность отдельно взятого датчика решать отдельно взятую навигационную проблему зависит не только от характеристик самого датчика, но и от уникальных параметров динамики системы. Как и в любой сложной проблеме проектирования, процесс разработки необходимо начинать с исследования целей и ограничений конечного приложения. Это позволит расставить критические показатели системы в порядке приоритета и получить примерное представление о необходимых датчиках. И наконец, последний этап проектирования заключается в реальной оптимизации путем аккуратной интеграции датчика в систему, точного аналогового преобразования сигнала и его обработки.

Понимание проблемы навигации

Давайте начнем рассмотрение проблемы с аналогии: допустим, вы находитесь на работе и хотите выпить чашку кофе, для чего вам необходимо пройти путь до кофейного автомата. Если вы там уже были, то в вашем мозгу есть маршрут, но чтобы добраться до места назначения, вы по ходу движения полагаетесь на различные чувства, включая зрение, слух, чувство равновесия и даже, вероятно, осязание. Ваш собственный персональный процессор объединяет информацию от этих разнородных источников, а также осуществляет некоторое подобие встраиваемого распознавания образов. Если это рабочий день, то вы можете сделать остановку и запросить данные (направление) от внешнего источника. В ходе этого процесса необходимо, чтобы ваши личные датчики были не только точны по отдельности, но и хорошо работали совместно, отбрасывали информацию, способную вводить в заблуждение (то есть запах кофе, доносящийся со стола соседа), и дополняли друг друга. Таким образом, для достижения конечного пункта назначения вы используете те же методы, которые применяются разработчиками навигационных систем для транспортных средств, хирургических инструментов и робототехники.

В промышленности аналогами ваших чувств являются различные методы измерения, ни один из которых не способен в одиночку решать подавляющее большинство реальных задач. Так, система GPS подвержена ошибкам, которые возникают из-за блокирования приема сигнала от спутников препятствиями и приводят либо к снижению точности, либо к уменьшению частоты обновления данных. Еще один стандартный источник информации навигационных систем, магнетометр, требует беспрепятственного доступа к магнитному полю Земли. В общем случае это требование выполняется, однако в промышленных условиях существует множество мешающих полей, воздействие которых, в лучшем случае, приводит к периодическому снижению надежности показаний магнетометра. Оптические датчики подвержены влиянию препятствий, находящихся на линии прямой видимости. В свою очередь, инерциальные датчики свободны от влияния всех перечисленных типов помех, однако имеют собственные ограничения, например отсутствие абсолютной точки отсчета (информация о направлении на север). Сравнение достоинств и недостатков основных типов навигационных датчиков дано в таблице.

Таблица. Достоинства и ограничения датчиков

Тип датчика Основное достоинство Потенциальные ограничения
GPS Долговременная абсолютная точка отсчета Возможные блокирующие препятствия
Магнитный Не требует инфраструктуры (за исключением Земли) Подвержен воздействию помех
Оптический Интуитивно понятный принцип действия Требует прямой видимости
Инерциальный Самодостаточный Относительная (не абсолютная) точка отсчета

Выбор датчика и обработка его сигналов

За исключением самых простых проблем, в большинстве случаев для обеспечения требуемых точности и показателей системы в любых условиях используется информация сразу от нескольких типов датчиков. Инерциальные датчики, такие как акселерометры и гироскопы, выполненные в виде микроминиатюрных электромеханических систем (Micro-Electro Mechanical System, MEMS), потенциально могут полностью компенсировать недостатки датчиков любых иных типов, поскольку они не подвержены влиянию многих видов помех и не требуют внешней инфраструктуры (спутников, магнитного поля, камеры…). Все, что им необходимо, — это просто инерция движения.

Инерциальные MEMS-датчики очень надежны (подтверждено 20-летним опытом их применения в автомобильной промышленности) и коммерчески привлекательны благодаря низкому энергопотреблению, малым габаритам и стоимости, что демонстрируется их успешной эксплуатацией в мобильных телефонах и электронных играх. В то же время характеристики выпускаемых компонентов сильно различаются, и, например, компоненты, подходящие для электронных игр, не способны решать задачи там, где требуется повышенное качество. Так, в промышленных и медицинских навигационных задачах, как правило, необходим уровень показателей на порядок выше, чем тот, что обеспечивают MEMS-датчики, которые применяются в бытовых устройствах.

В большинстве случаев движение устройства имеет относительно сложный характер (более чем по одной оси), что обуславливает потребность в полнофункциональных инерциальных измерительных модулях (Inertial Measurement Unit, IMU). В подобных модулях может быть интегрировано измерение инерциального движения с шестью степенями свободы: три степени свободы линейного движения и три степени свободы вращательного движения (рис. 1).

