Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр

MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр

“Хьюстон, у нас проблемы”, — устало раздалось в мозгу, пытающемся в ночи продраться сквозь Datasheet IMU MPU-9250 от InvenSense. Когда все слова в отдельности понятны, но взаимосвязь их запутана до невозможности. Началось всё с параметра LSB, про который я только смутно помнила, что в переводе это Least Significant Bit. Дальше пошли “Resolution”, “Sensitivity”, а ещё дальше я поняла, что получающийся текст уже можно озаглавить “Datasheet для чайников”.

Немного об основных блоках инерционного модуля.

MEMS-гироскоп

MPU-9250 состоит из трёх независимых одноосных вибрационных датчиков угловой скорости (MEMS гироскопов), которые реагируют на вращение вокруг X-, Y-, Z- осей. Две подвешенные массы совершают колебания по противоположным осям. С появлением угловой скорости эффект Кориолиса вызывает изменение направления вибрации (, которое фиксируется емкостным датчиком. Измеряемая дифференциальная емкостная составляющая пропорциональна углу перемещения [Время Электроники]. Получившийся сигнал усиливается, демодулируется и фильтруется, давая в итоге напряжение, пропорциональное угловой скорости вращения. Данный сигнал оцифровывается с помощью встроенного в плату 16-битного АЦП. Скорость оцифровки (sample rate) может программно варьироваться от 3.9 до 8000 выборок в секунду (samples per second, SPS), а задаваемые пользователем фильтры низких частот (LPF) предоставляют широкий диапазон возможных частот среза. ФНЧ нужен, в том числе, чтобы убирать вибрации от моторов (как правило, выше 20-25 Гц).

Трёхосевой MEMS-акселерометр

Использует для каждой оси отдельную пробную массу, которая смещается при возникновении ускорения вдоль данной оси (фиксируются емкостными датчиками). Архитектура MPU-9250 снижает подверженность температурному дрейфу и вариациям электропараметров. При расположении устройства на плоской поверхности оно измерит 0g по X- и Y-осям и +1g по Z-оси. Масштабный коэффициент (scale factor — отношение изменения выходного сигнала к изменению выходного измеряемого сигнала) калибруется на заводе и не зависит от напряжения питания.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр Каждый сенсор снабжен индивидуальным сигма-дельта АЦП (состоит из модулятора и цифрового фильтра низких частот, подробнее про устройство в [Easyelectronics]), выходной цифровой сигнал которого имеет настраиваемый диапазон измерений.

И сразу про трёхосевой MEMS-магнетометр

Основан на высокоточной технологии эффекта Холла. Включает в себя магнитные сенсоры, определяющие напряжённость магнитного поля земли по осям, схему управления, цепь усиления сигнала и вычислительную схему для обработки сигналов с каждого датчика. Каждый АЦП имеет разрешение 16 бит, диапазон измерений . Для измерения слабых магнитных полей применяют либо единицу в системе СИ микротесла (мкТл), либо гаусс (Гс, система СГС): , [Радиолоцман]).

Итак, что такое LSB и как его посчитать? Инструкция по добыче

Допустим, наш акселерометр сейчас работает в диапазоне измерений , то есть полный размах возможных значений будет . Соответствующие им значения напряжений оцифровываются 16-битным АЦП, который может разбить весь интервал максимально на ступеней. Минимальный инкремент, который можно засечь, — это как раз одна ступенька . Тут надо помнить, что счёт ведётся с нуля, так что на самом деле максимально измеряемое значение будет . То есть, чем больше бит в цифровом слове АЦП или ЦАП, тем меньше будет расхождение. При этом чувствительность (иногда называется масштабным коэффициентом, sensitivity scale factor) датчика на конкретном диапазоне будет определяться как соотношение электрического выходного сигнала и механического воздействия. Традиционно указывается для частоты сигнала 100 Гц и температуры Для MPU-9250 чувствительность составляет ступеней на каждые g или (, ), для другого IMU, BMI088 от Bosch Sensortec, чувствительность гироскопа высчитывается так же, а для акселерометра используется ступеней на каждое g.

Варианты FS вытаскиваем из спецификации на гироскопы и, чтобы дважды не вставать, акселерометры.

FS для акселерометров я брала ещё и из документации на BMI088 (см.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр ниже).











Гироскоп, 16 битАкселерометр, 16 бит
Диапазон (FS), (dps)LSB, (dps)Диапазон (FS), gLSB, mg
(FS = 250)0,004 (FS = 4)0,06
(FS = 500)0,008 (FS = 6)0,09
(FS = 1000)0,0015 (FS = 8)0,12
(FS = 2000)0,03 (FS = 12)0,18
(FS = 4000)0,06 (FS = 16)0,24

(FS = 24)0,37

(FS = 32)0,48

(FS = 48)0,73

Всё, вроде бы, встало на свои места, можно идти дальше. В некоторых случаях (ниже, например, вырезка из документации на BMI088) отдельно указывается такой параметр, как разрешение (Resolution).

По факту, вроде бы, получается, что это должен быть LSB. Но почему тогда мы видим одно значение вместо нескольких, завязанных на конкретные диапазоны? Пришлось расширять список исследуемых источников в поисках ответов.

Что такое разрешение (Resolution)?

Минимальная величина, которую достоверно видит датчик, крайне важная при попытке соблюсти баланс между ценой и производительностью. Это не точность — сенсор с высоким разрешением может быть не особо точным, равно как и сенсор с малым разрешением в определённых областях может обладать достаточной точностью. К сожалению, LSB определяет лишь теоретическое минимально-различимое значение при условии, что мы можем использовать все 16 бит АЦП. Это разрешение в цифровом мире. В аналоговом какая-то часть ступеней будет зашумлена и число эффективных бит будет меньше.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр

Какие бывают характеристики шума и откуда что берётся?

Источники шума можно в общем разбить на электронный шум схемы, преобразующей движение в сигнал напряжения (джонсоновский тепловой шум, дробовой шум, розовый 1/f фликкер-шум и т.д.), и тепловой механический (броуновский, обусловленный наличием мелких подвижных частей) от самого сенсора. Характеристики последнего будут зависеть от резонансной частоты механической части системы (собственной частоты колебаний сенсора ).

Среднеквадратичное значение шумов во всём спектральном диапазоне — Total RMS (Root mean square) Noise

Уровни шума можно определять несколькими способами. Можно рассматривать их во временной или частотной области (после преобразования Фурье). В первом случае берут остаточный шум как среднеквадратичное значение сигналов от неподвижного датчика (по факту это стандартное отклонение для выборки при ) за некоторый промежуток времени:

Ускорения или угловые скорости вращения меньше уровня широкополосного шума будут неразличимы — вот и фактическое разрешение. Среднеквадратичное значение переменного напряжения или тока (часто называется действующим или эффективным) равно величине постоянного сигнала, действие которого произведёт такую же работу в активной (резистивной) нагрузке за время периода. Наиболее эффективен такой подход при оценке широкополосного шума, где доминирует белый шум.

Для белого шума отношение амплитуды (мгновенного пикового значения) к среднеквадратчному с вероятностью 99.9% составляет Называется такое отношение крест-фактором (crest factor, cross ratio). Можно выбрать вероятность 95.5% — крест фактор будет равен 4.

На деле же сигналы шума ведут себя не так хорошо и могут выдавать пики, увеличивающие крест-фактор до 10 раз. В некоторых спецификациях можно найти значения или сам множитель.

В узкой низкочастотной полосе 0.1-10 Гц основную роль играет фликкер-шум “1/f”, для оценки которого используют значение размаха шумового сигнала (peak-to-peak).Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр {-i n\omega t},dt = \begin{cases} \frac{1}{2}(a_n-ib_n), & n>0\\ \frac{a_0}{2}, & n=0\\ \frac{1}{2}(a_n + ib_n), & n<0 \end{cases} \end{equation}$$display$$

В общем случае эти коэффициенты представимы следующим образом:

Амплитудным и фазовым спектром называют графики зависимости и от частоты. Спектральная плотность мощности периодического сигнала даёт распределение мощности сигнала по диапазону частот:

и имеет размерность Средняя нормированная мощность действительного сигнала будет

Непериодические случайные сигналы (в частности, шум) можно описать как периодические в предельном смысле. Если стремится к бесконечности, последовательность импульсов превращается в отдельный импульс , число спектральных линий стремится к бесконечности, график спектра превращается в гладкий спектр частот Для данного предельного случая можно определить пару интегральных преобразований Фурье

и

где — Фурье-образ.

Спектральная плотность мощности случайного сигнала определяется через предел

и описывает распределение мощности сигнала в диапазоне частот.

Поскольку мы предполагаем, что среднее для белого шума датчиков в неподвижном состоянии равно нулю (), то квадрат среднеквадратического значения равен дисперсии и представляет собой полную мощность в нормированной нагрузке:

Смотрим в спецификации — там на самом деле под именем спектральной плотности указан квадратный корень из неё с соответствующей размерностью или То есть значение RMS шума без указания полосы частот, на которой он считался (Bandwidth), бессмысленно.

Чуть подробнее про выбор полосы пропускания

На выходе MEMS-датчика мы получаем сигналы разной частоты. Предполагается, что мы заранее имеем некое представление об измеряемых нами процессах. К примеру, при определении вектора ускорения дрона шумом являются вибрации аппарата. Отделить их от полезного сигнала можно с помощью фильтра низких частот, который обрежет все частоты выше указанной (к примеру, 200 Гц).Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр MPU-9250 предоставляет возможность настроить частоту среза фильтра низких частот с помощью параметра с магическим названием DLPFCFG. Расшифровывается он как Digital Low Pass Filter Configuration. Далее в спецификации там и тут всплывали не менее загадочные выражения типа (DLPFCFG = 2, 92Hz), но за расшифровкой пришлось лезть в другой документ, “Register Map and Descriptions”. Там показано, какие наборы битов в какие регистры надо записать для достижения желаемых эффектов:

Опуская технические подробности конфигурирования, можно сказать следующее. В данном датчике осуществляется настраиваемая фильтрация показаний не только акселерометров, гироскопов, но и температурного датчика. Для каждого существует в общей сложности от 7 до 10 режимов, характеризующихся такими понятиями, как полоса пропускания (Bandwidth) в Гц, задержка в мс, частота дискретизации (sampling frequency, Fs) в кГц.

В таблицу режимов фильтра акселерометра добавилась колонка «Плотность шума» в , а “Bandwidth” колонка дополнилась значением “3dB”.

Легче не стало, так что пройдёмся прямо по списку.

Наследие Древнего Рима

Частота дискретизации + децимация -АЦП = скорость обновления данных (digital output data rate, ODR)

С частотой дискретизации (она же частота семплирования) всё понятно — это количество взятых за секунду точек непрерывного по времени сигнала при его дискретизации АЦП. Измеряется в герцах.

Для того, чтобы в выборку попало значение, приближенное к пиковой амплитуде сигнала, важно брать частоту дискретизации минимум в 10 раз больше частоты полезного сигнала. MPU-9250 предлагает три варианта Fs = 32kHz, 8kHz, 1kHz.

Но это абсолютно не значит, что сигнал на выходе акселерометра или гироскопа появляется с тем же периодом.

Если взять те же дроны, тут всё упирается в борьбу за снижение энергопотребления, повышение скорости вычислений и снижение шума выходных данных. Можно понизить частоту обновления данных на выходе, позволив внутренним алгоритмам интегрировать входную информацию в течение некоторого периода времени.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр Среднеквадратичный понизится, но также сузится и полоса пропускания (датчик сможет засечь лишь те процессы, частота которых будет меньше 50% скорости обновления данных).

Тут лучше сразу вспомнить теорему Котельникова. Она обещает, что при дискретизации аналогового сигнала можно избежать потерь информации (то есть восстановить сигнал без искажений), если частота полезного сигнала будет не больше половины частоты дискретизации, называемой также частотой Найквиста. На практике классический антиалайзинговый фильтр (фильтр низких частот, уменьшающий вклад побочных частотных компонентов в выходном сигнале до пренебрежимо малых уровней — ГОСТ Р 8.714-2010) требует в большинстве случаев разницу минимум в 2.5 раза [Siemens].

Для Fs = 32kHz частота Найквиста будет 16kHz. При этом полезный сигнал вряд ли выйдет за полосу fa = 20Hz (мало кто может менять направление движения чаще 20 раз в секунду). Итого, частота дискретизации значительно превышает частоту, требуемую для сохранения информации, содержащейся в полосе fa (40Hz, в 400 раз превышает), то есть полезный сигнал избыточно дискретизирован. Полоса между частотами fa и fs-fa не содержит никакой полезной информации. Можно уменьшить частоту дискретизации (на диаграмме это сделано с коэффициентом М, [7]), проредив последовательность семплов (отсчётов). Этот процесс и называется децимацией.

Согласно спецификации на MPU-9250, акселерометры снабжены сигма-дельта АЦП. Схемы на его основе потребляют минимальную мощность. Надо отметить, что полоса пропускания у данных преобразователей весьма узкая, не превышает звукового диапазона [Easyelectronics], но для штатного квадрокоптера больше и не нужно. Состоят они из двух блоков: -модулятора и цифрового децимирующего фильтра низких частот.

Зачем объединять фильтр низких частот и децимацию?

Честная выдержка из Вики:

Если исходный сигнал не содержит частот, превышающих частоту Найквиста децимированного сигнала, то форма спектра полученного (децимированного) сигнала совпадает с низкочастотной частью спектра исходного сигнала.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр Частота дискретизации, соответствующая новой последовательности отсчётов, в N раз ниже, чем частота дискретизации исходного сигнала.

Если исходный сигнал содержит частоты, превышающие частоту Найквиста децимированного сигнала, то при децимации будет иметь место алиасинг (наложение спектров).

Таким образом, для сохранения спектра необходимо до децимации удалить из исходного сигнала частоты, превышающие частоту Найквиста децимированного сигнала. В спецификации на MPU-9250 не очень много информации о характеристиках DLPF, но можно найти исследования энтузиастов [9].

Bandwidth, она же frequency response (частотный отклик)

диапазон частот, в котором датчик обнаруживает движение и выдает действительный выходной сигнал. В некоторых спецификациях приводится частотная характеристика датчика — зависимость электрического выходного сигнала акселерометра от внешних механических воздействий с фиксированной амплитудой, но различными частотами. В пределах полосы пропускания неравномерность частотной характеристики не превышает заданной. В случае применения цифрового фильтра низких частот выбор полосы пропускания как раз позволяет изменять частоту среза, неизбежно оказывая влияние на скорость отклика датчика на изменения положения в пространстве. Частота среза обязана быть меньше половины скорости оцифровки (digital output data rate, ODR), называемой также частотой Найквиста.

Для акселерометров MPU-9250 границы полосы пропускания определяются так, чтобы внутри диапазона спектральная плотность сигнала отличалась от пиковой (на частоте 0 Гц) не больше, чем на -3дБ. Этот уровень примерно соответствуют падению до половины спектральной плотности (или 70.7% от пиковой спектральной амплитуды). Напомню, для энергетических величин (мощность, энергия, плотность энергии), пропорциональных квадратам силовых величин поля, выраженное в децибелах отношение

.
Итог: сигналы, прошедшие через ФНЧ, менее зашумлены, у них лучшее разрешение, но при этом меньшая полоса пропускания.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр Поэтому указание разрешения в спецификации без привязки к полосе пропускания смысла не имеет.

Вернёмся к разрешению

В спецификации на MPU-9250 сведений о разрешении в принципе нет, для BMI088 под именем «Разрешение» представлены цифровое разрешение (LSB) и чувствительность»:

Оценить разрешение для каждой полосы пропускания можно по пиковому шуму Среднеквадратичная величина шума на выходе связана с указанной в спецификации спектральной плотностью (а вернее, корнем из неё) и эквивалентной шумовой полосой пропускания (equivalent noise bandwidth, ENBW, — полоса пропускания эквивалентной системы, имеющей прямоугольную АЧХ и одинаковые с исходной системой значение на нулевой частоте и дисперсию на выходе, при воздействии на входы систем белого шума):

А шумовая полоса пропускания связана с 3dB полосой коэффициентами, соответствующим порядку низкочастотного фильтра:

Судя по исследованию в [MPU9250_DLPF], наш выбор 1.57. Полученное среднеквадратическое значение учитывает вклад белого шума (ни шума квантования, ни механического шума там нет). Например, для акселерометра расчётное значение для получается . При этом в спецификации отдельно указан полный среднеквадратичный шум Расхождение значительное. К сожалению, он указан лишь для одной полосы, а для акселерометра BMI088 в спецификации указано только PSD. Так что будем использовать что есть. Кросс-фактор возьмём 4. Теперь самое интересное. Отношение даст примерный порядок эффективных бит на данном диапазоне измерений, который прилично меньше 16-битного разрешения АЦП.

Delay (ms), или откуда берётся задержка

Из необходимости сохранять во внутреннем буфере переменные для деления фильтром сигнала на разные частоты

Итого. Чем ниже частота обрезания фильтра, тем меньше шума в сигнале. Но тут надо быть осторожным, потому что одновременно с этим вырастает и задержка. Кроме того, можно пропустить полезный сигнал [8].















MPU-9250BMI088
Гироскоп, 16 бит
Диапазон (FS), (dps)Разрешение, бит (BW=92Hz)Диапазон (FS), (dps)Разрешение, бит (BW=64Hz)

8
99
1010
1111
1212
Акселерометр
Диапазон (FS), gРазрешение, битДиапазон (FS), gРазрешение (по X,Y), бит
68
79
810
911

И это лишь самые основные параметры.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр

Откуда что бралось:

  1. Самый приятный документ от Freescale Semiconductor — «How Many Bits are Enough?»
  2. [EE] — «Resolution vs Accuracy vs Sensitivity Cutting Through the Confusion»
  3. [Время электроники] — «МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы»
  4. [LSB] — «An ADC and DAC Least Significant Bit (LSB)»
  5. [Measurement Computing] — «TechTip: Accuracy, Precision, Resolution, and Sensitivity»
  6. [KIT] — «Акселерометры Analog Devices — устройство и применение»
  7. [Easyelectronics] — «Сигма-дельта АЦП»
  8. [Радиолоцман] — «Магнитометры: принцип действия, компенсация ошибок»
  9. [SO] — «Noise Measurement»
  10. [Mide] — «Accelerometer Specifications: Deciphering an Accelerometer’s Datasheet»
  11. [CiberLeninka] — Delta-Sigma ADC Filter
  12. [SciEd] — «Особенности реализации цифровой фильтрации с изменением частоты дискретизации»
  13. [MPU6050] — «Using the MPU6050’s DLPF»
  14. [MPU9250_DLPF] — MPU9250 Gyro Noise DLPF work investigation
  15. Understanding Sensor Resolution Specifications
  16. Siemens Digital Signal Processing
  17. МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics
  18. [TMWorld] — «Evaluating inertial measurement units»
  19. [Sklyar] – Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение.

микроэлектромеханические системы, часть 1 / Аналитика

Наномир на данный момент является своего рода фронтиром – передним краем науки, который пока еще только покоряют ученые-пионеры. А вот микромир уже достаточно давно освоен и в нем вовсю идет строительство. Пожалуй, самым впечатляющим типом микроструктур, которые создаются людьми, являются MEMS – микроэлектромеханические системы.

Обычно MEMS делят на два типа: сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал, и актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр В этой части статьи поговорим о первой категории MEMS.

Пожалуй, самыми «трендовыми» из MEMS-сенсоров являются датчики движения. Они в последнее время постоянно на слуху: телефоны, коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются акселерометрами (датчиками ускорения) и гироскопами (датчиками поворота).

В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном, что называется, «для прикола». А вот в портативных компьютерах акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют его, диска, головки. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально – именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.

Классический гироскоп образца XIX века. Засунуть такой в iPhone или джойстик Wii довольно-таки затруднительно

Впрочем, рассуждать о том, что в реальности полезнее – активные игры на Wii, функция автоматического поворота картинки на iPhone, защита винчестера или возможность снимать фотографии без смазывания – дело неблагодарное. Покупателям нравится и то, и другое, и третье, и четвертое. Поэтому производители в последнее время стараются как можно более плотно использовать датчики движения.

Благо, возможностей у них для этого предостаточно: автопроизводители (из массовых индустрий они первыми опробовали данного рода устройства) уже несколько десятилетий активно эксплуатируют датчики движения, например, в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов.

Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку.

И места занимает – всего ничего. Для примера, размер корпуса пьезогироскопа Epson XV-8000 составляет 6×4,8×3,3 мм, а трехосного акселерометра LIS302DL производства ST Microelectronics – всего лишь 3x5x0,9 мм.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр Причем речь именно о размерах готового устройства с корпусом и контактами – сам кристалл еще меньше.

Датчик движения Epson XV-8000. И это далеко не самый компактный MEMS-сенсор

На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Основной принцип работы конденсаторных акселерометров

Это теория. На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части – грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора – не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько предметов.

Относительно простой, но чрезвычайно миниатюрный и чувствительный MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs

Зачастую, современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота – конструкция примерно та же, но на выходе другая величина.

Гироскоп L3G4200D производства ST Microelectronics используется в iPhone 4

Тот же STM L3G4200D, фотография с большим увеличением

Однако встречаются и гироскопы, устройство которых «заточено» именно под вращение. Такие MEMS – одни из красивейших.

Еще один гироскоп ST Microelectronics – LYPR540AH

Крупный план STM LYPR540AH. Толщина деталей этой ажурной конструкции – около 3 микрон!

Еще один MEMS-гироскоп

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах

Есть и более экзотический тип MEMS-акселерометров – термальные датчики ускорения. В них в качестве основного объекта используется горячий пузырек воздуха. При движении пузырек отклоняется от центра системы, это отслеживается датчиками температуры. Чем дальше сместился пузырек – тем больше величина ускорения.

 Двухосный термальный акслерометр

Менее популярный в статьях и обсуждениях, но гораздо более массовый тип MEMS-устройств – микроскопические микрофоны. Опять-таки, наиболее распространенными системами этого типа являются те, которые основаны на конденсаторном принципе.

Устроены они – проще некуда. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два: это гибкая обкладка – мембрана, и более толстая, неподвижная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяется емкость между обкладками – при постоянном заряде изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в амплитуды и частоты звуковой волны.

Чтобы минимизировать влияние давления воздуха на неподвижную обкладку, эта обкладка перфорируется. Кроме того, под ней делается сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным отверстием. Идея в том, что единственным подвижным элементом в системе в идеале должна быть мембрана – и только она.

микроэлектромеханический микрофон под микроскопом. Диаметр мембраны чуть больше половины миллиметра

Как и в случае с акселерометрами, здесь может быть использован пьезоэффект — в этом случае под мембраной ставится пьезокристалл.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр Дальше – как и в случае пьезоакселерометров: давление воздуха передается мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука.

Самый миниатюрный MEMS-микрофон компании Akustica (площадь кристалла – 1 кв.мм) теряется рядом со своими более крупными родственниками

То, что годится для звука, подходит и для измерения давления в иных областях. Похожие на микрофоны MEMS-системы могут использоваться в качестве датчиков давления. Несложно догадаться, что применение такие сенсоры находят в уйме областей.

Но можно выделить одну область, которая является наиболее интересной и наиболее специфичной для датчиков давления, основанных на MEMS-технологии. Это медицина. Здесь размер действительно имеет значение. Если в какой-нибудь трубопровод вполне можно встроить «обычный», макроскопический датчик, то с кровеносным сосудом такой фокус, очевидно, не получится. Тут нужны очень и очень компактные решения.

Ультракомпактный и высокоточный датчики давления на фоне одноцентовой монеты (по размеру она примерно эквивалентна нынешним русским 50 копейкам)

Разумеется, в медицине востребованы не только датчики давления. Существует множество микроскопических биодатчиков, измеряющих массу разнообразных величин – от температуры до уровня глюкозы. Есть и более неожиданные устройства, вроде микроскопических систем подачи лекарств. И, разумеется, есть куча интереснейших прототипов, многие из которых в принципе не имеют аналогов среди макроустройств.

Прототип щипцов для микрохирургии глаза. Размеры головки щипцов – порядка 1,5х1,5 миллиметра. Толщина губ – несколько десятков микрон. Человеческий волос этими щипцами подцепить не получится – он для них слишком толстый

Что ж, разговор о MEMS-сенсорах мы на этом завершим. Впереди у нас еще более интересная и захватывающая тема: MEMS-актуаторы. Печатающие головки струйных принтеров, микрозеркальные матрицы, элементы оптико-волоконных сетей и многое другое.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр Обещаем: скучно не будет!

Другие статьи серии:

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Электроника НТБ — научно-технический журнал — Электроника НТБ

Принцип действия

Рассмотрим основополагающий принцип действия МЭМС-гироскопов. Практически все они — вибрационные гироскопы. Это означает, что в каждом из них есть рабочее тело, которое, в простейшем случае, совершает возвратно-поступательное движение в одной плоскости. Если поставить это тело на вращающуюся платформу, плоскость которой совпадает с плоскостью колебаний, то на колеблющуюся массу начнет действовать сила Кориолиса Fс = 2m[Ω × v], где Ω — вектор угловой скорости (перпендикулярен плоскости вращения), v —
вектор линейной скорости тела относительно вращающейся платформы, m — масса тела. Модуль Fс = 2mΩv ⋅ sin ϕ, где ϕ — угол между векторами линейной и угловой скорости. Следовательно, сила Кориолиса направлена перпендикулярно направлению колебаний (рис.1) и оси вращения. При противоположных направлениях движения сила Кориолиса также действует в противоположных направлениях. На этом и основан принцип вибрационного гироскопа.
Определив силу Кориолиса и зная линейную скорость тела, несложно вычислить угловую скорость и ее изменение (угловое ускорение). Задача упрощается, если линейная скорость колебаний v изменяется по синусоидальному закону v = v0sin wt. Тогда определение ускорения Кориолиса сводится к детектированию сигнала Ω, модулирующего несущую с частотой w:

аc = 2v0Ω sin wt. Данная задач давно и успешно решается в радиотехнике, в частности, с помощью квадратурных модуляторов/демодуляторов.
Балочные гироскопы

Все конструкции вибрационных гироскопов, при широком их разнообразии, можно свести к нескольким типам. Одними из самых первых были балочные гироскопы. Их принцип действия таков: консольную балку (пластину) заставляют колебаться с помощью пьезоэлементов в направлении оси Х
(рис.2). Под действием силы Кориолиса при вращении относительно оси Z, параллельной продольной оси балки, возбуждаются колебания вдоль оси Y.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр Они регистрируются другими пьезоэлементами.
Конструкции балок могут быть самыми разными. Например, в гироскопах ОАО «Элпа» БВГ-3 и БВГ-4 используется трехполюсный вибратор — стальная балка с поперечным сечением в виде равностороннего треугольника [1]. К каждой грани балки приклеено по пьезоэлементу: на нижней стороне – возбуждающий вибрацию, на боковых гранях – измерительные. Основной недостаток таких гироскопов — их низкая технологичность (сложно обеспечить стабильные параметры клеевого соединения металла и пьезокермики и т.п.). Поэтому во всем мире распространение получили так называемые биморфные вибрационные гироскопы.
В биморфных гироскопах резонатор представляет собой две склеенные пьезоэлектрические пластины, поляризованные в противоположных направлениях. К пластинам (или к одной из них) прикладывают напряжение, одна пластина начинает сжиматься, другая растягиваться, в результате возникают колебания. При вращении под действием силы Кориолиса возбуждаются вторичные колебания, которые можно детектировать теми же электродами. По данному принципу построен, в частности, вибрационный гироскоп БВГ-500 («Элпа»).
Отметим, что конструкция резонатора может быть гораздо сложнее описанной. Так, один из лидеров (и зачинателей) промышленного освоения вибрационных пьезоэлектрических гироскопов — компания Murata — запатентовала структуру (приоритет от 28 октября 2002 года) [2], в которой резонатор представляет собой пару колеблющихся в противофазе пластин (рис.3). Пластины либо биморфные, либо наклеенные на металлическое основание униморфные. Каждая из пластин состоит из трех частей с противоположными направлениями поляризации. При вращении относительно оси Z возникают вторичные колебания (вдоль длины пластин). Хотя первичные колебания пластин происходят в противофазе, сигналы их генерации синфазны. Вторичные же колебания, обусловленные силой Кориолиса, вызывают дополнительные противофазные сигналы на электродах, разность которых пропорциональна угловой скорости вращения.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр
Таким образом, с помощью дифференциальной схемы можно детектировать эти сигналы. При этом используются те же электроды, что и для генерации первичных колебаний.
Компания Murata известна на рынке биморфыми пьезоэлектрическими гироскопами ENV-05. Недавно на смену им пришли более совершенные ENC-03R. Это миниатюрное устройство (8×4×2 мм) весом 0,2 г обладает впечатляющими характеристиками (cм. таблицу). Схема включения устройства также проста (рис.4).
Основной недостаток пьезокерамических вибрационных гироскопов — температурная нестабильность параметров, обусловленная свойствами пьезокерамики. Компенсировать его попытались — и не без успеха — специалисты компании Epson, создавшие совместно с компанией NGK Insulators новый пьезоэлектрический гироскоп XV-3500CB. Его отличает, помимо оригинальной конструкции (рис.5), использование кварца в качестве пьезоэлемента. В результате в диапазоне измерений ±100°/с удалось достичь приемлемой температурной стабильности — 5% (см. таблицу) при миниатюрном корпусе (5×3,2×1,3 мм).
Гироскопы-камертоны

Одна из важнейших конструкций резонатора гироскопа — в форме камертона, tuning fork (TF). Принцип действия такого датчика (рис.6) прост: колеблющиеся в одной плоскости в противофазе массы при вращении вокруг вертикальной оси начинают совершать колебания в перпендикулярной плоскости. Возможно, первым МЭМС-гироскопом, использующим этот принцип, стал гироскоп [3], созданный в компании Charles Stark Draper Laboratory (www.draper.com) — бывшей лаборатории Драпера Массачусетского технологического института. Он был создан еще в 1993 году [4, 5]. Базовая патентованная конструкция TF-гироскопа представляет собой рамку с двумя осцилляторами, колеблющимися в противофазе (навстречу друг другу) вдоль оси Х (рис.7). Колебания генерируются путем подачи напряжения на гребенчатые приводы. При этом под действием электростатической силы рабочие тела осцилляторов подталкиваются друг к другу. Возвратное движение происходит за счет микропружин.Гироскоп мэмс: MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр При вращении вокруг оси Y рамка колеблется в вертикальной плоскости (перпендикулярной подложке МЭМС): один осциллятор будет подниматься, другой — опускаться и наоборот. На верхнюю часть рамки и на подложку нанесены тестовые электроды. При колебаниях в вертикальной плоскости емкость между ними начнет изменяться, что можно детектировать и определить угловую скорость вращения.
Описанный принцип реализован компанией Fujitsu в серии МЭМС-гироскопов S1BG. Их TF-резонатор выполнен из хорошо известного пьезоэлектрика LiNbO3. Гироскоп работает в диапазоне ±60°С, чувствительность — 25±2,5 мВ/°/с, линейность — 0,5%, напряжение питания — 5 В, ток потребления —
не более 6 мА. Габариты корпуса — 12,4×8,4×12,5 мм, рабочий диапазон температур — -40…+85°С.
Компания Fujitsu анонсировала и гироскоп S1DG, который определяет скорость вращения одновременно по двум осям. Заявленный динамический диапазон — ±300°/с, чувствительность — 0,67±20% мВ/°/с, линейность — 0,5%, напряжение питания — 5 В, ток потребления — 5 мА. Габариты корпуса — 6×8×1,3 мм, рабочий диапазон температур —
-5…+75°С.
В скором времени число серийно производимых гироскопов данного типа пополнят и изделия компании Honeywell — одноосевые гироскопы семейства GG1178 (рис.9). Семейство будет представлено приборами с динамическим диапазоном ±75°/с, ±150°/с и ±300°/с (см. таблицу), корпус — LCC-14 (9,78×9,27×4,57 мм).
Гироскопы Analog Devices по технологии iMEMS

Один из основных недостатков рассмотренных гироскопов — сильная восприимчивость к линейным нагрузкам. Кроме того, технологически сложно массово производить МЭМС с колебаниями в вертикальной плоскости — это противоречит принципу планарной технологии. Преодолеть эти проблемы в значительной степени удалось, используя МЭМС-гироскопы, в которых направления колебаний — как первичных, так и вызванных ускорением Кориолиса, — лежат в плоскости подложки. В известной степени такие гироскопы можно рассматривать как вариации гироскопа-камертона. Значительных успехов в данной области достигла компания Analog Devices (www.analog.com), которой удалось создать технологию iMEMS и на ее основе производить гироскопы серий ADXRS и ADIS. Поскольку эта компания — безусловный лидер в промышленном производстве данного класса гироскопов, остановимся на ее продукции подробнее.
Основной элемент гироскопа серии ADXRS — это закрепленная на гибких подвесках рамка, внутри которой совершает поступательные колебательные движения некая масса (рис.10) [6]. Для определенности положим, что колебания происходят вдоль оси Х. Подвесы рамки допускают ее колебания только вдоль оси Y. Колебания массы возбуждаются электростатически, с помощью гребенки зубцов (рис.11).
На внешней поверхности рамки и на подложке расположены гребенки контактов, образующих систему плоских конденсаторов.
При колебаниях рамки относительно подложки расстояния между этими зубцами изменяются, соответственно изменяется и емкость. Когда подложка неподвижна (или движется прямолинейно и равномерно), рамка не колеблется. Если же начать вращать такую структуру вокруг оси Z, то под действием силы Кориолиса возникнут вынужденные колебания рамки вдоль оси Y.
Однако остается проблема компенсации линейных ускорений. В приборах серии ADXRS она решена за счет размещения на одной подложке двух одинаковых структур, в которых генерируются строго противофазные колебания (рис.11). Измерительные сигналы, снимаемые с емкостей обоих структур, поступают в дифференциальную схему. При этом сигналы, вызванные колебаниями под воздействием ускорения Кориолиса, будут складываться, а синфазные составляющие, обусловленные линейными ускорениями, — вычитаться.
Отметим, что приведенная конструкция проста только в описании. Элементы этих МЭМС чрезвычайно малы. Амплитуды колебаний зубцов гребенок (обкладок конденсаторов) составляет 16×10-15 м — меньше межатомного расстояния! Изменение емкости такого конденсатора — 12×10-21 Ф [6].
Очевидно, чтобы обработать сигнал с таких емкостей, нужны прецизионные усилители, корреляционные методы обработки и т.п. Вся необходимая электроника интегрирована в ту же СБИС. В результате гироскопы серии ADXRS демонстрируют достаточно высокие результаты (см. таблицу).
Для примера рассмотрим гироскоп ADXRS300 (рис.12). Это миниатюрное устройство (размер корпуса LCPBGA-32 —
7×7×3 мм) обеспечивает работу в диапазоне угловых скоростей ±300°/с (относительно вертикальной оси Z). При этом прибор устойчив к линейным ударным нагрузкам до 2000 g. Влияние линейных ускорений (вдоль любой оси) составляет 0,2°/с/g. Собственная частота резонаторов — 14 кГц. СБИС оснащена схемой самотестирования, встроенным датчиком температуры, встроенным повышающим преобразователем напряжения (на переключаемых конденсаторах) для генерации колебаний резонатора (для этого необходимо напряжение порядка 20 В) и встроенным источником опорного напряжения. Гироскопы рассмотренного семейства — это одноосевые приборы, с линейным аналоговым выходом (напряжение на выходе меняется по линейному закону в зависимости от частоты вращения).
Компания Analog Devices выпускает и семейство гироскопов ADIS. Оно построено на базе серии ADXRS, но с расширенными функциональными возможностями — со встроенными АЦП, средствами термокомпенсации и т.п. Эти гироскопы работают в диапазонах ±80 и ±300°/с, а некоторые обладают возможностью перестройки динамического диапазона в пределах от ±80 до ±320°/с. Характерный пример — гироскоп ADIS16255 (рис.13). Помимо датчика угловой скорости он оснащен основным 14-разряным АЦП для оцифровки сигнала датчика, вспомогательными 12-разрядными ЦАП и АЦП, датчиком температуры с оцифрованным (12 бит) выходом, встроенной системой автотестирования и калибровки, SPI-интерфейсом и т.д. (рис.13). При динамическом диапазоне ±320°/с чувствительность составляет 0,07°/с/LSB (LSB — младший бит оцифрованного сигнала).
Отметим, что недавно компания анонсировала трехосевой гироскоп ADIS16350 (рис.14) — интегрированный модуль, в состав которого, помимо трехосевого гироскопа (±320°С), входит и трехосевой датчик линейных ускорений (акселерометр) с диапазоном измерений ±10 g. Сигналы обоих датчиков оцифровываются АЦП с разрешением 14 разрядов. Модуль оснащен вспомогательными 12-разрядными ЦАП и АЦП. Обмен данными возможен через SPI-интерфейс. Детали конструкции не оглашаются, однако судя по размерам модуля (22,7×23,2×22,9 мм), он представляет собой микросборку.
Гироскопы с диском-вибратором

Еще одна разновидность вибрационных гироскопов — устройства с диском-резонатором. Один из первых гироскопов с дисковым резонатором был создан сотрудниками лаборатории твердотельной электроники Мичиганского универститета в 1994 году [7, 8]. Тогда был продемонстрирован прототип гироскопа (рис.15а), представлявшего собой никелевый диск диаметром 1 мм — обод с восемью полукруглыми спицами, жестко закрепленными в центре на поликремниевой подложке. С внешней от обода стороны с небольшим зазором располагаются приводящие, измерительные и корректирующие электроды. Под действием прикладываемого к приводящим электродам напряжения генерируется основная мода колебаний (например, вдоль оси Y) — диск начинает вытягиваться вдоль оси Y и сжиматься вдоль оси Х (рис.16). Если подложка (а с ней и диск) начинает вращаться вокруг оси Z, сила Кориолиса стремится вызывать колебания в направлении оси X.
Возникает вторая (измерительная) мода колебаний — главная ось эллипса смещается на 45°. Амплитуда этих колебаний qsens пропорциональна угловой скорости вращения WZ:
qsens = 4Ag⋅Q/w0⋅qdrive⋅WZ, где Ag ≈ 0,37 — так называемое угловое усиление кольцевой структуры (константа, определяемая геометрией и высокостабильная при изменении температруры), Q — добротность резонатора, w0 — резонансная частота колебаний, qdrive — амплитуда в основной моде (без вращения). Эти амплитуды регистрируют с помощью емкостных датчиков с внешней стороны обода в соответствующих точках.
Данная конструкция обладает рядом существенных особенностей. Прежде всего, благодаря симметричной структуре резонансные частоты в основной и измерительной моде одинаковы. Кроме того, узловые точки обеих мод совпадают. Такой резонатор обладает высокой добротностью, следовательно — потенциально большим разрешением измерения угловой скорости. Он мало восприимчив к ударам и вибрациям. Кроме того, неизбежные производственные дефекты (например, асимметрию) резонатора можно устранить электронным путем, используя специальные подстроечные электроды [8].
Уже первый образец показал добротность Q ~ 2000 и разрешение 0,5°/с. При динамическом диапазоне ±100°/с прибор демонстрировал нелинейность на уровне 0,2%. Впоследствии (1998 год) была разработана технология создания подобных структур на поликремнии (рис.15б) [9]. Диаметр вибратора составил 1,1 мм при толщине диска 80 мкм (ширина обода и спиц — 4 мкм). Добротность прототипа оказалась на уровне 1200 (в глубоком вакууме). Однако уже в 2002 году разработчики представили МЭМС-гироскоп на монокристалле кремния с ориентацией (111) на стеклянной подложке (рис.15в). При диаметре диска 2,7 мм и толщине 150 мкм добротность резонатора составила 12000. Это обеспечило разрешение 132  мВ/°/с, соответствующую точность 0,002°/с (7,2°/ч) и нелинейность 0,02%. Дрейф нуля находился в пределах 1°/с за 10 часов без термокомпенсации [10].
Сходный принцип применен в гироскопе с резонатором в виде восьмиконечной звезды, образованной суперпозицией двух квадратов (рис.17) [11]. Такая конструкция позволяет использовать для измерений угловой скорости колебательные моды более высоких порядков, а также обеспечивает более точную электронную балансировку резонатора. В результате добротность резонатора из монокристаллического кремния составила 25000 и выше — до 115000.
В серийных приборах дисковый резонатор использован в гироскопах компании Silicon Sensing Systems (www.siliconsensing.com), совместного дочернего предприятия фирм Sumitomo Precision Products Company и British Aerospace Systems and Equipment (сейчас — BAE Systems). Гироскопы этой компании используют описанный принцип, но их отличает не емкостной, а индукционный метод генерации и определения амплитуды вынужденных колебаний [12]. Резонатор находится в постоянном магнитном поле, перпендикулярном плоскости диска. Источник поля — магнит из самария-кобальта, расположенный над вибратором диаметром 6 мм (рис.18). Чувствительные элементы и приводы представляют собой токовые петли.
Компания предлагает несколько линеек приборов — SRC03, SRC05, GYRO-SiRRS01 (разработан еще компанией BAE Systems) и др. (см. таблицу). В частности, гироскопы серии SRC03 выпускаются в корпусах с габаритами 29×29×18,4 мм.
Все приборы Silicon Sensing Systems высокоустойчивы к ударным и вибрационным воздействиям — они работают при линейных ускорениях свыше 100 g и ударах до 200 g (1 мс). Продукция этой компании в значительной мере ориентирована на специальные применения.
Вращательные вибрационные микрогироскопы

Развивается и направление вращательных дисковых резонаторов. Первые значимые работы в этой области появились в начале 1990-х годов. Они проводились в Центре датчиков и приводов Калифорнийского университета в Беркли [13, 14], а также в лаборатории Драпера (в Кембридже) [15]. Патенты в этой области принадлежат и компании Analog Devices [16].
Суть метода — диск-резонатор крепят на торсионах (как правило, на четырех) и электростатически (например, гребенчатыми приводами, связанными со спицами диска) вызывают крутильные колебания относительно вертикальной оси Z (рис.19) [13]. Если такой вибрирующий диск вращается вокруг оси, лежащей в его плоскости (например, X), под действием силы Кориолиса возникают колебания перпендикулярно плоскости диска. Один край диска (в нашем случае — вдоль оси Y) начнет подниматься, другой — опускаться в зависимости от текущего направления крутильных колебаний. Если гироскоп вращать одновременно вокруг осей X и Y, возникнут колебания относительно осей Y и X, соответственно. На поверхности диска формируют плоский электрод, на подложке под диском —
четыре секторных электрода (соответственно, по осям X и Y). Измеряя изменение емкости между диском и этими электродами на подложке, можно определить амплитуды вертикальных колебаний и угловые скорости вращения одновременно вокруг двух осей [14].
Существует множество вариаций данного метода. Например, диск закреплен на оси, препятствующей его колебаниям в вертикальной плоскости. Но ось связана с внешней рамкой, которая может совершать вынужденные колебания, которые и детектируются емкостными датчиками [17]. Однако несмотря на более чем десятилетнюю историю, данные конструкции пока не нашли воплощения в серийных изделиях. Видимо, причина в технологических сложностях ее массовой реализации. Тем не менее, были сообщения о применении такой конструкции в МЭМС-гироскопах отечественной компании «Гирооптика»
(www.gyro.ru). Фирма заявляла о создании датчиков угловых скоростей 7ЧСК(У)-Р и микросборок приборов на их основе. Объявленный диапазон измерений ±360°/с, нестабильность —
не более 0,5%, стойкость к одиночным ударам до 16000 g [18]. Однако информации о серийной продукции этой компании нет.
В заключение отметим еще один перспективный тип конструкции — так называемый гироскоп с распределенной массой [19], созданный в Лаборатории микросистем калифорнийского университета в Ирвине (UCI MicroSystems Laboratory). Возглавляет эту лабораторию выпускник мехмата МГУ 1991 года Андрей Шкел. Предложенная модель представляет собой несколько осцилляторов, колеблющихся с одинаковой фазой и частотой и расположенных симметрично относительно центра связывающего их каркаса (рис.20). При радиальном направлении вибраций осцилляторов вращение вокруг вертикальной оси гироскопа приведет к возникновению силы Кориолиса, направленной по касательной к каркасу. Эта сила вызывает крутильные колебания, которые регистрируются емкостными датчиками.
Достоинства данной конструкции обусловлены двумя факторами. Во-первых, колебания осцилляторов происходят одновременно в нескольких осесимметричных направлениях. Кроме того, первичные и вторичные (измерительные) колебания — разных типов, линейные и крутильные. В результате существенно снижается воздействие первичных колебаний на датчики измерительных колебаний. Благодаря этому сигнал, соответствующий нулевой угловой скорости, оказывается высокостабильным. Снижается и уровень шумов. Принцип детектирования кругового смещения позволяет устранять воздействие линейных ускорений. Кроме того, поскольку все вызывающие генерацию силы попарно противоположны и равны по величине, их сумма в точке крепления вибратора к подложке (в центре) практически равна нулю. Поэтому генерируемые колебания не передаются на подложку. Наконец, многоосевая структура минимизирует влияние различных производственных дефектов, внутренних напряжений структуры, анизотропных свойств материала конструкции.
Все это позволяет существенно увеличить амплитуду колебаний осцилляторов, а пропорционально ей — и амплитуду измерительных колебаний. В результате существенно возрастают чувствительность гироскопа и ширина его рабочей полосы частот.

Таким образом, при всем разнообразии конструкций МЭМС-гироскопов только пьезогироскопы, а также вибрационные гироскопы компании Analog Devices можно отнести к действительно массовым изделиям. Но все эти устройства при видимой простоте вбирают в себя новейшие технологические
достижения, обсуждение которых осталось за рамками данной
статьи. Отметим, что это еще и достаточно молодое направление, настоящий расцвет которого еще впереди. Залог чему —
чрезвычайно широкий спектр применений, от фото- и видеокамер, компьютерных перчаток-манипуляторов, систем автомобильной электроники до средств навигации самого разного, в том числе и военного, назначения (такие гироскопы уже встраивают в управляемые снаряды). Сейчас МЭМС-датчики планируют производить такие компании, как Freescale, Kionix, Hitachi Metals, Oki Electric и STMicroelectronics. Важно, что определенные успехи на поприще МЭМС-датчиков угловых скоростей достигнуты и российскими компаниями — остается только пожелать им всемерно развивать свои производственные и технологические возможности.

Литература
1. Сафронов А. и др. Малогабаритные пьезоэлектрические вибрационные гироскопы: особенности и области применения. — ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2006, №8, с.62–64.
2. European Patent Application EP 1416249 A1, приоритет от 28 октября 2002 года.
3. US Patent 6.862.934 , приоритет от 10 апреля 2003 года.
4. Bernstein, J. et al. A micromachined comb-drive tuning fork rate gyroscope. —
Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop (MEMS ’93), Fort Lauderdale, pp. 143-148.
5. M. Weinberg, et al. A Micromechanical Comb Drive Tuning Fork Gyroscope for Commercial Applications, 2nd St. Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology and Navigation, St. Petersburg, Russia, May 1995.
6. Geen J., Krakauer D. New iMEMS Angular-Rate-Sensing Gyroscope. —
Analog Dialogue, 37–03 (2003), www.analog.com.
7. Putty M.W. A micromachined vibrating ring gyroscope. — Ph.D. dissertation, University of Michigan, Ann Arbor, March 1995.
8. Putty M.W. and Najafi K. A Micromachined Vibrating Ring Gyroscope. —
Solid-State Sensors and Actuators Workshop, Hilton Head, SC, June 1994, p. 213–220.
9. Ayazi F., Najafi K. A HARPSS Polysilicon Vibrating Ring Gyroscope. — Journal Of Microelectromechanical Systems, Vol. 10, № 2, June 2001.
10. Guohong He, Khalil Najafi. A Single-Crystal Silicon Vibrating Ring Gyroscope. MEMS 2002: micro electro mechanical systems, Las Vegas NV, 20–24 January 2002.
11. Zaman M.F., Sharma A., Amini B.V., and Ayazi F. The resonating star gyroscope. — Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Conference (MEMS’05), Miami, FL, Jan. 2005, p. 355–358.
12. Hopkins I. Performance and Design of a Silicon Micromachined Gyro. —
Silicon Sensing Systems, 2001.
13. Juneau T., Pisano A. P., and Smith J. H. Dual axis operation of a micromachined rate gyroscope. — Proc., IEEE 1997 Int. Conf. on Solid State Sensors and Actuators (Tranducers ’97), Chicago, June 16–19, p. 883–886.
14. US Patent 6,067,858, приоритет от 30 мая 1997 года.
15. US Patent 5535902, приоритет от 22 мая 1995 года.
16. US Patent 5635640, приоритет от 3 июня 1997 года.
17. Горнев Е.С., Зайцев Н.А. и др. Обзор микрогироскопов, сформированных по технологии поверхностной или объемной микромеханики. — Нано- и микросистемная техника, 2002, № 8, с. 2–6.
18. Попова И.В. и др. Микромеханические датчики и системы, практические результаты и перспективы развития. — XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, май, 2005.
19. Cenk Acar and Andrei M. Shkel. An Approach for Increasing Drive-Mode Bandwidth of MEMS Vibratory Gyroscopes. — Journal оf Microelectromechanical Systems, Vol. 14, №3, June 2005, p.520–528.

МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы

Большая популярность МЭМС-акселерометров и гироскопов обусловлена их широким потенциалом для использования как в бытовой, так и в промышленной технике. МЭМС-датчики широко применяются и в автомобильной промышленности для управления подушками безопасности, и в охранной сигнализации, в навигационных системах для исчисления пройденного пути или определения маршрута следования. С 2008 г. компания STMicroelectronics занимает лидирующие позиции в производстве МЭМС-датчиков движения для портативной и бытовой электроники, охранных, автомобильных и навигационных систем.

В настоящее время STMicroelectronics — мировой лидер в производстве МЭМС-акселерометров (см. табл. 1). Компания выпускает датчики на базе 200-мм кремниевых пластин, что обеспечивает более низкую себестоимость, по сравнению с конкурентами.

Таблица 1. Динамика доходов основных производителей МЭМС продукции для сектора бытовой электроники и мобильных устройств

Производитель

Доход с продаж в 2006 г., млн долл.

Доход с продаж в 2007 г., млн долл.

Доход с продаж в 2008 г., млн долл.

Прирост в 2007-2008 гг., %

Доминирующий тип МЭМС-продукции

STMicroelectronics

30,6

96,8

221,2

128

Акселерометры, гироскопы

Analog Devices

43,6

74,7

68,9

-8

Акселерометры, гироскопы

Epson Toyocom

13,2

35,9

62,2

73

Гироскопы и МЭМС-генераторы

Panasonic

39,3

46,4

49,2

6

МЭМС-гироскопы

Avago Technologies

103,9

143,5

210,9

47

Пьезоакустические МЭМС-фильтры

Texas Instruments

457,4

305,0

174,9

-43

Микрозеркальные DLP-модуляторы для проекционных телевизоров задней проекции

Knoles

82,8

93,7

119,8

28

МЭМС-микрофоны

Основные достоинства технологии МЭМС-датчиков компании ST

Малый разброс параметров в пределах изделия. Изготовление компонентов в едином технологическом цикле позволяет получать практически неотличимые параметры у одинаковых компонентов.
Высокая технологичность и повторяемость. При изготовлении МЭМС-устройств в основном применяются хорошо отработанные и управляемые технологические процессы, что позволяет получать изделия с желаемыми характеристиками.
Микроминиатюрность. Применение технологии микросхем позволяет получить микромеханические и оптические узлы значительно меньших размеров, чем это возможно по традиционным технологиям.
Высокая функциональность. Миниатюрность изделия и возможность изготовления датчиков, обрабатывающих схем и исполнительных механизмов в одном устройстве позволяет создавать законченные системы достаточно большой сложности в миниатюрном корпусе.
Улучшенные характеристики функционирования. Электронная часть, а также электрические каналы связи с датчиками и механизмами, выполненные по интегральной технологии и имеющие малые размеры, позволяют улучшить такие характеристики как рабочие частоты, ЭМС, соотношение сигнал/шум и т.д. Высокая точность и повторяемость чувствительных элементов и их интегральное исполнение совместно с обрабатывающей схемой позволяют значительно повысить точность измерений. Кроме того, повторяемость и точность исполнения механических компонентов улучшает их характеристики.
Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям. Факторов, приводящих к повышению надежности и стойкости к внешним воздействиям изделий при применении МЭМС, достаточно много, и они зависят от конкретного типа изделия и его применения. Механические узлы МЭМС в условиях вибраций и ударов, как правило, работают лучше благодаря малым размерам и массе, а также тому факту, что механические узлы расположены в корпусе МЭМС, амортизированном выводами и конструкцией ПП.
Низкая стоимость. Применение МЭМС уменьшает стоимость как механической, так и электронной частей устройства, поскольку обрабатывающая электроника интегрирована в МЭМС-компонент, что позволяет избежать дополнительных соединений и, в некоторых случаях, согласующих схем.

Основные секторы применения акселерометров и гироскопов

– Игровые консоли.
– Стабилизация изображения в фото- и видеокамерах.
– Курсорные указатели для интеллектуальных интерфейсов пользователя.
– Расширение GPS-решений (системы счисления пройденного пути).
– Системы управления движением в робототехнике.
– Стабилизация платформ промышленного оборудования.

Технология и конструкция МЭМС-датчиков движения ST

Датчики, выполненные по технологии МЭМС, изготавливаются с помощью тех же технологических приемов, что и интегральные микросхемы. Акселерометр и гироскоп ST состоит из двух ключевых элементов:
– МЭМС-кремниевого микромеханического емкостного сенсора, чувствительного к ускорению или повороту;
– схемы обработки сигнала, преобразующей выходные сигналы этого сенсора в аналоговые или цифровые сигналы.
Для снижения стоимости, повышения надежности, помехозащищенности и плотности монтажа компания ST совмещает оба этих устройства в едином корпусе (см. рис. 1).

Рис. 1. Использование вертикальной конструкции для стыковки двух кристаллов

Принцип работы МЭМС-сенсора движения

Принцип работы сенсоров движения (акселерометров и гироскопов) основан на измерении смещения инерционной массы относительно корпуса и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Емкостной метод преобразования измеренного перемещения является наиболее точным и надежным, поэтому емкостные акселерометры получили широкое распространение. Структура емкостного акселерометра состоит из различных пластин, одни из которых являются стационарными, а другие свободно перемещаются внутри корпуса. Емкости включены в контур резонансного генератора. Под действием приложенных управляющих электрических сигналов подвешенная масса совершает колебания. Между пластинами образуется конденсатор, величина емкости которого зависит от расстояния между ними. Под влиянием силы ускорения емкость конденсатора меняется. На рисунке 2 показана топология МЭМС-сенсора ST.

Рис. 2. Топология МЭМС-сенсора ST

В конструкции МЭМС-сенсоров для акселерометров и гироскопов используется камертонная система электродов. Две подвешенные массы совершают колебания по противоположным осям.
С появлением угловой скорости сила Кориолиса прикладывается в противоположных направлениях. Измеряемая дифференциальная емкостная составляющая пропорциональна углу перемещения. При линейном ускорении векторы приложения сил для обеих масс действуют в одном направлении. При этом дифференциальная разность равна нулю. В МЭМС-сенсорах физическое перемещение массы подвижных электродов преобразуется в электрический сигнал за счет емкостного преобразования.

Семейство МЭМС-акселерометров ST

Акселерометры ST, в зависимости от модели, способны измерять ускорение или вибрацию в одном или одновременно двух и трех направлениях. Значение смещения измеряется и в зависимости от типа выходного интерфейса преобразуется в аналоговый или цифровой выходной сигнал. На рисунках 3 и 4 приведены функциональные схемы и ключевые характеристики двух групп датчиков с аналоговым и цифровым выходом.

Рис. 3. Функциональная схема аналогового акселерометра ST

Рис. 4. Функциональная схема цифрового акселерометра ST

В сводной таблице 2 приведены основные характеристики датчиков акселерометров

Таблица 2. Семейство МЭМС-акселерометров STMicroelectronics

Тип

Число осей чувств.

Uпит, в

Интерфейс

Чувствительность, В/g

Диапазон измерения, g

Тип корпуса, его размеры, мм

AIS326DQ

3

3…3,6

SPI

±2/±6

QFPN-28 7×7×1,9 мм

AIS226DS

2

SO-16L

LIS202DL

2,16…3,60

I2C/SPI

±2/±8

LGA 3,0×5,0×1,0

LIS244AL

2,40…3,60

Аналоговый

0,42

±2

LLGA 4,0×4,0×1,5

LIS302DL

3

2,16…3,60

I2C/SPI

±2/±8

LGA 3,0×5,0×1,0

LIS331AL

3,00…3,60

Аналоговый

0,478

±2

LLGA 3,0×3,0×1,0

LIS3LV02DL

2,16…3,60

I2C/SPI

±2/±6

LGA 4,0×7,5×1,0

LIS3LV02DQ

QFPN 7,0×7,0×1,9

LIS3L02AL

2,40…3,60

Аналоговый

0,66

±2

LGA 5,0×5,0×1,6

LIS331DL

2,16…3,60

I2C/SPI

±2/±8

LLGA 3,0×3,0×1,0

Первая цифра в наименовании указывает число осей датчика (2 или 3). Далее следуют две цифры номера разработки. Первая буква в суффиксе означает тип выходного интерфейса (D — digital или A — analog).
STAIS226DS, AIS326DQ — двух- и трехосевые акселерометры, предназначенные для автомобильной промышленности и имеющие рабочий диапазон температур –40…105°C. Полоса пропускания: 640 Гц. Имеется функция самотестирования.
LIS202DL — ультракомпактный двухосевой акселерометр с низким потреблением энергии. У него имеются встроенные интеллектуальные функции, в т.ч. распознавание одинарного и двойного щелчка. Акселерометр можно запрограммировать на обнаружение простых пользовательских действий, например, связать функцию двойного щелчка с аппаратным прерыванием, благодаря чему звонок мобильного телефона приглушается в кармане одним движением. Пользователь может выбрать один из двух стандартных цифровых интерфейсов: SPI или I2C. Встроенные функции самотестирования позволяют проверять функционирование датчика после подачи напряжения на плату.
LIS244AL, LIS344AL — очень компактные двух- и трехосевые акселерометры для измерения небольших величин ускорения. Они объединяют в одном корпусе двухосевой МЭМС-датчик и интерфейсную микросхему, которая вырабатывает в реальном времени два независимых выходных аналоговых напряжения: одно для поперечного, другое — для продольного направлений. Акселерометры обладают очень низким уровнем шумов при минимальном потреблении энергии, что особенно важно для систем с батарейным питанием. Встроенные элементы самотестирования позволяют контролировать механическую и электрическую части устройства. Сенсоры предназначены для широкого спектра аппаратуры, критичной к размерам корпуса и потреблению энергии: пользовательские интерфейсы; охранные системы; дистанционное управление объектами; управление потреблением энергии с учетом движения, спортивные и медицинские приборы. Акселерометры LIS244ALH, LIS344ALH аналогичны сериям LIS244AL и LIS344AL, но имеют два диапазона измерений: ±2 или ±6g.
LIS302DL — многофункциональный датчик ускорения для систем защиты жестких дисков, создания бесконтактных интерфейсов в современных мобильных телефонах и ноутбуках. Акселерометры выпускаются в пластмассовом корпусе с габаритами 3×5×0,9 мм, что значительно экономит место и минимизирует вес мобильных аппаратов. Отличительные черты этих приборов — низкое потребление энергии (1 мВт) и высокая устойчивость к вибрации и ударам с ускорением до 10000g. Для считывания данных выбирается один из двух доступных стандартных интерфейсов — SPI или I2C. Кроме того, имеются два независимых порта для вывода программируемых сигналов прерывания. Два отдельных сигнала прерывания могут формироваться при превышении величины свободного падения или порога, устанавливаемого пользователем. Оба сигнала используются для контроля превышения установленных пользователем порогов для любых значений в диапазоне измеряемых ускорений.
На сегодняшний день трехосный цифровой МЭМС-акселерометр LIS302DLH, обеспечивающий высокую точность и стабильность с 16-разрядным преобразованием, является самым тонким в мире среди подобных устройств — толщина его корпуса составляет всего 0,75 мм, а площадь основания — 3×5 мм.
Низкое напряжение питания и малое потребление делают его идеальным для использования в приборах с батарейным питанием. Микросхема в состоянии покоя и отсутствия изменений сигнала находится в режиме пониженного энергопотребления с автоматической активацией при обнаружении движения. Диапазон измерения входных сигналов: ±8 г. Измеряемый сигнал передается через последовательные интерфейсы I2C/SPI в формате, обеспечивающем непосредственное подключение к системному процессору без использования дополнительных компонентов. Датчик LIS302DLH полностью совместим c другими ранее разработанными трехосевыми акселераторами семейства Piccolo, включая LIS302DL и LIS35DE, обеспечивая тем самым высокий уровень масштабирования продукции (сохранение совместимости при расширении функциональных возможностей). Приложения на базе цифрового акселерометра LIS302DLH включают в себя функции обнаружения движения; тревожной сигнализации о смене ориентации в пространстве; обнаружения состояния свободного падения; мониторинга уровня вибрации.
LIS3LV02DL — трехосевой цифровой линейный акселерометр c программируемым 12- или 16-разрядным представлением данных. Датчик поддерживает два цифровых интерфейса (SPI/I2C), имеет низкую мощность потребления и высокую разрешающую способность. При подаче напряжения питания сенсор производит процедуру самотестирования, что позволяет пользователю быть уверенным в исправности устройства. Датчик можно сконфигурировать на генерацию прерывания при обнаружении ускорения свободного падения. Имеется возможность программной установки порога значения ускорения, при превышении которого, по крайней мере в одной из трех осей, устройство выдаст сигнал прерывания. LIS3LV02DL доступен в пластмассовом корпусе LGA16. Рабочий диапазон температур составляет –40…85°C.
LIS3LV02DQ — трехосевой акселерометр для измерения небольших значений ускорения со стандартными цифровыми интерфейсами SPI/I2C. В LIS3LV02DQ полосу пропускания можно гибко задать командой программного обеспечения, позволяя разработчикам эффективно менять условия измерения. Как и в предыдущем устройстве, в данном случае реализована возможность программной установки порога, при превышении которого устройство формирует прерывание. Эта информация помогает быстро понять, в каком направлении перемещается датчик, прежде чем будут произведены какие-либо вычисления.
LIS331AL, LIS331DL — трехосевые, линейные, универсальные, экономичные МЭМС- акселерометры класса «нано». Высокофункциональные датчики с низким потреблением энергии обеспечивают очень высокую устойчивость к вибрациям и ударам с ускорениями до 10000g. Нанодатчики движения компании ST предназначены для приложений с небольшими ускорениями для бытовых и промышленных устройств, включая интерфейсы движения пользователя в мобильных и игровых устройствах, обнаружения свободного падения для защиты данных на жестком диске, обнаружения и компенсации вибрации в бытовой технике. Конструкция датчика включает в себя два стандартных цифровых интерфейса SPI и I2C. Пользователь может выбрать любой из них. Кроме того, имеются встроенные интеллектуальные функции, включающие распознавание одинарного и двойного щелчка, обнаружение выхода из состояния покоя и движения, фильтры верхних частот и две выделенных гибко программируемых линии прерывания. Датчик обеспечивает полную шкалу выходного сигнала ±2,0g, высокую температурную стабильность и большую устойчивость к смещению. Встроенные функции самотестирования позволяют проверять датчик после установки на плату. LIS331DLF, LIS331DLM, LIS331DLH — 6-, 8- или 12-разрядные приборы с цифровым выходом, которые являются pin-to-pin- и программно-совместимыми.
Основным назначением инерциальных датчиков является измерение ускорения, однако на их основе можно измерять наклон, движение объекта, определение положения в пространстве, силу ударов и вибрацию.

Семейство МЭМС-гироскопов ST

Семейство гироскопов содержит трехосевые датчики (Yaw, Pitch и Roll). На рисунке 5 показаны направления и названия чувствительных осей датчика по отношению к плоскости корпуса.

Рис. 5. Расположение базовых осей чувствительности МЭМС-гироскопа по отношению к корпусу

Базовым параметром гироскопов является чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к изменению угла поворота.
Параметр Zero-rate характеризует начальное смещение выходного сигнала при нулевом повороте датчика. Смещение связано с технологией изготовления и может измениться после монтажа микросхемы. Оно имеет слабую зависимость от температуры и должно учитываться при обработке и выделении полезного сигнала.

Основные параметры гироскопа LYPR540AH

– Напряжение питания: 2,7…3,6 В.
– Расширенный температурный диапазон (–40…85°C).
– 3 независимых аналоговых канала.
– Диапазон полной шкалы: опции ±400 и ±1600 dps.
– Высокая ударопрочность.
– Встроенное самотестирование.
Объединение акселерометра и гироскопа позволяет создавать интегрированные инерционные системы (Inertial Movement Units, IMU).

Функционально законченные датчики

ST производит также функционально ориентированный датчик FC30, который представляет собой датчик 3D-ориентации прибора в пространстве и предназначен для мобильных и портативных устройств, в частности, для использования в электронных фоторамках. Встроенный в портативный прибор датчик обеспечивает слежение за ориентацией плоскости экрана дисплея прибора по отношению к пользователю. При обнаружении поворота плоскости экрана вокруг оси производится и поворот изображения, для того чтобы обеспечить его нормальное положение по отношению к пользователю.
Датчик также позволяет обнаруживать одиночные и двойные щелчки по экрану в процессе навигации в пользовательском графическом интерфейсе.

Заключение

Активное развитие мобильных устройств возвело акселерометры (датчики ускорения, перемещения и ориентации) в разряд базовых массовых компонентов современной продукции. К 2010 г. рост рынка МЭМС-акселерометров составит 14,1%, а с 2011 по 2012 гг. ожидается удвоение этого сегмента. Массовому использованию датчиков акселерометров способствовало их существенное удешевление — в 2008 г. цена МЭМС-чипа снизилась до 1 долл. и менее. В настоящее время 40% выпускаемых акселерометров находит свое применение в автомобильной промышленности, а в мобильных телефонах и другой потребительской электронике пока используется лишь 22% всего объема этих чипов. При этом доля такого применения будет увеличиваться. К 2013 г. рынок акселерометров вырастет до 1,7 млрд долл. Успех Apple iPhone способствовал росту продаж микроэлектромеханических систем. К концу текущего года 10% из всех поставленных мобильных устройств, а таких насчитывается 1,29 млрд, включали МЭМС-акселерометры. Выручка от продаж всех типов МЭМС для мобильных устройств к концу 2012 г. достигнет 1,3 млрд долл. Востребованы МЭМС-акселерометры и гироскопы у производителей игровых консолей. В ближайшие годы ожидается рост спроса на МЭМС-устройства для ПК.

Литература

1. Александр Райхман. STMicroelectronics — мировой лидер в производстве датчиков движения//Новости электроники № 2, 2009.
2. Андрей Еманов. Инерциальные датчики STMicroelectronics.
3. Веб-семинар “МEМS Gyroscopes: Their main applications, internal structure, working principles”.
4. Datasheet. LYPR540AH МЭМС motion sensor: 3 axis analog output gyroscope.
5. AN2041 Application note LIS3LV02DQ: 3-axis — ±2g/±6g Digital Output Low Voltage Linear Accelerometer.

Улитка гироскопических инноваций

Инновационные циклы в гироскопостроении длятся сорок-пятьдесят лет, причем смена одного на другой происходит только после серьезного прорыва в физике и технологиях. По гироскопам можно мерять ход научных революций


Инерциальные системы навигации — вершина развития систем навигации с древнейших времен. В основе инерциальной навигации лежат простые соображения: измеряя ускорение движения, можно путем его интегрирования вычислять скорость, а интегрированием скорости можно определять текущее местоположение (координаты) движущегося объекта.


Ускорение — векторная величина, которая имеет не только численное значение, но и направление. Следовательно, система датчиков, определяющая ускорение, должна измерять и его величину, и его направление. Величину ускорения определяет специальный прибор — акселерометр, который был изобретен в конце XIX века для установки в автомобилях и паровозах с целью контроля скорости их движения. Информацию о направлении движения объекта дают гироскопы, обеспечивающие опорную систему координат для акселерометров.


 

Полтора века гироскопии


В то время как устройство акселерометров принципиально не менялось с момента их создания, гироскопы за последние сто пятьдесят лет прошли в своем развитии четыре больших этапа принципиальных преобразований, каждый из которых непосредственно связан с историей развития физики и технологий.


Столь длительный цикл не случаен. Создание гироскопов, их доведение до уровня промышленных образцов — это длинный путь, двадцать, а то и тридцать лет. Не приходится ожидать, что кто-то вдруг придумает новый тип гироскопа, тут же запустит его в производство и всех опередит. Цикл жизни таких изделий тоже очень длинный: затраты на их разработку очень велики, и, пока они не окупятся, никто и не будет спешить что-то менять в системах, где они используются. А предшествующая разработка теоретических основ гироскопии потребовала еще больше времени.


Этот гирокомпас использовался во Второй мировой войне для управления полетом ракет «Фау-2»


Фотография: gettyimages.ru


Первый этап — это классический механический гироскоп, который был изобретен французским физиком Жаном Бернаром Леоном Фуко в середине XIX века. Первые промышленные образцы появились в конце XIX века — австрийский инженер Людвиг Обри применил гироскоп для стабилизации курса торпеды.


Хотя детская игрушка — волчок, изучение поведения которого легло в основу теории гироскопов, — известна с древнейших времен, создание гироскопа стало возможным только после серьезного развития классической механики и ее математического аппарата, что заняло значительную часть XVIII и XIX веков. В основу теории гироскопов легли труды многих величайших ученых — от Ньютона и Эйлера до Ковалевской и Жуковского. Одновременно, во многом на основе тех же теоретических достижений, развивались технологии точной обработки металлов, появилось современное металлорежущее оборудование, без которого изготовление гироскопов невозможно.


Второй этап развития гироскопии — это кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ). Их создание стало возможным только после длительного периода развития квантовой электроники, занявшего почти весь ХХ век. В ее основе лежат труды творцов современной физики, начиная с Эйнштейна и заканчивая создателями первых квантовых генераторов — Прохоровым, Басовым, Таунсом. В нашей стране их начали разрабатывать еще в 1970-е, а пик применения — это уже 2000 годы. Создание лазерных гироскопов стало возможным благодаря появлению прецизионных методов механической и физической обработки различных материалов, в первую очередь зеркальных стекол. Шероховатость их поверхности — пять ангстрем — это уже на уровне размера атома. А радиус кривизны такого зеркала составляет семь метров при размере два сантиметра.


Изобретение гироскопа стало результатом изучения поведения древнейшей детской игрушки — волчка


Третий этап развития гироскопии, пик которого приходится на наше время, — это использование в системах навигации волновых твердотельных гироскопов (ВТГ). На их примере можно видеть спираль развития гироскопов, что называется, в натуральном виде: от механического гироскопа через оптико-электронный, снова к механическому, основанному на другом принципе (он описан ниже). Этот принцип был разработан уже в конце ХIX века, создание самих гироскопов стало возможным благодаря переходу на следующий этап развития средств обработки различных материалов, того же стекла. Ведь точность обработки резонаторов ВТГ достигает одного микрона. Но и этой точности для работы ВТГ недостаточно. Приходится проводить его дополнительную ионоплазменную балансировку с точностью до десятков ангстрем. К механической обработке добавилась физическая.


Наконец, четвертый этап развития гироскопии — это появление микроэлектромеханических систем, МЭМС, физические принципы работы которых такие же, как и у больших гироскопов, но изготавливаются они на основе технологий обработки кремния — тех же самых, что используются при изготовлении микросхем и сверхбольших интегральных схем (СБИС). В 1964 году компания Westinghouse выпустила первую серийную МЭМС — резонансный затворный транзистор. А английская компания Silicon Sensing произвела первый МЭМС-гироскоп в 1985 году. В переплетении спиралей развития физики и технологий механической обработки материалов появилась спираль электронных технологий1.

Механический гироскоп


В 1852 году французский физик, механик и астроном, будущий член Парижской академии наук и член-корреспондент Петербургской академии наук, Жан Бернар Леон Фуко описал созданный им прибор, который он назвал гироскопом (от греч. gyros — «круг», gyrou — «кружусь», «вращаюсь» и scopeo — «смотрю», «наблюдаю»). Как показал Фуко, с его помощью можно автономно определять направление движения объекта и его скорость.


Как уже было сказано, изобретение гироскопа стало в известном смысле результатом изучения поведения древнейшей детской игрушки — волчка. Если раскрутить волчок относительно оси симметрии, то выясняется, что он оказывает энергичное сопротивление попытке изменить положение оси вращения, его ось вращения устойчиво сохраняет свое положение при наклонах основания или толчках. Именно в силу этого свойства вращающийся волчок не падает, а его ось описывает конус вокруг вертикали; это движение называется регулярной прецессией тяжелого твердого тела. Можно показать, что ось волчка в конце концов устанавливается параллельно земной оси. Этим и объясняется применение «волчка» в гироскопах.


В гироскопе Фуко ротор (волчок) был установлен в карданов подвес с вертикальной осью наружной рамки. Фуко указал на три возможности использования гироскопа:


  • если быстровращающийся ротор имеет три степени свободы, то его ось вращения сохраняет неизменную ориентацию в инерциальном пространстве, что позволяет с помощью такого прибора наблюдать вращение Земли;


  • если внутреннюю рамку жестко связать с наружной так, чтобы ось ротора могла поворачиваться лишь в горизонтальной плоскости, то эта ось стремится установиться в плоскость меридиана;


  • если наружную рамку жестко связать с корпусом, а внутренней рамке дать свободу вращения относительно ее оси и установить ось ротора в плоскость меридиана, то она стремится установиться параллельно оси вращения Земли.


    Гироскопы за последние сто пятьдесят лет прошли в своем развитии четыре больших этапа принципиальных преобразований, каждый из которых непосредственно связан с историей развития физики и технологий



Свободно вращающийся гироскоп под воздействием внешней силы отклоняется не в направлении этой силы, а перпендикулярно ей — прецессирует. В авиации, например, это свойство позволяет судить о движении самолета в пространстве в отсутствие ориентиров. Прецессия возникает, например, если крыло самолета, в котором установлен гироскоп, начинает крениться. Тогда пилот на приборной доске видит угол поперечного крена, что очень важно, если нет никаких ориентиров. Кроме того, он видит продольный крен, от носа до хвоста. Если гироскоп связан с акселерометрами (приборами, измеряющими скорость самолета), то может функционировать как автопилот, то есть автоматически поддерживать самолет на курсе.

Лазерный гироскоп


Действие лазерных гироскопов основано на эффекте Саньяка, названном по имени французского физика Жоржа Саньяка, который в 1913 году построил оптический интерферометр для измерения скорости вращения. Суть эффекта Саньяка в том, что во вращающейся системе координат время прохождения электромагнитной волны по замкнутому контуру отличается от времени его прохождения по такому же контуру в покоящейся системе координат и зависит еще и от направления вращения. Световой луч, создаваемый источником света, разделялся на две части, которые шли в противоположных направлениях по периметру платформы и попадали на интерферометр. По изменению интерференционной картинки можно было судить о скорости вращения системы.


Однако реализовать его в гироскопии стало возможным только после изобретения лазера. Впервые сообщение о возможности создания на основе лазеров принципиально новых измерительных приборов — лазерных гироскопов — было сделано в конце 1962 года будущим лауреатом Нобелевской премии Александром Прохоровым в Физическом институте АН СССР. Но еще за десять лет до появления первых лазеров в Советском Союзе Израиль Берштейн провел экспериментальные исследования эффекта Саньяка в радиодиапазоне по схеме, которая по существу соответствует современной архитектуре построения волоконно-оптических гироскопов. Предпосылок для перенесения этих исследований в оптический диапазон тогда еще не было, но приоритет Израиля Берштейна, предвосхитившего концепцию построения волоконно-оптического гироскопа, признают в России и в СШA.


Одновременно в 1962 году А. Розенталь (США) предложил, а В. Мацек и Д. Дэвис (США) реализовали первый He-Ne лазер с кольцевым резонатором (кольцевой лазер), с которого началось развитие лазерной гироскопии. А одну из первых моделей лазерного гироскопа продемонстрировала компания Lockheed Martin уже в середине 1960-х.


Лазерный гироскоп называется кольцевым, поскольку луч в нем, отражаясь от зеркал, проходит по замкнутому контуру в форме квадрата или треугольника. По кольцевому контуру проходят два луча лазера в противоположных направлениях, навстречу друг другу. Если вся эта система лазера и зеркал неподвижна в инерциальной системе отсчета, то частоты обоих лучей, воспринимаемые детектором, будут одинаковы. Но если эта система будет вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости траектории лучей, то измеряемые частоты лучей вследствие эффекта Доплера будут различаться. Причем тем сильнее, чем больше угловая скорость вращения. Ее можно определить по интерференционной картинке на детекторе.

Волновые твердотельные гироскопы (ВТГ)


В основе работы волновых твердотельных гироскопов лежит использование механических колебаний стенок сосудов, которые используются как резонаторы колебания. Хотя идея волнового твердотельного гироскопа зародилась в конце XIX века и была высказана английским ученым Дж. Х. Брайаном еще в 1892 году, реальные работы над ВТГ начались в 80-е годы ХХ века.


Брайан обратил внимание на то, что, если щелкнуть по бокалу, сделанному из хорошего хрусталя, он достаточно долго звенит и если его в это время поворачивать, то звон пульсирует. Наблюдая в микроскоп за краем бокала, он увидел, что при этом возникают изгибные колебания края бокала, которые представляют собой стоячую волну, и что при вращении бокала эта волна тоже вращается, но с меньшей скоростью. Брайан доказал, что вращение бокала относительно основания приводит к тому, что узлы колебаний на краю оболочки движутся с угловой скоростью (или скоростью прецессии), меньшей, чем скорость самой оболочки. Это явление по своим физическим основаниям сродни прецессии оси волчка. Из этого наблюдения и появилась идея ВТГ.


Хотя теория этого явления была во многом разработана к концу XIX столетия, должно было пройти еще полвека, прежде чем специалисты исследовательской компании Delco Wakefield в Массачусетсе заново открыли работу Брайана. В результате их разработок был создан современный ВТГ, который затем нашел практическое применение.


Важную роль в разработке теории ВТГ сыграли ученые Института проблем механики имени А. Ю. Ишлинского РАН.


Как было сказано выше, ВТГ имеет форму полусферической оболочки, или бокала с жестко зафиксированной точкой крепления на основании полусферы. При ударе по верхнему ободку оболочки ободок полусферы приходит в движение и производит стоячую волну, которая резонирует на определенной частоте. Положение пучностей и узлов возникшей стоячей волны стабильно относительно оболочки, однако, если оболочка вращается вокруг опорной точки или стержня, стоячая волна отстает от физического вращения оболочки на определенный период. Например, если оболочка физически поворачивается на 90°, стоячая волна запаздывает на 27°. При вращении основания вокруг оси симметрии оболочки стоячая волна, возбужденная в резонаторе, начинает поворачиваться как относительно резонатора, так и относительно инерциального пространства. Зная угол поворота волны относительно резонатора, можно рассчитать угол поворота основания.


Создание механических гироскопов стало возможным только после серьезного развития классической механики и ее математического аппарата, что заняло значительную часть XVIII и XIX веков и появления современного металлорежущего оборудования


На внешнюю и внутреннюю поверхности резонатора, около рабочего края, напыляются металлические электроды, образующие вместе с такими же электродами, нанесенными на окружающий резонатор кожух, конденсаторы, которые служат для силового воздействия на резонатор с целью возбуждения колебаний и поддержания их постоянной амплитуды и позволяют замерять величину колебаний стенок резонатора.


Уникальность прибору обеспечивает множество параметров, в частности минимальное по сравнению с аналогами время готовности, максимально широкий динамический диапазон, высокая устойчивость к механическим воздействиям.

Микромеханические гироскопы


Вскоре после разработки первых микросхем возникла идея создания микромеханических систем по аналогичным технологиям. МЭМС-устройства изготавливают на кремниевой подложке аналогично технологии производства однокристальных интегральных микросхем, поэтому их размеры варьируются от нескольких десятков микрон до нескольких миллиметров.


Изготовление МЭМС очень похоже на создание микросхем. Здесь тоже используется кремний — самый популярный в микроэлектронике материал, а технология создания МЭМС-устройств очень напоминает процедуру создания интегральных схем. И в той и в другой есть


возможность создавать необходимые структуры в едином технологическом процессе.


Первыми по этой технологии были созданы датчики давления и ускорения. Массовое производство первого датчика давления, выполненного по МЭМС-технологии, было освоено компанией National Semiconductor в 1974 году, а начало производства МЭМС-датчиков давления и акселерометров для подушек безопасности автомобилей в мировом масштабе относится к началу 1990-х.


В середине 1980-х начались интенсивные поиски путей создания микроминиатюрных, дешевых, пригодных для крупносерийного производства гироскопов. В Британии это была, как мы уже упомянули, компания Silicon Sensing, во Франции — Sagem, а в США — Лаборатория им. Ч. Дрейпера. МЭМС-гироскопы, предназначенные для различных гаджетов, выпускаются сегодня миллионами штук фирмами разных стран.


В России исследования микромеханических гироскопов (ММГ) начались в конце 1990-х, и сейчас их выпускает ряд отечественных компаний.


Существуют МЭМС-гироскопы, работающие как ВТГ и как вибрационные гироскопы. Работа вибрационных гироскопов основана на свойстве камертона, заключающемся в стремлении сохранить плоскость колебаний своих ножек. Теория и эксперимент показывают, что в ножке колеблющегося камертона, установленного на платформе, вращающейся вокруг оси симметрии камертона, возникает периодический момент сил, частота которого равна частоте колебания ножек, а амплитуда пропорциональна угловой скорости вращения платформы. Поэтому, измеряя амплитуду угла закрутки ножки камертона, можно судить об угловой скорости платформы.


Лазерный гироскоп — навигационный прибор авиационной и космической промышленности производства Раменского приборостроительного завода


Фотография: visualrian.ru


В микромеханическом гироскопе вибрационного типа кремниевое кольцо свободно подвешено на изогнутых кремниевых пружинках, которые одним концом крепятся к неподвижной центральной шайбе. Когда на управляющие электроды подается напряжение, то под действием электростатических сил кольцо начинает вибрировать, возникает стоячая волна, которую отслеживают считывающие электроды. Если кольцо под действием внешних сил поворачивается, стоячая волна искажается, и сигнал о направлении поворота поступает на считывающие электроды. По величине искажений можно судить о скорости поворота.


Поскольку требования к точности и надежности гироскопов и систем навигации постоянно повышаются, в мире идут поиски путей создания гироскопов на новых принципах. Одно из направлений — так называемые квантовые гироскопы, в основу действия которых положены гироскопические свойства частиц: атомных ядер, электронов, фотонов и т. д. Так что можно ожидать, что мы (или наши потомки) будем наблюдать новые витки гироскопической спирали.

От астролябии до GPS


Люди с древнейших времен совершали дальние путешествия и нуждались в надежных средствах навигации для определения своих координат и направления движения, особенно в кораблевождении.


Уже в те далекие времена люди научились днем ориентироваться по Солнцу, а ночью по звездам. Древние мореходы — греки, финикийцы — для грубого определения своего местоположения и оценки широты замеряли угол между направлением на Полярную звезду и плоскостью местного горизонта.


Первым навигационным прибором стала астролябия — прибор для определения широты. Появилась она в Древней Греции, а окончательный вид приобрела в IV веке нашей эры. Ученые исламского Востока усовершенствовали астролябию. С XII века она становится известна и в Западной Европе.


В XVIII веке на смену астролябии приходит секстант, изобретенный в 1730 году независимо друг от друга английским математиком Джоном Хэдли и американским изобретателем Томасом Годфри. Это инструмент, используемый для измерения высоты Солнца и других космических объектов над горизонтом с целью определения географических координат точки, в которой производится измерение.


А в средневековом Китае изобрели магнитный компас — прибор, который после многовековых усовершенствований используется в навигации до сих пор.


Недостатки всех этих приборов известны: из-за многочисленных аномалий магнитного поля Земли и магнитных бурь магнитный компас —устройство весьма капризное, а звезды и Солнце в любой момент могут спрятаться в густом тумане или за тучами штормового неба.


Отсутствие аппаратуры, обеспечивающей получение точной информации о местоположении, стало особенно ощущаться в конце XIX — начале ХХ века и оказалось серьезным препятствием на пути развития мореходства, в том числе подводного, и авиации. Новые навигационные задачи возникали при строительстве подземных сооружений: шахт и метро.


Выходом стало создание автономных инерциальных навигационных систем (ИНС), ключевыми элементами которых являются акселерометры — приборы для определения ускорения и гироскопы разного типа2.


Инерциальная навигация — это метод определения координат объекта, основанный на известном физическом явлении — инерции тел. Проявляется это, в частности, в свойстве известной детской игрушки — волчка устойчиво сохранять положение своей оси вращения параллельно земной оси.


Главное достоинство ИНС — они автономны, то есть не требуют наличия внешних ориентиров или сигналов, поступающих извне.


Инерциальная навигация стала одним из важнейших направлений судостроения, авиационной и космической техники, атомного подводного флота. А соответствующая отрасль приборостроения — одной из самых наукоемких в промышленности. Ведь вся история рождения и становления инерциальной навигации основана на непосредственном использовании теоретической механики и фундаментальной математики при решении практических инженерных задач.


И поэтому не случайно технологиями, необходимыми для создания инерциальных навигационных систем самой высокой точности, которые используются в первую очередь в военной и космической технике, в мире в полном объеме сейчас владеют всего четыре страны — США, Франция, Россия и Китай.


В последние десятилетия получили развитие и стали неотъемлемой частью нашей жизни спутниковые системы навигации — GPS, ГЛОНАСС и другие. Датчики этих систем установлены не только на кораблях или самолетах, но и в автомобилях и почти во всех современных гаджетах, позволяя нам самим определять свое местоположение, равно как и следить за нами, что многих уже стало и раздражать.


Но развитие космических систем навигации не отменило использования инерциальных систем. Дело в том, что GPS, ГЛОНАСС и им подобные не покрывают всей поверхности Земли и тем более подземных сооружений и подводных объектов, а возможный выход этих систем или их составляющих из строя заставляет предусматривать наличие дублирующих автономных навигационных систем. Поскольку системы инерциальной навигации автономны, на их работе не сказываются погодные условия. Они не поддаются радиоэлектронному подавлению и обеспечивают скрытность использующих их объектов.


Важное направление развития современных навигационных систем — интеграция спутниковых (СНС) и инерциальных (ИСН) систем навигации, поскольку тем же современным летательным аппаратам не хватает точности, которую могут предоставить ИСН и СНС по отдельности.


Вот почему, несмотря на развитие космических систем навигации, инерциальные системы продолжают развиваться, а в последнее время даже очень интенсивно, к чему их подталкивает конкуренция с космическими средствами.

STIM277H: герметичный МЭМС-гироскоп | VD MAIS

Компания Sensonor начала производство новых МЭМС-гироскопов в модульном исполнении с повышенной герметичностью (MIL-STD-883J, класс H) для ответственных применений.

О начале производства STIM277H, как и инерциального измерительного модуля STIM377H, было объявлено в сентябре, тогда же были выложены в открытый доступ и результаты исследований влияния радиации на работу гироскопов и измерительных модулей Sensonor, обобщившие многолетний опыт эксплуатации приборов как в проектах НАСА и Европейского Космического Агентства, так и в учебных наноспутниках CubeSat, запускаемых университетами и околоуниверситетскими проектами на орбиту и в открытый космос (да-да, уже есть прецеденты отправки студенческих творений за пределы земной орбиты).

Производитель не скрывает свою заинтересованность в дальнейшем развитии “космического” сегмента и неофициально уже анонсировал появление в следующем году адаптированных к работе в условиях космической радиации изделий для навигации в космосе. При том, что уже сегодня продукция Sensonor широко используется в КА, а выпуск герметичных STIM277H и STIM377H – еще один очевидный шаг в этом направлении.

Новые гироскопические модули STIM277H созданы на базе отлично зарекомендовавших себя в эксплуатации МЭМС-гироскопов серии STIM210 и обратно совместимы с предшественниками. По функциональным характеристикам модули не отличаются: те же диапазон и точность измерения (см. ниже), та же 32-битный RISC ARM микроконтроллер и 24-битная ASIC, те же габариты и [почти] тот же вес.

Отличием является повышенная герметичность модуля и более строгие условия производства и поставки заказчикам. Модули имеют герметичный алюминиевый корпус с герметизированным стеклом электрическим разъемом micro-d и крышкой, закрепленной с помощью лазерной сварки для продолжительного обеспечения герметичности. Герметичность сборки проверена в соответствии с MIL-STD-883J, класс H. Компоненты поставляются в “беспылевой” упаковке для чистых помещений, без этикеток (идут в комплекте отдельно), для поверхностной защиты модулей от коррозии использован широко применяемых в космической отрасли тех.процесс пассивации SurTec650. Конструкция проверена на срок службы более 20 лет посредством ускоренных высокотемпературных испытаний (на основе модели Аррениуса). Ожидаемый срок активного спользования (MTBF) при +52 °C составляет более 70 тысяч часов (по MIL-HDBK 217).

STIM277H содержит три высокоточных MEMS-гироскопа. Модуль калибруется в заводских условиях и оснащен подсистемой температурной компенсации для обеспечения высокой стабильности результатов при эксплуатации в различных условиях.

Твердотельный компонент устойчив к электромагнитным излучениям, характеризуется малыми гироскопическими неустойчивостью (0.3°/h) и шумом (0.15°/√h), выдерживает серьезные ударные нагрузки (до 1500 g) при малой нестабильности акселерометра (0.05mg). Диапазон измерений составляет ±400 градус/с. Производительность прибора достигает 2000 измерений в секунду. Прибор имеет компенсированный цифровой интерфейс RS422 (3.75 Мбит/с), возможность конфигурирования пользователем установок и формата выходных данных. Разработчик предоставляет заказчикам отладочные средства и программное обеспечение.

Вес модуля не превышает 52 грамма, суммарно габариты – менее 35 см3.

Модули хорошо подходят для спутниковых систем управления орбитальным полетом, пусковых установок, портативных систем обнаружения целей, БПЛА, наземных навигационных систем, систем обеспечения устойчивости ракет и навигационных систем на основе ГНСС.

STIM277H производится в Европе и не требует лицензирования ITAR.

За консультациями по поставкам новейших компонентов и систем обращайтесь в отдел электронных компонентов научно-производственной фирмы VD MAIS – официального дистрибьютора и профессионального поставщика инновационных решений для высокотехнологичных отраслей промышленности Украины.

Новости / Служба новостей ТПУ

Ученые Томского политехнического университета разработали первые российские датчики для автономной навигации беспилотников, сочетающие в себя сразу три функции. При этом они удароустойчивые и могут работать при экстремальных температурах.

Фото: в «чистой лаборатории» ТПУ

«Сегодня практически на любых подвижных объектах — от смартфона до дрона — используются микроэлектромеханические (МЭМС) датчики, размеры которых измеряются микрометрами. Они отвечают за автономную ориентацию объекта в пространстве без связи со спутником. Зарубежные компании выпускают такие датчики на десятки миллиардов долларов в год, в России этот рынок менее развит. Кроме того, не на все объекты можно поставить импортные датчики. Поэтому сейчас в России высока потребность в собственных датчиках», — говорит руководитель исследования, доцент отделения электронной инженерии ТПУ Тамара Нестеренко.

Специалисты ТПУ создали интеллектуальный инерциальный модуль, который совмещает в себе функции сразу трех МЭМС датчиков — гироскопа, акселерометра и магнитометра. Гироскоп измеряет угловую скорость объекта, акселерометр — ускорение, а магнитометр помогает определять стороны света. Инерциальный модуль, сочетающий в себе все три функции, представляет собой полноценную автономную навигационную систему. При этом он универсальный и может быть установлен на объекты разного типа.

«У российских производителей таких датчиков сегодня нет. Наши датчики удароустойчивые — выдерживают удары до 30 000 g (g — ускорение свободного падения, ред.), работают в широком диапазоне температур — от -40 °С до +105 °С», — отмечает Тамара Нестеренко.

Работы по созданию датчиков были поддержаны Федеральной целевой программой (ФЦП) Минобрнауки России. На средства ФЦП в вузе была создана единственная за Уралом «чистая лаборатория» для экспериментальных исследований и корпусирования  микроэлектромеханических сенсоров.

И сама комната, и оборудование в ней российского производства. В лаборатории есть электронный микроскоп, температурная и вакуумная камеры, установка для распайки золотыми проводниками контактов в датчиках и рабочие места для сотрудников.

Фото: в «чистой лаборатории» ТПУ

«Из такой лаборатории система фильтрации воздуха удаляет всю пыль. Если частицы пыли не удалить, то они могут попасть в промежутки между подвижными элементами МЭМС датчиков, и вся система не будет работать. Сейчас наши датчики делают на сторонней производственной площадке, а мы в своей лаборатории исследуем их и соединяем электронную часть датчика с механической. Теперь нам не нужно искать, где можно провести такие исследования, что существенно ускорило процесс», — поясняет ученый.

Об измерении движения в спорте на основе гироскопов и акселерометров — инженерная точка зрения

  • 1.

    Broelmann, J., Intuition und Wissenschaft in der Kreiseltechnik (Интуиция и наука в гироскопической технике), Мюнхен: Немецкий музей, 2002.

    Google Scholar

  • 2.

    Копта, В., Фарсероту, Дж., И Энц, К., FM-UWB: на пути к надежному маломощному радио для локальных сетей, Датчики, 2017, т. 17, нет.5, бумага 1043.

    Google Scholar

  • 3.

    Щесна, А., Скуровски, П., Лах, Э., Прушовски, П., Пешор, Д., Пашкута, М., Слупик, Дж., Лебек, К., Яняк, М. , Полански А., Войцеховски К. Исследование дизайна костюмов с инерционным захватом движения, Датчики, 2017, т. 17, нет. 3, бумага 612.

    Google Scholar

  • 4.

    Маре, Х. де и Местер, Дж., Sportphysiologie III (Физиология спорта III), Франкфурт-на-Майне: Diesterweg, 1984.

    Google Scholar

  • 5.

    Титтертон, Д.Х., Уэстон, Дж. Л., Свободная инерционная навигационная технология, Стивенидж: Институт инженеров-электриков, 2004, 2-е издание.

    Google Scholar

  • 6.

    * Вагнер, Дж. Ф., Адаптация принципа интегрированных навигационных систем к измерению движения жестких многотельных систем, Multibody System Dynamics, 2004, т. 11, вып.1. С. 87–110.

    Артикул
    МАТЕМАТИКА

    Google Scholar

  • 7.

    Мезаль М., Тэц Б., Блезер Г. О слежении за инерционным телом при наличии ошибок калибровки модели // Датчики. 16, нет. 7, бумага 1132.

    Google Scholar

  • 8.

    Вальтер П.Л. История акселерометра // Звук и вибрация. 1. С. 84–92.

    Google Scholar

  • 9.

    Повова Т. Биодинамика самостоятельной ходьбы ребенка. М .: ЦНИИ физической культуры, 1940.

    Google Scholar

  • 10.

    Фойгт Р., Убер ден Ауфбау фон Бевегунгсгестальтен (О построении форм движения), Neue Psychologische Studien (Новые психологические исследования), 1933, т. 9. С. 5–32.

    Google Scholar

  • 11.

    * Моррис, Дж.Р.В., Акселерометрия — метод измерения движений человеческого тела, Журнал биомеханики, 1973, т. 6, вып. 6. С. 729–736.

    Артикул

    Google Scholar

  • 12.

    Каванья Г., Сайбене Ф. и Маргария Р. Трехнаправленный акселерометр для анализа движений тела, Журнал прикладной физиологии, 1961, вып. 16, с.191.

    Артикул

    Google Scholar

  • 13.

    Томас Дж. Г. Использование пьезоакселерометра в изучении динамики глаза, Журнал Оптического общества Америки, 1965, т. 55, нет. 5. С. 534–537.

    Артикул

    Google Scholar

  • 14.

    Базелли, Г., Леньяни, Г., Франко, П., Броньоли, Ф., Маррас, А., Куаранта, Ф., и Заппа, Б., Оценка инерционного и гравитационного воздействия на вестибулярная система, Журнал биомеханики, 2001, т. 34, нет. 6. С. 821–826.

    Артикул

    Google Scholar

  • 15.

    Гвин, Дж. Т., Чу, Дж. Дж., Макаллистер, Т. А. и Гринвальд, Р. М., Измерения ускорения удара головой на месте в мужском хоккее с шайбой NCAA Division I: последствия для ASTM F1045 и других стандартов хоккейных шлемов, Журнал ASTM International, 2009 , т. 6, вып. 6, бумага JAI101848.

    Google Scholar

  • 16.

    Льоса, Дж., Вилахосана, И., Вилахосана, X., Наварро, Н., Суриньяч, Э., и Маркес, JM, REMOTE, система на основе беспроводной сети датчиков для мониторинга результатов гребли, Датчики , 2009, т.9, вып. 9. С. 7069–7082.

    Google Scholar

  • 17.

    Джурич-Йовичич, М.Д., Йовичич, Н.С., Попович, Д.Б., Кинематика походки: новый метод оценки угла на основе акселерометров, Датчики, 2011, т. 11, вып. 11. С. 10571–10585.

    Артикул

    Google Scholar

  • 18.

    Парк С., Хонг С.К., Оценка угловой скорости с использованием распределенного набора акселерометров, Датчики, 2011, т.11, вып. 11. С. 10444–10457.

    Артикул

    Google Scholar

  • 19.

    * Пичерно П., 25 лет кинематики суставов нижних конечностей с помощью инерциальных и магнитных датчиков: обзор методологических подходов, Gait & Posture, 2017, vol. 51, нет. 1. С. 239–246.

    Артикул

    Google Scholar

  • 20.

    * Цорн, А.Х., Слияние системных технологий: инерциальная навигация с акселерометром и гравитационная градиентометрия, 2002 IEEE Position Location and Navigation Symposium, Piscataway, NJ: IEEE, 2002, стр.66–73.

    Google Scholar

  • 21.

    Цунода, К., Применение кинематического устройства GPS для анализа аэродинамической силы во время прыжков с трамплина, 22-й ежегодный конгресс Европейского колледжа спортивных наук, Ферраути, А., Платен, П., Гриммингер -Сайденстикер, Э., Джайтнер, Т., Бартмус, У., Бехер, Л., Де Маре, М., Мюльбауэр, Т., Шауэрте, А., Вевельхове, Т., и Цолакидис, Э. (ред. ), Метрополис-Рур: ECSS, 2017, стр. 535–536.

    Google Scholar

  • 22.

    * Куэста-Варгас, А.И., Галан-Меркант, А., Уильямс, Дж. М., Использование системы инерциальных датчиков для анализа движений человека, Physical Therapy Reviews, 2010, т. 15, вып. 6. С. 462–473.

    Артикул

    Google Scholar

  • 23.

    Кэхилл-Роули К. и Роуз Дж. Параметры пространственно-временного охвата, полученные с помощью инерциальных датчиков: сравнение с захватом движения на основе трехмерных маркеров, Journal of Biomechanics, 2017, vol.52. С. 11–16.

    Артикул

    Google Scholar

  • 24.

    Роберт-Лашейн, X., Мешери, Х., Лару, К., Пламондон, А., Валидация инерциальных единиц измерения с оптоэлектронной системой для анализа движения всего тела, Медицинская и биологическая инженерия и Вычислительная техника, 2017, т. 55, нет. 4. С. 609–619.

    Артикул

    Google Scholar

  • 25.

    * Филиппески, А., Шмитц, Н., Мизаль, М., Блезер, Г., Руффальди, Э., и Стрикер, Д., Обзор методов отслеживания движения на основе инерционных датчиков: внимание к движению человека в верхних конечностях, Датчики, 2017, т. . 17, нет. 6, бумага 1257.

    Google Scholar

  • 26.

    * Camomilla, V., Bergamini, E., Fantozzi, S., and Vannozzi, G., Использование носимых магнито-инерционных датчиков в полевых условиях для оценки спортивных результатов, 33-й Международный симпозиум по биомеханике в спорте. , Коллауд, Ф., Домалейн, М., и Моне, Т. (ред.), Констанц: ISBS, 2015, стр. 1425–1428.

    Google Scholar

  • 27.

    Хартманн, Б., Линк, Н. и Троммер, Г.Ф., Оценка положения в помещении в 3D с использованием недорогих инерциальных датчиков и видеотрекинга на основе маркеров, Симпозиум IEEE / ION по положению, местоположению и навигации 2010 г., Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE, 2010, стр. 319–326.

    Google Scholar

  • 28.

    Фавр Дж., Джоллес Б.М., Сигрис О. и Аминиан К., Слияние гироскопов и акселерометров на основе кватернионов для улучшения трехмерных угловых измерений, Electronics Letters, 2006, т. 42, нет. 11. С. 612–614.

    Артикул

    Google Scholar

  • 29.

    Купер, Г., Шерет, И., Макмиллан, Л., Силивердис, К., Ша, Н., Ходгинс, Д., Кенни, Л., и Ховард, Д., Инерционный датчик. оценка угла сгибания / разгибания колена на основе, Журнал биомеханики, 2009, т.42, нет. 16. С. 2678–2685.

    Артикул

    Google Scholar

  • 30.

    * Сабатини, А.М., Оценка трехмерной ориентации частей человеческого тела с помощью инерциального / магнитного зондирования, Датчики, 2011, т. 11, №2, с. 1489–1525.

    Артикул

    Google Scholar

  • 31.

    Лигорио, Дж., Бергамини, Э., Пациуто, И., Ванноцци, Дж., Каппоццо, А., и Сабатини, А.М., Оценка эффективности методов объединения датчиков: применение к магнитно-инерциальным технологиям. на основе отслеживания человеческого тела, Датчики, 2016, т.16, нет. 2, бумага153.

    Google Scholar

  • 32.

    Тонг К. и Гранат М.Х. Практическая система анализа походки с использованием гироскопов, Медицинская инженерия и физика, 1999, т. 21, нет. 2. С. 87–94.

    Артикул

    Google Scholar

  • 33.

    ван дер Сликке, RMA, Бергер, МАМ, Брегман, DJJ, Лагерберг, AH и Вигер, HEJ, Возможности для измерения кинематики кресла-коляски в настройках соответствия — надежность конфигурации трех инерциальных датчиков, Журнал биомеханики, 2015, т.48, нет. 12. С. 3398–3405.

    Артикул

    Google Scholar

  • 34.

    Норрис М., Андерсон Р. и Кенни И.К. Анализ метода акселерометров и гироскопов в беговой походке: систематический обзор, Journal of Sports Engineering and Technology, 2014, т. 228, нет. 1. С. 3–15.

    Google Scholar

  • 35.

    Ли, К., Янг, М., Наинг, В., и Донелан, Дж. М., Оценка скорости ходьбы с использованием инерционного измерительного устройства, установленного на стойке, Journal of Biomechanics, 2010, vol.43, вып. 8. С. 1640–1643.

    Артикул

    Google Scholar

  • 36.

    * Конг, В., Сесса, С., Зекка, М., и Таканиси, А., Анатомическая калибровка посредством постобработки данных стандартных тестов движения, Датчики, 2016, т. 16, нет. 12, бумага 2011.

    Google Scholar

  • 37.

    Шардонненс, Дж., Фавр, Дж., И Аминиан, К., Простая процедура согласования локальной системы отсчета инерциального измерительного устройства с локальной системой отсчета другой системы захвата движения, Журнал биомеханики, 2012 г. , т.45, нет. 13. С. 2297–2300.

    Артикул

    Google Scholar

  • 38.

    Wu, LC, Laksari, K., Kuo, C., Luck, JF, Kleiven, S., Bass, CR, and Camarillo, DB, Требования к полосе пропускания и частоте дискретизации для носимых датчиков удара головой, Журнал биомеханики, 2016, т. 49, нет. 13. С. 2918–2924.

    Артикул

    Google Scholar

  • 39.

    Сесса С., Личное сообщение, 9 мая 2017 г.

  • 40.

    Каппоццо А., Кроче Ю.Д., Лирдини А. и Киари Л. Анализ движений человека с помощью стереофотограмметрии: Часть 1: теоретические основы, Походка и осанка, 2005, т. 21, нет. 2. С. 186–196.

    Google Scholar

  • 41.

    * Гравина, Р., Алиния, П., Гасемзаде, Х., и Фортино, Г., Объединение нескольких датчиков в сетях телесных датчиков: современное состояние и исследовательские задачи, Информационное объединение , 2017, т.35. С. 68–80.

    Артикул

    Google Scholar

  • 42.

    * Букэ А., Гаоли Ф., Юнцай В., Лей С. и Чжици Ю. Алгоритмы здравоохранения с помощью носимых инерциальных датчиков: обзор, China Communications, 2015, т. 12, вып. 4. С. 1–12.

    Google Scholar

  • 43.

    Ринн П., Вехтер М. и Пейнке Дж., О применении подхода Ланжевена к данным баланса, Zur Problematik der Gleichgewichts-Leistung im Handlungsbezug: Theorie, Messtechnik, Datenverarbeitung, Anwendungen ( К проблеме выполнения баланса при действиях: теория, измерительная техника, обработка данных, приложения), Липпенс, В.и Нагель В. (ред.), Гамбург: Feldhaus, 2016, стр. 44–50.

    Google Scholar

  • 44.

    Грейвенхорст, Ф., Муареми, А., Дрейпер, К., Галлоуэй, М., и Тростер, Г., Определение уникальных биомеханических отпечатков пальцев для гребцов и корреляция со скоростью лодки? Подход на основе данных для анализа результатов гребли, Международный журнал компьютерных наук в спорте, 2015 г., т. 14, вып. 1. С. 4–33.

    Google Scholar

  • 45.

    Аввенути, М., Чезарини, Д., и Чимино, M.G.C.A, MARS, мультиагентная система для оценки координации гребцов с помощью стигмергии на основе движений, Сенсоры, 2013, т. 13, вып. 9. С. 12218–12243.

    Артикул

    Google Scholar

  • 46.

    Оздемир А.Т., Анализ местоположения датчиков человеческого тела для носимых устройств обнаружения падений: принципы и практика, Датчики, 2016, т. 16, бумага 1161.

  • 47.

    Москетти, А., Фиорини, Л., Эспозито, Д., Дарио, П., и Кавалло, Ф., Распознавание повседневных жестов с помощью носимых инерционных колец и браслетов, Датчики, 2016, т. 16, нет. 8, бумага 1341.

    Google Scholar

  • 48.

    * Глёрсен, О., Миклебуст, Х., Халлен, Дж., И Федерольф, П., Анализ техники у элитных спортсменов с использованием анализа главных компонентов, Journal of Sports Sciences, 2018, т. 36, нет. 2. С. 229–238.

    Артикул

    Google Scholar

  • 49.

    Хафер, Дж. Ф., Бойер, К. А., Изменчивость координации сегментов с использованием метода векторного кодирования: анализ надежности для ходьбы и бега на беговой дорожке, Gait & Posture, 2017, т. 51. С. 222–227.

    Артикул

    Google Scholar

  • 50.

    Земп Р., Лист Р., Гюлай Т., Эльсиг Дж. П., Наксера Дж., Тейлор В. Р. и Лоренцетти С. Артефакты мягких тканей спины человека: сравнение сагиттальная кривизна позвоночника, измеренная с помощью маркеров кожи и открытой вертикальной МРТ, PLoS ONE, 2014, vol.9, вып. 4, бумага е95426.

    Google Scholar

  • 51.

    Людвиг П.М., Кук Т.М. и Шилдс Р.К. Сравнение поверхностного датчика и измерения движения плечевой кости с фиксацией на кости, Журнал прикладной биомеханики, 2002, т. 18, нет. 2. С. 163–170.

    Артикул

    Google Scholar

  • 52.

    Нестер, К., Джонс, Р.К., Лю, А., Ховард, Д., Лундберг, А., Арндт, А., Лундгрен, П., Стакофф А. и Вольф П. Кинематика стопы во время ходьбы, измеренная с помощью маркеров, установленных на кости и на поверхности, Journal of Biomechanics, 2007, т. 40, нет. 15. С. 3412–3423.

    Артикул

    Google Scholar

  • 53.

    Левин, Р.С., Кинг, А.И., и Теннисон, С.А., Упрощенный метод крепления корпусов акселерометров к кости, Журнал биомеханики, 1979, т. 12. С. 47–54.

    Артикул

    Google Scholar

  • 54.

    Нортон, Ф.Х. и Аллен Э.Т., Ускорения в полете, Отчет № 99, Хэмптон, Вирджиния: Авиационная лаборатория NACA в Лэнгли, 1921.

    Google Scholar

  • 55.

    Коллин, Дж., Мезенцев, О., и Лашапель, Г., Внутренняя система позиционирования с использованием акселерометрии и высокоточных датчиков курса, Труды 16-го Международного технического совещания спутникового отдела Института навигации. Фэрфакс, Вирджиния: ИОН, 2003, стр. 1164–1170.

    Google Scholar

  • 56.

    Эвинс, Д.Дж., Модальное тестирование: теория, практика и применение, 2-е изд., Baldock: Research Studies Press, 2000.

    Google Scholar

  • 57.

    Вакелинг, Дж. М. и Нигг, Б. М., Вибрации мягких тканей четырехглавой мышцы, измеренные с помощью датчиков, установленных на коже, Journal of Biomechanics, 2001, vol. 34, нет. 4. С. 539–543.

    Артикул

    Google Scholar

  • 58.

    Шмидт Г.Л., Арора Дж.С., Джонстон Р.С., Акселерографический анализ нескольких типов ходьбы, Американский журнал физической медицины, 1971, т. 50. С. 285–300.

    Google Scholar

  • 59.

    Дубус Г.Дж., Оценка четырех моделей ультразвуковой обработки элитной гребли, Журнал по мультимодальным пользовательским интерфейсам, 2012, т. 5, вып. 3. С. 143–156.

    Артикул

    Google Scholar

  • 60.

    Вонг, Т.К., Вебстер, Дж. Г., Монтой, Х. Дж., И Уошберн, Р., Портативный акселерометр для измерения затрат энергии человека, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1981, т. 28, вып. 6. С. 467–471.

    Артикул

    Google Scholar

  • 61.

    Риспенс, С.М., Пийнаппельс, М., ван Скутен, К.С., Бик, П.Дж., Даффертсхофер, А., и ван Дин, Дж. Х., Согласованность характеристик походки, определенная на основе данных об ускорении, собранных в разных местах туловища. Походка и осанка, 2014, т.40, нет. 1. С. 187–192.

    Артикул

    Google Scholar

  • 62.

    Hildebrand, M., van Hees, VT, Hansen, BH, и Ekelund, U., Сопоставимость необработанных выходных данных акселерометра с мониторов, носимых на запястье и бедрах, по возрастным группам, Медицина и наука в спорте и упражнениях, 2014, т. 46, нет. 9. С. 1816–1824.

    Артикул

    Google Scholar

  • 63.

    Сасаки, Дж. Э., Джон, Д., и Фридсон, П.С., Проверка и сравнение мониторов активности ActiGraph, Журнал науки и медицины в спорте, 2011 г., т. 14, вып. 5. С. 411–416.

    Артикул

    Google Scholar

  • 64.

    Джон Д. и Фридсон П., Мониторы физической активности ActiGraph и Actical: взгляд изнутри, Медицина и наука в спорте и физических упражнениях, 2012, том. 44, нет. 1S, стр. S86 – S89.

    Google Scholar

  • 65.

    Хиллз А.П., Мохтар Н. и Бирн Н.М., Оценка физической активности и расхода энергии: обзор объективных показателей, Frontier in Nutrition, 2014, т. 1, бумага5.

  • 66.

    Ганзевлес, С., Вуллингс, Р., Бик, П.Дж., Даанен, Х., и Труидженс, М., Использование трехосной акселерометрии в ежедневных тренировках по плаванию элитных видов спорта, Сенсоры, 2017, т. 17, нет. 5, бумага990.

    Google Scholar

  • 67.

    Трояно, Р.П., Макклейн, Дж. Дж., Брихта, Р. Дж., Чен, К. Ю., Эволюция методов акселерометра для исследования физической активности, Британский журнал спортивной медицины, 2014 г., т. 48, нет. 13. С. 1019–1023.

    Артикул

    Google Scholar

  • 68.

    Вагнер, Дж. Ф. и Перлмуттер, М., Симпозиуму ISS исполняется 50 лет: тенденции и развитие инерциальных технологий в течение пяти десятилетий. Европейский журнал навигации, 2015, т. 13, вып. 3. С. 13–23.

    Google Scholar

  • 69.

    Луинг, Х.Дж., Инерционное восприятие движений человека, Энсхеде: издательство Твенте Юниверсити, 2002.

    Google Scholar

  • 70.

    Маяготиа Р.Э., Нене А.В. и Велтинк П.Х. Измерение кинематики с помощью акселерометра и гироскопа скорости: недорогая альтернатива оптическим системам анализа движения, Journal of Biomechanics, 2002, vol. 35, нет. 4. С. 537–542.

    Артикул

    Google Scholar

  • 71.

    Фабер, Г.С., Чанг, С.К., Кингма, И., Деннерлейн, Дж. Т., и ван Дин, Дж. Х., Оценка трехмерных моментов L5 / S1 и сил реакции опоры во время сгибания туловища с использованием амбулаторной инерционной системы захвата всего тела, Journal of Биомеханика.2016, т. 49, нет. 6. С. 904–912.

    Артикул

    Google Scholar

  • 72.

    Ма, Дж., Харбутли, Х., Бенали, А., Бенамар, Ф., и Бузит, М., Оценка угла сустава с помощью акселерометров для динамического постурального анализа, Journal of Biomechanics, 2015, vol.48, нет. 13. С. 3616–3624.

    Артикул

    Google Scholar

  • 73.

    * Düking, P., Hotho, A., Holmberg, H.-C., Fuss, FK, and Sperlich, B., Сравнение неинвазивного индивидуального мониторинга тренировок и здоровья спортсменов с коммерчески доступные носимые технологии, Frontiers in Physiology, 2016, vol. 7, статья 71.

  • 74.

    Чарльтон, П.К., Кеннелли-Домбровски, К., Шеппард, Дж., И Спратфорд, В., Простой метод количественной оценки прыжковых нагрузок у волейболистов, Journal of Science and Medicine in Sport, 2017, vol. .20, нет. 3. С. 241–245.

    Артикул

    Google Scholar

  • 75.

    Рейнольдс, BB, Патри, Дж., Генри, EJ, Гудкин, HP, Broshek, DK, Wintermark, M., и Druzgal, TJ, Влияние типа практики на удар головы в студенческом футболе, Journal of Neurosurgery , 2016, т. 124, вып. 2. С. 501–510.

    Артикул

    Google Scholar

  • 76.

    Куо, С.Ю., Луи, Дж. К., и Моут, К.D., Полевые измерения при исследовании травм при катании на лыжах, Журнал биомеханики, 1983, вып. 16, № 8, с. 609–624.

    Артикул

    Google Scholar

  • 77.

    Курт, М., Лаксари, К., Куо, К., Грант, Г.А., и Камарилло, Д.Б., Моделирование и оптимизация шлемов с подушками безопасности для предотвращения травм головы при езде на велосипеде, Анналы биомедицинской инженерии, 2017, т. 45, нет. 4. С. 1148–1160.

    Артикул

    Google Scholar

  • 78.

    Луи, Дж. К., Куо, С. Ю., Гутьеррес, М. Д., Моте, К. Д., Поверхностная ЭМГ и измерения кручения во время катания на лыжах: Лабораторные и полевые испытания, Журнал биомеханики, 1984, т. 17, № 10, стр. 713–719.

    Артикул

    Google Scholar

  • 79.

    Боргерт О. и Хенке Т., Motorische Radfahrkompetenz von Kindern und Jugendlichen (Двигательная компетентность детей и подростков). Мюнстер: GUVV Westfalen-Lippe, 1997.

    Google Scholar

  • 80.

    Вагнер, Дж. Ф., Бартмус, У., и де Маре, Х., Трехосевая гироскопическая система, количественно определяющая конкретный баланс гребли, Международный журнал спортивной медицины, 1993, т. 14, доп. 1, стр. S35 – S38.

    Артикул

    Google Scholar

  • 81.

    Хенке Т., Zur biomechanischen Validierung von Komponenten der Fahrtechnik im Straßenradsport (Биомеханическая проверка компонентов техники езды в гонках на шоссейных велосипедах), Köln: Sport und Buch Strauss, 1994.

    Google Scholar

  • 82.

    Ишико Т., Биомеханика гребли, Биомеханика II, Вреденбрегт, Дж. И Вартенвейлер, Дж. (Ред.), Базель: Karger Publishers, 1971, стр. 249–252.

    Google Scholar

  • 83.

    Лошнер К., Смит Р. и Галлоуэй М. Ориентация лодки во время одиночной парной гребли, 18 Международный симпозиум по биомеханике в спорте, Хонг, Ю., Джонс, Д.П. и Сандерс Р. (ред.), Констанц: ISBS, 2000, стр. 66–69.

    Google Scholar

  • 84.

    Майкл, Дж. С., Смит, Р., и Руни, К.Б., Детерминанты эффективности гребли на байдарках, Спортивная биомеханика, 2009, т. 8, вып. 2. С. 167–179.

    Google Scholar

  • 85.

    Тессендорф, Б., Гравенхорст, Ф., Арнрих, Б., и Трёстер, Г., Сенсорная сеть на основе IMU для непрерывного мониторинга техники гребли на воде, Седьмая международная конференция по интеллектуальным датчикам 2011 г., Сенсорные сети и обработка информации, Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE, 2011, стр.253–258.

    Google Scholar

  • 86.

    Ehmen, H. и Böhmert, W., Multidimensionale Erfassung der Ruderbootsbewegung durch hochpräzises INS / GNSS-Messsystem (многомерный захват движения гребной лодки с помощью высокоточной измерительной системы INS / GNSS), Frühjations -und Kommunikationstechnologien in der angewandten Trainingswissenschaft »(14-я весенняя школа« Информационные и коммуникационные технологии в прикладной учебной науке »), Лейпциг: IAT, 2012, стр.29–33.

    Google Scholar

  • 87.

    Reischmann, M., Analyze der Ruderbootsbewegung zur Optimierung des Fahrverhaltens des Bootes (Анализ движения гребной лодки для оптимизации ходовых качеств лодки), Берлин: Logos, 2015.

    Google Scholar

  • 88.

    Тошиюки О., Юки Х., Коити К. и Йошихиро Т. Оценка характеристик движения личного плавсредства и физической нагрузки наездника в водном спорте с использованием акселерометра и электромиографии, 22-е. ежегодный конгресс Европейского колледжа спортивных наук, Ферраути, А., Platen, P., Grimminger-Seidensticker, E., Jaitner, T., Bartmus, U., Becher, L., De Marées, M., Mühlbauer, T., Schauerte, A., Wiewelhove, T., and Цолакидис, Э. (ред.), MetropolisRuhr: ECSS, 2017, стр. 537.

    Google Scholar

  • 89.

    * Муни, Р., Корли, Г., Годфри, А., Куинлан, Л.Р., и ÓЛэйгин, Г., Технология инерционных датчиков для анализа результатов плавания элиты: систематический обзор, Сенсоры, 2016, т. . 16, нет. 1, статья 18.

    Google Scholar

  • 90.

    Уокер, А.М., Эпплгейт, К., Пфау, Т., Спаркс, Э.Л., Уилсон, А.М., и Витте, Т.Х., Кинематика и кинетика езды на скаковой лошади: количественное сравнение тренировочного тренажера и настоящие лошади, Журнал биомеханики, 2016, т. 49, нет. 14. С. 3368–3374.

    Артикул

    Google Scholar

  • 91.

    Мартин П., Чезе Л., Пурселот П., Desquilbet, L., Duray, L., и Chateau, H., Влияние положения всадника во время восходящей рыси на биомеханику лошади (кинематика спины и туловища и давление под седлом), Journal of Biomechanics, 2016, vol. 49, нет. 7. С. 1027–1033.

    Артикул

    Google Scholar

  • 92.

    Эккардт, Ф. и Витте, К., Ganzheitliche Bewegungsanalyse des Reiters im Dressurreiten unter Einsatz eines Inertialmesssystems (Комплексный анализ движений всадника в выездке с использованием инерциальной измерительной системы), Bbu14förderahrungshare, 2013 (BISp-ежегодник финансирования исследований 2013/14), Köln: Sportverlag Strauβ, 2015, стр.79–86.

    Google Scholar

  • 93.

    Иган С., Брама П. и МакГрат Д. Картирование экологической обоснованности исследований по анализу походки лошадей: обзор литературы 1978–2015 гг., 22-й ежегодный конгресс Европейского колледжа спортивных наук , Ferrauti, A., Platen, P., Grimminger-Seidensticker, E., Jaitner, T., Bartmus, U., Becher, L., De Marées, M., Mühlbauer, T., Schauerte, A., Wiewelhove , Т., и Цолакидис, Э. (ред.), MetropolisRuhr: ECSS, 2017, стр.145.

    Google Scholar

  • 94.

    Деллазерра, К.Л., Гао, Й., и Рансделл, Л., Использование интегрированных технологий в командных видах спорта: обзор возможностей, проблем и будущих направлений для спортсменов, Journal of Strength & Conditioning Research, 2014 , т. 28, вып. 2. С. 556–573.

    Артикул

    Google Scholar

  • 95.

    Ахмад, Н., Газилла, Р.А.Р., Хайри, Н.М., и Каси, В., Обзоры различных приложений датчиков инерциальных измерительных устройств (IMU), Международный журнал систем обработки сигналов, 2013, т. 1, вып. 2. С. 256–262.

    Артикул

    Google Scholar

  • 96.

    Швамедер, Х., Биомеханические исследования прыжков с трамплина: 1991–2006 гг., Спортивная биомеханика, 2008, том. 7, вып. 1. С. 114–136.

    Артикул

    Google Scholar

  • 97.

    Chardonnens, J., Favre, J., Cuendet, F., Gremion, G., and Aminian, K., Система для измерения кинематики во время всей последовательности прыжков с трамплина с использованием инерционных датчиков, Journal of Biomechanics, 2013, vol. . 46, нет. 1. С. 56–62.

    Артикул

    Google Scholar

  • 98.

    * Патель, С., Парк, Х., Бонато, П., Чан Л., и Роджерс, М., Обзор носимых датчиков и систем, применяемых в реабилитации, Журнал нейроинженерии и реабилитации, 2012, т.9, вып. 1, статья 21.

    Google Scholar

  • 99.

    Ван, К., Маркопулос, П., Ю, Б., Чен, В., и Тиммерманс, А., Интерактивные носимые системы для восстановления верхней части тела: систематический обзор, Журнал нейроинженерии и реабилитации, 2017, т. 14, вып. 1, бумага20.

    Google Scholar

  • 100.

    Иоса, М., Пичерно, П., Паолуччи, С., Мороне, Г., Носимые инерционные датчики для анализа движений человека, Expert Review of Medical Devices, 2016, vol.13, вып. 7. С. 641–659.

    Артикул

    Google Scholar

  • 101.

    Шмидт, М., Вилле, С., Райнлендер, К., Вен, Н., и Джайтнер, Т., Носимая гибкая сетевая платформа датчиков для анализа различных спортивных движений, Достижения в области человеческого фактора. in Wearable Technologies and Game Design, Ahram, T. и Falcão, C. (eds.), Cham: Springer International Publishing, 2018, стр. 3–14.

    Google Scholar

  • 102.

    Вагнер, Дж. Ф. и Винеке, Т., Интеграция спутниковой и инерциальной навигации — традиционные и новые подходы слияния, Практика инженерного управления, 2003, т. 11, вып. 5. С. 543–550.

    Артикул

    Google Scholar

  • 103.

    * I. Лопес-Нава, Х. и Муньос-Мелендес, А., Носимые инерционные датчики для анализа движений человека: обзор, IEEE Sensors Journal, 2016, т. 16, нет. 22. С. 7821–7834.

    Артикул

    Google Scholar

  • 104.

    Янг, А. Д., Сравнение алгоритмов фильтра ориентации для беспроводного инерционного отслеживания положения в реальном времени, Шестой международный семинар по переносным и имплантируемым сетям датчиков тела, Ло, Б. и Митчесон, П. (ред.), Лос-Аламитос, Калифорния: Компьютерное общество IEEE 2009. С. 59–64.

    Google Scholar

  • 105.

    Jekeli, C., Инерциальные навигационные системы с геодезическими приложениями, Берлин, Нью-Йорк: de Gruyter, 2001.

    Google Scholar

  • 106.

    Брюкнер, HP, Шпиндельдрайер, К., Блюм, Х., Шундервальдт, Э. и Альтенмюллер, Э., Оценка алгоритмов слияния инерционных датчиков в задачах захвата с использованием реальных входных данных, Девятая международная конференция по переносным и имплантируемым сетям датчиков тела , Ян, Г.-З. (ред.), Лос-Аламитос, Калифорния: Компьютерное общество IEEE, 2012 г., стр. 189–194.

    Google Scholar

  • 107.

    Мэн, Х., Тао, Г., Чжан, З., Сунь, С., Ву Дж., И Вонг, В.С., Оценка смещения для различных моделей походки при захвате движения микродатчиками, 15-я Международная конференция по слиянию информации, Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE, 2012, стр. 1315–1322.

    Google Scholar

  • 108.

    Нез, А., Фрадет, Л., Лагиллуми, П., Монне, Т., и Лакутюр, П., Сравнение методов калибровки акселерометров, используемых при анализе движений человека, Медицинская инженерия и физика, 2016 , т. 38, нет. 11. С. 1289–1299.

    Артикул

    Google Scholar

  • 109.

    Фабер, Г.С., Чанг, К.-К., Ризун, П., и Деннерлейн, Дж. Т., Новый метод оценки точности трехмерной ориентации инерциальных / магнитных датчиков, Журнал биомеханики, 2013 г. , т. 46, нет. 15. С. 2745–2751.

    Артикул

    Google Scholar

  • 110.

    Охеда, Л., Ребула, Дж. Р., Адамчик, П. Г., и Куо, А. Д., Мобильная платформа для захвата движения при перемещении на большие расстояния, Журнал биомеханики, 2013, т.46, № 13, с. 2316–2319.

    Артикул

    Google Scholar

  • 111.

    Prospectus, Docklands, VIC: Catapult Group International Ltd., 2015 г. (http://www.catapultsports.com/au/investors/prospectus, по состоянию на 9 августа 2017 г.).

  • 112.

    Марин, Ф., Фрадет, Л., Лепет, К., Хансен, К., и Мансур, К.Б., Инерционные единицы измерения в биомеханике и спортивной биомеханике: прошлое, настоящее, будущее, 33-й Международный симпозиум по Биомеханика в спорте, Colloud, F., Домалейн, М., и Моне, Т. (ред.), Констанц: ISBS, 2015, стр. 1422–1424.

    Google Scholar

  • 113.

    Зок, М., Инерционные датчики меняют правила игры, Международный симпозиум по инерционным датчикам и системам 2014 г., Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE, 2014, стр. 1-3.

    Google Scholar

  • 114.

    Vandoni, M., Correale, L., Del Bianco, M., Marin, L., and Codrons, E., Происходит ли реактивность на акселерометры в одном испытании? Краткий отчет в выборке молодых людей, Journal of Health Psychology, 2017, vol.22, нет. 11. С. 1458–1462.

    Артикул

    Google Scholar

  • 115.

    Ash, M., Wissenschaft und Politik als Ressourcen für einander (Наука и политика являются ресурсами друг для друга), Wissenschaften und Wissenschaftspolitik: Bestandsaufnahmen zu Formationen, Brüchen und Kontinuitäten des Sciences 20. политика: обзоры формаций, разрывов и преемственности в Германии в ХХ веке), т.Брух, Р. и Кадерас, Б. (ред.), Штутгарт: Steiner, 2002, стр. 32–51.

    Google Scholar

  • Новая система стационарного обнаружения транспортных средств с использованием сопоставления карт и датчиков IMU

    Точная навигация является жизненно важной потребностью для многих современных автомобильных приложений. Глобальная система позиционирования (GPS) не может предоставлять непрерывную навигационную информацию в городских районах. Широко используемая инерциальная навигационная система (ИНС) может обеспечивать полное состояние транспортного средства с высокой скоростью.Однако точность INS на основе недорогих микроэлектромеханических систем (MEMS) быстро расходится из-за смещения, дрейфа, шума и других ошибок. Эти ошибки можно исправить в стационарном состоянии. Но обнаружение стационарного состояния — сложная задача. Предлагается новый метод обнаружения стационарного состояния по изменению ускорения, курса, тангажа и крена системы отсчета курса (AHRS), построенной на основе датчиков инерциального измерительного блока (IMU). Кроме того, алгоритм сопоставления карт (MM) определяет перекрестки, на которых автомобиль может остановиться.Комбинируя эти два результата, стационарное состояние обнаруживается с меньшим временным окном, равным 3 с. Более длительное временное окно 5 с используется, когда стационарное состояние обнаруживается только от AHRS. Результаты экспериментов показывают, что стационарное состояние идентифицируется правильно, а ошибка положения снижена до 90% и превосходит ранее заявленные результаты. Предлагаемый алгоритм поможет уменьшить количество ошибок ИНС и повысить производительность навигационной системы.

    1. Введение

    Навигация использовалась с древних времен.Со временем источники навигационных систем эволюционировали от солнца и звезд до современных навигационных датчиков [1–3]. В современной навигации используются различные датчики для определения местоположения транспортного средства для управления автопарком, обслуживания на основе местоположения, отслеживания активов, интеллектуального управления транспортными средствами и т. Д. [4]. GPS и INS — популярные навигационные устройства в наши дни. GPS может обеспечить отличную навигацию с низкой частотой обновления и хорошей точностью там, где нет препятствий для спутниковых сигналов [5].Однако производительность сильно ухудшается, или даже полное отключение происходит в туннелях, в городских районах с небоскребами или в гаражах. С другой стороны, ИНС может предоставлять непрерывную навигационную информацию с высокой скоростью передачи данных, которая не зависит от каких-либо внешних источников, таких как спутники GPS [6]. Но обратная сторона — то, что точность INS во многом зависит от качества датчиков IMU.

    IMU обычно состоит из трех ортогональных акселерометров и гироскопов.Кроме того, в настоящее время широко используется магнитометр. Теоретически одинарное и двойное интегрирование скорости вращения гироскопа и ускорения с выходных сигналов акселерометра обеспечивает информацию о скорости и положении. Но на самом деле нелинейность, смещение, дрейф и шум датчиков делают точность предсказанной траектории действительной только на короткое время. Последние достижения в области MEMS привели к созданию очень недорогих датчиков IMU [7]. Но смещение, дрейф, шумовые характеристики и общая точность хуже [8].Гироскоп недорогого IMU не может определять вращение Земли, как гироскоп IMU тактического уровня [9]. Более того, ускорение, измеренное акселерометром недорогого IMU, очень зашумлено помимо ошибки смещения [10]. Таким образом, положение, полученное путем двойного интегрирования ускорения, измеренного акселерометром, и ориентации, полученной из акселерометра и гироскопа, вызывает ошибку в положении, которая увеличивается как куб времени из-за дрейфа, смещения и других шумов [11 ].

    Производительность недорогой INS на основе MEMS может быть значительно улучшена. Смещения и отклонения датчиков могут быть улучшены путем интеграции со вспомогательными измерениями, такими как GPS [12]. Однако производительность GPS ухудшается или даже может произойти полное отключение из-за проблем с прямой видимостью, что, в свою очередь, влияет на навигационные характеристики недорогой INS. Это вдохновляет исследователей на альтернативные методы уменьшения ошибок смещения и дрейфа недорогого IMU.Несколько исследователей предложили стационарное обновление в качестве альтернативного метода, широко известного как обновление при нулевой скорости (ZUPT).

    ЗУПТ широко используется в пешеходных навигационных системах [13]. Для автомобильной навигационной системы режим ZUPT использует условие нулевой скорости или стационарное состояние для оценки систематических ошибок датчиков IMU [14]. В неподвижном состоянии единственными силами, действующими на устройство, являются сила тяжести и вращение Земли. Помимо этих сил, существуют другие ошибки в виде смещения, шума или дрейфа, которые могут помочь популярным оценочным фильтрам, таким как фильтр Калмана, получить для оценки различия между статической моделью и фактическим наблюдением.В городских районах эти стационарные состояния часто возникают из-за заторов и сигналов светофора на перекрестках. Таким образом, коррекция может выполняться с регулярным интервалом, а ошибка оценки недорогой INS может быть минимальной во время сбоя GPS [14]. Однако решение о ложном стационарном режиме более строгое, чем о ложном перемещении, поскольку сила, вызванная перемещением, может быть обнаружена как шум датчика и, таким образом, отрицательно влияет на точность положения [15]. Таким образом, определение правильного стационарного состояния имеет решающее значение.

    Несколько исследователей работали над различными методами обнаружения ZUPT или стационарного состояния. Большинство работ было посвящено пешеходной и внутренней навигации, где ошибки датчиков исправлялись при касании ступней пешехода земли [13]. Эти подходы не применимы к системам наземных транспортных средств [15]. Контролируемые условия были введены для ограничения вибрации и обеспечения неподвижности в [16–19] для калибровки и юстировки высокопроизводительных систем. Однако эти ограничения не могут быть наложены в приложениях наземных транспортных средств, таких как интеллектуальные транспортные системы [15].Grejner-Brzezinska et al. предложила стационарную систему обновления для наземных транспортных средств, в которой пользователя предупреждают о необходимости выполнить стационарное обновление вручную, когда эскалация ковариации ошибки местоположения пересекает определенный порог во время сбоя GPS [14]. Из-за ручного стационарного обновления эта система также не подходит для применения на наземных транспортных средствах. Пороговое значение скорости GPS> 20 с было предложено [20] для обнаружения стационарного состояния, которое не будет работать в условиях ухудшения характеристик GPS. Более того, при наличии GPS в стационарных измерениях нет необходимости.В [21] стационарное состояние регистрировалось только по данным акселерометра с длительным временным окном 15 с. В этом длительном временном окне могут отсутствовать стационарные состояния, поскольку транспортное средство может не находиться в неподвижном состоянии в течение такого длительного периода. Подход распознавания образов был предложен в [22] для обнаружения стационарного состояния с использованием накопленных ускорений только от акселерометров. Но алгоритм не может обнаружить надежное стационарное состояние, когда скорость движения очень низкая, как упоминается автором [22]. Ramanandan et al.[15] предложил подход в частотной области с использованием только акселерометров и гироскопов, которые могут страдать от ложного обнаружения при низком ускорении. Но ни один из исследователей не использовал информацию об ускорении, курсе, крене и тангаже вместе с идентификацией пересечения ММ для подтвержденного обнаружения стационарного состояния.

    Траектория и местоположение транспортного средства ограничены дорожной сетью. Таким образом, цифровая карта дорожной сети может использоваться для наложения этих ограничений на навигационное решение для транспортного средства.Алгоритмы MM объединяют данные от одного или нескольких датчиков позиционирования с данными пространственной дорожной сети из набора возможных связей, чтобы идентифицировать правильную связь, по которой движется транспортное средство, и определить физическое местоположение транспортного средства на связи [23]. Основная задача алгоритмов MM — уменьшить ошибку позиционирования путем сопоставления маршрута проезжаемого автомобиля с наиболее подходящим набором сегментов дороги на цифровой карте дорог. Кроме того, MM также может правильно определить перекресток дороги.Транспортному средству необходимо часто останавливаться на перекрестках. Используя информацию о перекрестке, транспортное средство может быть более правильно идентифицировано по его стационарному состоянию.

    В этой статье предлагается новый метод стационарного обнаружения с помощью порогового подхода к ускорению, курсу, тангажу и крену AHRS, построенному на основе датчиков IMU и сочетающемуся с правильной идентификацией пересечения дорог. Улучшенный алгоритм MM с несколькими перекрестками дорог, основанный на совпадающих значениях веса, используется для определения перекрестка дорог, на котором вероятно остановится транспортное средство.Остальная часть документа организована следующим образом: в разделе «Модель датчика» и «AHRS» представлены модели датчиков и объединение датчиков IMU для AHRS; Раздел MM для обнаружения перекрестков описывает метод обнаружения сигнала трафика с цифровой карты и GPS / INS; Раздел ZUPT Theory and Detection of Stationary State описывает предлагаемый алгоритм стационарного обнаружения по информации AHRS и MM; В разделе «Экспериментальные результаты» представлены настройки оборудования и результат теста на стационарное обнаружение, за которым следует анализ производительности, где представлены и сравниваются навигационные характеристики со стационарным обновлением.

    2. Модель датчика и AHRS

    IMU на основе MEMS обычно оснащены трехосными акселерометрами и гироскопами. В некоторых системах также есть трехосные магнитометры. Эти датчики выровнены с рамой кузова (b), где ось — вдоль направления движения вперед транспортного средства, ось — в направлении правой стороны транспортного средства, а ось — соответствует правилу ортогональной правой руки [24]. Оси корпуса также совмещены с осями крена, тангажа и рыскания. Обобщенная модель инерционного датчика приведена в (1) [15].Рассматривать

    где и — вектор удельной силы. Вектор искажен шумом измерения и медленно меняющимся смещением, где и — смещения акселерометра и гироскопа. обозначает ускорение в кадре тела и представляет собой вектор силы тяжести в кадре навигации, выраженный как, где. Все смещения моделируются как случайное блуждание.

    Вектор состояния ошибки INS может быть выражен как (2). Рассматривать

    где обозначает ошибку положения и обозначает ошибку скорости в навигационной рамке.и обозначают смещение акселерометра и гироскопа в корпусе корпуса соответственно. обозначает малый угол поворота, преобразованный из оценочного в фактический навигационный кадр.

    Дифференциальные уравнения для состояний ошибок приведены в (3). Рассматривать

    где и — шум измерения акселерометра и гироскопа.

    Используя датчики IMU, можно сконструировать AHRS, который может обеспечивать ориентацию транспортного средства с точки зрения информации по рысканью, тангажу и крену.Интегрированный выход гироскопа в сочетании с выходом акселерометра может фиксировать дрейф гироскопа и может предоставлять информацию по крену и тангажу. Но акселерометр не может предоставить никакой информации о рысканье. Интегрированному выходу, обеспечиваемому одним гироскопом, нельзя доверять, поскольку дешевый гироскоп быстро дрейфует. Магнитометр может помочь получить лучшую информацию о рысканье или курсе с его показаниями по отношению к магнитному полю Земли. Таким образом, для определения информации по крену, тангажу и рысканью требуется алгоритм слияния.

    Углы Эйлера приняты для представления ориентации в алгоритме слияния. Дополнительный фильтр второго порядка используется для определения крена и тангажа с помощью акселерометра и гироскопа из-за его простоты и легкости реализации [25]. Крен и тангаж транспортного средства можно определить по вектору силы тяжести транспортного средства, измеренному с помощью акселерометра. Уравнение движения транспортного средства через удельную силу от трехосного акселерометра в корпусе кузова может быть выражено формулой (4) [26].Рассматривать

    где, и — силы от трехосных акселерометров; ,, — компоненты линейной скорости по трем осям в корпусе тела с началом в центре тяжести; , и — координаты акселерометров вдоль каждой оси в одной рамке тела с началом координат в центре тяжести; ,, — угловая скорость трехосного гироскопа; и — крен и тангаж соответственно. Поскольку измерить и и их производные сложно, истинное отношение не может быть измерено с помощью (5).Итак, упрощенные уравнения для определения крена () и тангажа () для акселерометров приведены в (6). Рассматривать

    Крен, тангаж и рыскание транспортного средства можно измерить с помощью трехосных гироскопов в раме кузова. Уравнение для определения крена, тангажа и рыскания от гироскопов через кинематику Эйлера приведено в (7) [26]. Рассматривать

    Магнитометр — это цифровая версия обычного компаса, которая может показывать северное магнитное направление. Таким образом, магнитометр можно использовать для определения курса транспортного средства.Уравнение для определения угла рыскания по измеренной силе магнитометра в раме корпуса выражено в (8). Рассматривать

    где, и обозначают составляющую напряженности магнитного поля, выраженную в корпусе тела.

    Алгоритм слияния использует дополнительный фильтр, в котором ориентация, полученная от гироскопа, проходит через фильтр верхних частот, а полученная ориентация акселерометра проходит через фильтр нижних частот. Блок-схема алгоритма слияния показана на рисунке 1.Объединение углов крена от гироскопа и акселерометра осуществляется в дополнительном фильтре. Другой дополнительный фильтр используется для объединения углов тангажа, полученных от гироскопа и акселерометра. Курс, полученный от гироскопа, корректируется с учетом курса, полученного от магнитометра, и слияние выполняется другим дополнительным фильтром.

    Фильтр Калмана используется с целью объединения для определения положения, скорости и курса с помощью GPS, AHRS и акселерометра, следующих [27], как показано на рисунке 2.Информация от акселерометра в продольных осях и информация о курсе от AHRS преобразуются в фиксированную систему координат относительно земли (ECEF) в соответствии с [24]. Приемник GPS выводит данные, определенные спецификацией Национальной ассоциации морской электроники (NMEA). GPRMC является одним из форматов NEMA, который содержит информацию о местоположении, скорости и курсе в кадре ECEF [28]. Вектор силы тяжести вычитается из акселерометра, вызванного любым наклоном. Затем добавляются компоненты акселерометра для определения скорости.Это снова добавляется для определения позиции. Однако это положение содержит большие ошибки из-за шума, смещения и дрейфа, которые будут исправлены позже путем обнаружения стационарного обновления. Ошибка положения исправляется всякий раз, когда доступна информация GPS.

    3. MM для обнаружения перекрестков

    Алгоритмы сопоставления карт объединяют данные позиционирования с данными пространственной дорожной сети для определения правильного звена, по которому движется транспортное средство, и для определения правильного местоположения транспортного средства на дороге [29].Данные позиционирования интегрируются из данных GPS, AHRS и цифровых карт дополнительным образом, как показано на рисунке 3. Улучшенный алгоритм MM с несколькими перекрестками дорог на основе совпадающих значений веса используется для определения перекрестка дорог, где транспортное средство может остановиться в светофоре. Выполняется поиск процедуры первоначального анализа с двумя точками отбора проб перед входом в перекрестки и после выхода из перекрестков. Результаты поиска объединяются с входной ссылкой и получают вес после соединения.Эти данные используются во временном анализе вместе с данными о скорости для выбора наилучшего маршрута. Таким образом, ошибки согласования уменьшаются, а точность повышается, что позволяет правильно идентифицировать пересечения.

    Алгоритм MM, предложенный в этой статье, состоит из 5 основных модулей: подготовка ввода, поиск кандидатов, анализ положения, оценка веса и определение пересечения. На первом этапе подготавливаются входные данные из базы данных GPS / INS и цифровой дорожной сети. Второй шаг — это начало процесса MM, который находит точку-кандидат (CP) вокруг точки GPS / INS.Третий этап — это этап анализа положения, на котором выполняется первоначальный анализ, пространственный анализ и временный анализ. Четвертый шаг — измерение значения веса. Последний шаг обновляет результат сопоставления на ближайшем участке дороги на основе веса с четвертого шага. Шаги предлагаемого алгоритма показаны на рисунке 4.

    3.1. Подготовка ввода

    На этапе подготовки ввода данные из GPS / INS и базы данных цифровой дорожной сети обрабатываются для последующих этапов.Для каждой точки данных берутся широта, долгота и временная метка. Последовательность точек называется траекториями, на которых находятся точки данных. Значение для каждой точки включает набор возможных участков дороги (CRS) с радиусом. CRS содержит целые сегменты дороги, связанные с линейным сегментом. Информация о линейном сегменте содержит начальную и конечную точки, а также типичную скорость движения в базе данных карты. OpenStreetMap (OSM) квантовой географической информационной системы (QGIS) использовался в качестве базы данных карт.QGIS предоставляет данные в формате шейп-файла, включающие широту и долготу, тип дороги и ограничение скорости. Начало и конец сегментов дороги даны в виде координат, как показано на рисунке 5 для пересекающейся дороги.

    3.2. Поиск кандидата

    Второй шаг алгоритма MM — поиск кандидата. Поиск кандидатов содержит базу данных дорожной сети с индексированной информацией о ребрах и вершинах. Проекция точки отбора проб между ее конечными точками выбирается в качестве CP.Проекция геометрии выбирается, когда конечные точки близки к точкам выборки, с учетом уравнения Евклидова расстояния. На рисунке 6 показано и для каждого с радиусом.

    3.3. Анализ местоположения

    Третий шаг алгоритма MM — анализ местоположения, который уменьшает ошибки проекции карты и ошибки навигационных датчиков. Ошибки проекции и позиционные ошибки GPS / INS показаны на рисунке 7. Этот модуль состоял из начального согласования точки отбора проб, пространственного и временного анализа.Анализ положения — это начальное совпадение точки отбора проб. Метод поиска используется для поиска дорожной связи с дорожной сетью, как показано на рисунке 8. Транспортное средство, проезжающее через перекресток, содержит 4 точки отбора проб. Первая точка соответствует ссылкам и. Когда вторая и третья точки пересекаются, поиск продолжается до четвертой точки. Соответствует ссылкам и. Этот процесс продолжает поиск последующих звеньев и до тех пор, пока не достигнет входных звеньев и перекрестка.Затем он продолжает поиск по предыдущим ссылкам и до тех пор, пока не достигнет выходных ссылок и перекрестка. Список перекрестков можно найти путем поиска маршрута между, и,. Наконец, путевой маршрут может определить соответствующую ссылку.

    На основе результата первоначального анализа процесс MM продолжается для второго анализа, называемого пространственным анализом. Основная цель пространственного анализа — построение графа кандидатов. Погрешность измерения GPS / INS можно описать как нормальные (гауссовские) распределения.Для КП вероятность его наблюдения относительно приведена в (9). Вероятность наблюдения не учитывает внезапное переключение и предыдущую точку совпадения, а только расстояние между CP и точками GPS / INS. Вероятности перехода вводятся для решения этой проблемы. Рассматривать

    где — евклидово расстояние между и, — стандартное отклонение, — соответствующая дисперсия, — это среднее значение (математическое ожидание).

    После вычисления значения вероятности пространственный анализ можно определить как (10).Эти пространственные анализы представляли собой измерение схожести движения транспортного средства от позиции до и вычисление любой пары из двух соседних CP. Рассматривать

    На основе результата пространственного анализа процесс MM продолжается для третьего анализа, называемого временным анализом. Временный анализ определяет правильную связь, которая была в пространственном анализе, без учета значения ограничений скорости файла. Чтобы измерить информацию о скорости между двумя путями, необходимо определить точную среднюю скорость транспортного средства.Средние скорости движения автомобиля на и могут быть определены по (11). Рассматривать

    где — кратчайший путь между и и — средняя скорость, от которой можно просто вычислить по (12). Рассматривать

    После пространственного и временного анализа строятся графы-кандидаты, как показано на рисунке 9. Узлы графа представляют собой набор CP для точек GPS / INS. Ребра графа — это набор кратчайших путей между двумя соседними CP. Эти узлы и ребра взвешиваются со значениями, полученными в результате временного и пространственного анализа.

    3.4. Весовой балл

    Весовой балл строится на основе сгенерированного графа кандидатов в предыдущем модуле, где. Взвешенное влияние CP определяет вес размерного расстояния для каждой точки отбора проб. Для каждого из них матрица весов представляет схожесть всего с фактическим путем как отдаленное влияние. Диагональная матрица дает значения весов для всех других точек, которые необходимо объединить с расстоянием до. Уравнение (13) вычисляется с помощью для. Значения, и представляют собой евклидово расстояние между и.Оценка веса строится там, где вес расстояния показывает минимальное значение. Это минимальное значение используется в следующем модуле для поиска наилучшего результата соответствия. Рассматривать

    3.5. Идентификация перекрестка

    Идентификация перекрестка — последний шаг. Этот модуль обновляет результат сопоставления на ближайшем участке дороги в соответствии с результатом взвешенной оценки. На этапе анализа позиции создается граф кандидатов для траектории. представляет собой набор CP для каждой точки выборки GPS / INS и представляет собой набор ребер, представляющих кратчайший путь между любыми двумя соседними CP, как показано на рисунке 9.Каждый узел связан с. Каждое ребро связано с и. В таблице 1 показан пример процедуры согласованной последовательности. Алгоритм начального наблюдения заполняет Таблицу 2 для. Рассчитывается результат сопоставления для каждого CP.

    Кандидат рассматривается первым. Пути оцениваются как. Аналогично и. Следовательно, и родитель. Процесс повторяется для всех кандидатов.

    Наивысший общий балл выбирается как результат сопоставления для последней точки GPS / INS.Наконец, результат совпадающего пересечения:, и. Таким образом, транспортное средство можно будет правильно идентифицировать на дороге. При правильном расположении автомобиля на дороге можно определить правильный перекресток и светофор, где автомобиль может остановиться.

    4. Теория ZUPT и определение стационарного состояния

    Стационарное состояние транспортного средства позволяет улучшить навигационные характеристики недорогого IMU. Когда транспортное средство находится в состоянии покоя, единственными действующими силами являются сила тяжести земли и сила вращения земли [30].Таким образом, когда транспортное средство находится в неподвижном положении, скорость () и угловая скорость () должны быть равны нулю. Разницу между статическим и фактическим наблюдением можно использовать в фильтре Калмана для оценки ошибок. При наложенной нулевой скорости измерения измерение и линеаризованная модель невязок скорости вычисляются по (14) и (15), соответственно. Измерение и линеаризованная модель невязок угловой скорости для гироскопа рассчитываются по (16) и (17) соответственно.Рассматривать

    Алгоритм стационарного обнаружения должен быть разработан с учетом простоты реализации, простоты, практичности и надежности. Предпосылка предлагаемого подхода состоит в том, что показания IMU для транспортного средства, находящегося в движении или в постоянном крейсерском режиме, будут иметь непостоянные показания из-за состояния дороги и вибрации двигателя. Это можно использовать для обнаружения стационарного состояния. Таким образом, надежным алгоритмом обнаружения остановки может быть алгоритм, основанный на анализе дисперсии ускорения, курса, крена и тангажа.Выходной сигнал акселерометра во время движения транспортного средства значительно меняется из-за вибрации двигателя, состояния дороги, ветра и т. Д. По сравнению с стационарными состояниями. В стационарном состоянии выходной сигнал акселерометра включает только силу тяжести, смещение и шум, сопровождаемые возмущениями окружающей среды. Направление выходных данных AHRS, построенных с помощью IMU, также значительно варьируется, когда транспортное средство находится в движущемся состоянии по сравнению с неподвижным состоянием [31]. Точно так же крен и тангаж транспортного средства также изменяются в состоянии движения по сравнению с состоянием покоя.Стационарное обнаружение по ускорению, курсу, крену и тангажу может быть объединено с идентифицированным перекрестком или светофором из алгоритма сопоставления карты для подтверждения стационарного состояния.

    Сухопутное транспортное средство обычно едет по ровным дорогам, где наклоны обычно менее 5 ° [32]. Таким образом, вертикальный или осевой акселерометр показывает местную гравитацию, добавленную к вибрации дороги. Таким образом, выходной сигнал акселерометра -оси не изменяется существенно в состоянии остановки или движения [32].Аналогичным образом, выходной сигнал акселерометра по оси также существенно не меняется. Но акселерометр -оси вдоль продольной оси значительно меняется, когда автомобиль ускоряется или замедляется во время движения. При полной остановке отклонение акселерометра по оси содержит только сигналы, связанные с вибрацией двигателя, в дополнение к смещению и шуму. Таким образом, выход акселерометра по оси-оси играет важную роль в обнаружении стационарного состояния. Отклонение акселерометра по оси не превышает определенного порогового значения в стационарном состоянии.Это можно найти эмпирически с данными внутри временного окна заданной длины. Вычисляются среднее значение и дисперсия акселерометра. Среднее квадратичное отклонение отсчетов ускорения от временного окна рассчитывается по (18), где — количество отсчетов внутри временного окна. Стационарное состояние обнаруживается на основе отклонения и отклонения акселерометра по оси. Когда автомобиль считается неподвижным. Значение подбирается опытным путем. Рассматривать

    Когда транспортное средство движется, его курс меняется.Даже на прямой дороге направление тоже немного меняется. Небольшое изменение курса происходит из-за состояния дороги и вибрации двигателя. Но в стационарном состоянии изменение заголовка тривиально. Таким образом, изменение курса можно отличить от состояния движения. Вычисляются среднее значение и дисперсия заголовка. Среднее квадратичное отклонение заголовка от временного окна рассчитывается по (18), где — количество отсчетов внутри временного окна. Стационарное состояние обнаруживается на основе вычисленного отклонения и дисперсии заголовка и выполнения условия.Значение выбрано из тест-драйва.

    Крен и тангаж наземного транспортного средства не меняются, как у воздушного транспортного средства. Тем не менее, крен и тангаж наземного транспортного средства изменяются в условиях движения из-за несовершенства дороги и вибрации двигателя. Но в неподвижном состоянии крен и тангаж автомобиля изменяются только из-за вибрации двигателя. Это изменение отличается от состояния движения, которое можно определить по вычисленному отклонению и дисперсии крена и дисперсии тангажа.Условия и используются для крена и тангажа соответственно, где и выбираются эмпирически.

    Ложное стационарное обнаружение является катастрофическим, поскольку оно может исказить смещение и, следовательно, навигационную информацию. Таким образом, предлагаемая методология подчеркивает правильное стационарное обнаружение. Более длительное временное окно в 15 секунд, предложенное в [21], может пропустить стационарные состояния. Это мотивирует выбор подходящего временного окна, достаточного для обнаружения правильного стационарного состояния.Когда алгоритм MM идентифицирует перекресток и в то же время обнаружение на основе AHRS также определяет стационарное состояние, вероятность ложного обнаружения равна нулю. Но когда стационарное состояние обнаруживается только с помощью AHRS, вероятность ложного стационарного состояния возрастает. Это мотивирует выбор переменного временного окна. Таким образом, когда алгоритм MM идентифицирует перекресток в сочетании со стационарным обнаружением на основе AHRS, применяется меньшее временное окно в 3 секунды. Более длительное временное окно в 5 с применяется, когда стационарное обнаружение основано только на ускорении, курсе, крене и тангаже.Предпосылка для более короткого временного окна для позиции MM заключается в том, что транспортное средство может остановиться на перекрестке. При обнаружении светофора или перекрестка ускорение, курс, тангаж и крен также проверяются на предмет стационарного обнаружения. Ускорение, курс, крен и тангаж в дополнение к перекрестку исключают возможность ложного обнаружения. Помимо перекрестка, автомобиль может остановиться из-за заторов на дорогах или по другим причинам. Во время такой остановки применяется более длительное временное окно для определения стационарного состояния по ускорению, курсу и тангажу и крену.Это более длительное временное окно может гарантировать подтвержденное стационарное состояние. Таким образом, комбинация переменного временного окна, обнаружения пересечения MM и ускорения, курса и обнаружения на основе тангажа и крена исключает возможность ложного стационарного обнаружения.

    5. Экспериментальные результаты

    В эксперименте использовался дешевый GPS-приемник HI-204III от Haicom Electronics Corporation и Razor IMU от Sparkfun Electronics. Приемник HI-204III может предоставлять точные данные спутникового позиционирования с непрерывным отслеживанием всех спутников в поле зрения.20 параллельных каналов и 4000 интервалов поиска могут обеспечить быстрое обнаружение спутникового сигнала в течение> 40 секунд и> 8 секунд при холодном и горячем запуске соответственно. Обладая чувствительностью слежения -159 дБм и частотой обновления 1 Гц, он может обеспечить хорошую навигацию в городских районах. 9 DoF Razor IMU состоит из трехосного гироскопа ITG-3200, трехкоординатного акселерометра ADXL345 и трехосного магнитометра HMC5883L. Он также имеет встроенный микропроцессор ATmega328 с 13-битным разрешением, который может обеспечивать последовательный вывод данных с максимальной скоростью 57 600 бит / с.

    Razor IMU был запрограммирован для работы с AHRS в соответствии с процедурой, описанной в разделе «Модель датчика и система координат направления», как показано на рисунке 1. AHRS может предоставлять информацию о тангаже, крене и рысканье. Кроме того, он также был запрограммирован на предоставление информации об ускорении по продольной оси. GPS и AHRS были интегрированы в соответствии с процедурой, описанной в [33], как показано на рисунках 2 и 3. IMU был настроен на сбор данных с частотой 50 Гц. Сборка AHRS и GPS была жестко закреплена в тестовой машине.Тестовый автомобиль ездил по различным дорогам Селангора, Малайзия, включая перекрестки, прямые дороги и извилистые дороги.

    Первый тестовый запуск был проведен на дороге Джалан Реко, Каджанг, Селангор, Малайзия, как показано на Рисунке 10, построенном по позициям GPS в Квантовой Географической Информационной Системе (QGIS). Общая продолжительность тестового запуска составила около 600 с. За это время было достигнуто семь стационарных условий, включая начальное стационарное состояние и конечное стационарное состояние.Ускорение транспортного средства показано на рисунке 11, крен и тангаж показаны на рисунке 12, а курс показан на рисунке 13. Ускорение, курс, тангаж и крен показаны на трех разных рисунках для ясности. перемены. Помимо начальной и конечной остановки, автомобиль остановился на четырех перекрестках. Автомобиль также однажды остановился без перекрестка.

    Первоначальное место запуска не было перекрестком. Но машина оставалась в неподвижном положении более 5 с.Таким образом, предложенный алгоритм определил его как стационарное состояние по пороговым значениям ускорения, курса, крена и тангажа. Автомобиль снова остановился без перекрестка. Но на этот раз машина остановилась менее чем на 5 с. Поскольку пересечения ММ не было и продолжительность была меньше 5 с, алгоритм не обнаружил это как стационарное состояние. Далее машина остановилась на пересечении станций UKM, UKM KTM и Hentian Kajang более чем на 5 секунд. Алгоритм MM правильно определил эти пересечения.Ускорение, курс, тангаж и крен также определяли их как стационарное состояние. Комбинируя пересечение ММ и стационарное состояние от порога, предложенный алгоритм обнаружил успешное стационарное состояние. На четвертом перекрестке на перекрестке Таман-Тенага машина остановилась всего на 3 с. Алгоритм MM смог успешно обнаружить перекресток. Порог ускорения, курса и тангажа и крена также определял стационарное состояние. Предлагаемый алгоритм не подтверждает стационарное состояние только с порога, если условие остановки меньше 5 с.Поскольку алгоритм MM также обнаружил пересечение, стационарный алгоритм подтвердил условие как стационарное состояние в сочетании со стационарным состоянием из AHRS. Но во втором случае алгоритм не завершил стационарное состояние, поскольку транспортное средство остановилось менее чем на 5 с без пересечения ММ. Наконец, машина снова остановилась без перекрестка. Но за это время автомобиль остановился более чем на 5 с. Таким образом, порог ускорения, курса и тангажа и крена определял его как стационарное состояние.

    Очень трудно визуализировать состояние остановки по заголовку на Рисунке 13, так как курс изменялся от 0 до 360 градусов. Таким образом, второе испытание было проведено почти в северном направлении на прямой дороге Персиарского Пекелилинга, Банги, Селангора, как показано на Рисунке 14, на низкой скорости, так что направление не сильно менялось. Продолжительность второго тест-драйва составила примерно 325 с. Результаты испытаний, включая ускорение, курс, тангаж и крен, показаны на Рисунке 15.На тестируемой дороге был только один перекресток. Однако тестовый автомобиль еще раз намеренно остановился. После запуска двигателя испытуемый автомобиль находился в неподвижном состоянии более 20 с. Предлагаемый алгоритм обнаружил его как стационарное состояние по пороговому значению ускорения, курса и тангажа и крена, когда транспортное средство остановилось более чем на 5 с, даже несмотря на то, что алгоритм MM не обнаружил это как перекресток. Через некоторое время автомобиль остановился на первом перекрестке примерно в 4800 раз.Условие остановки было более 5 с. Пороговое значение изменения курса видно из рисунка 15. Алгоритм успешно определил его как стационарное состояние, поскольку пересечение MM и обнаружение остановки на основе порога совпадали. Затем автомобиль остановился около 12800 раз без перекрестка более 5 с. Таким образом, пороговый алгоритм правильно определил его как стационарное состояние без пересечения ММ. Наконец, транспортное средство снова остановилось без перекрестка, и предложенный алгоритм определил его как стационарное состояние, как показано на рисунке 15.

    Эффективность стационарного состояния заметна во время редкого или недоступного покрытия GPS. В городских районах отсутствие вспомогательного сигнала GPS приведет к смещению местоположения. Благодаря стационарному обновлению этот дрейф можно значительно уменьшить. Навигационные характеристики предложенного стационарного устройства обнаружения были оценены в ходе