Инерциальный измерительный модуль

Рис. 1. Инерциальный измерительный модуль для сбора параметров движения со сложным, многоосевым характером

Примером такого модуля может служить модуль IMU iSensor ADIS16334 компании Analog Devices, он обладает степенью интеграции и уровнем характеристик, которые необходимы для большинства задач промышленной навигации. При этом он имеет компактный форм-фактор, что желательно для многих промышленных инструментов и средств передвижения (рис. 2). Во многих случаях в модуле может быть также интегрировано четыре или более дополнительных степеней свободы, включая три оси измерения магнитного поля и одну ось измерения давления (высоты).

Устройство измерения параметров движения

Рис. 2. Устройство измерения параметров движения с шестью степенями свободы в виде модуля с габаритами корпуса 11×22×33 мм

Как уже отмечалось ранее, любой тип датчика имеет свои ограничения. Если эти ограничения препятствуют достижению требуемого уровня характеристик в системе, то помимо использования в системе нескольких разнородных датчиков может также понадобиться применение методов компенсации. Модуль инерциального измерения выдает высокий уровень стабильности показаний датчиков линейного и вращательного движения, которые компенсированы с учетом влияния таких факторов, как:

  • температурный дрейф и дрейф напряжения;
  • смещение, чувствительность и нелинейность;
  • вибрация;
  • рассогласование взаимного положения осей X, Y и Z.

Инерциальные датчики могут обладать различной степенью дрейфа в зависимости от их качества, и для коррекции этого дрейфа в некоторые моменты времени также может использоваться приемник GPS или магнетометр. Основной проблемой в задаче навигации, помимо грамотного проектирования датчика, является определение, показания какого из датчиков использовать и когда. Опыт успешного применения инерциальных гироскопов и MEMS-акселерометров доказал, что они могут служить хорошим дополнением при проектировании полнофункциональной измерительной системы.

Проектирование с использованием инерциальных MEMS-датчиков

В промышленных и медицинских условиях при нахождении внутри помещения, где прием сигналов GPS невозможен, а механические и электронные приборы порождают магнитные помехи, разработчики должны использовать менее традиционные подходы к задаче управления механизмами. Много новых приложений, например при решении задачи по навигации хирургических приборов, также требуют значительно большей точности, чем, к примеру, автомобильная навигация. Во всех этих случаях одним из решений может быть инерциальная навигация, которая способна обеспечить сопровождение на основании расчета траектории, которое необходимо для поддержания точности при блокировании прямой видимости или проявлении других помех, негативно сказывающихся на неинерциальных датчиках.

На рис. 3 изображена обобщенная структурная схема инерциальной навигационной системы (Inertial Navigation System, INS), которую можно применять для навигации чего угодно — от автомобиля или самолета до хирургических инструментов. Модель INS включает в себя фильтр Калмана, который впервые был использован в миссиях космического корабля «Аполлон» на Луне, а сегодня широко распространен в петлях фазовой автоподстройки систем мобильной связи. Он обеспечивает механизм совмещения показаний от нескольких хороших, но неидеальных датчиков, и дает наилучшие оценки положения, направления и общей динамики движения.

Инерциальная навигационная система

Рис. 3. Инерциальная навигационная система с совмещением показаний от разнородных датчиков при помощи фильтра Калмана

В хирургии инерциальная навигационная система может быть использована в качестве вспомогательного средства навигации при совмещении искусственных суставов в области колена или бедра, с учетом индивидуальных особенностей пациента.

Помимо более точного совмещения, дающего наиболее комфортные ощущения и сокращающего длительность операции и степень хирургического вмешательства, правильно подобранные датчики могут также помочь компенсировать эффекты от усталости и тремора рук. В последние годы в дополнение к чисто механическому совмещению применяется оптическое выравнивание, однако, как и в случае с блокировкой сигналов GPS в автомобильной навигации, в операционной комнате существуют потенциальные преграды на линии прямой видимости, которые ограничивают точность оптического датчика. Хирургический инструмент со вспомогательной функцией инерциальной навигации может дополнять или даже заменять оптическое наведение, поскольку он может работать не только в условиях прямой видимости. Такой инструмент также может обладать преимуществами с точки зрения габаритов, стоимости и возможностей автоматизации.

Несмотря на то, что базовые принципы решения навигационной проблемы в различных приложениях в значительной степени пересекаются, необходимо хорошо понимать специфику проектируемой системы. Специфические условия работы в конечном счете определяют выбор подходящих типов датчиков, а также общее качество системы.

Одновременно с устойчивой потребностью рынка в миниатюрных, малопотребляющих, многоосевых инерциальных датчиках для бытовой техники многие производители датчиков уделяют особое внимание обеспечению повышенной точности своих продуктов при любых условиях. Подобные прецизионные, устойчивые к условиям окружающей среды датчики создают предпосылки к возможности применения инерциальных MEMS-датчиков в промышленных, измерительных и медицинских системах.

Литература

  1. http://www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/MS-2151.pdf

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке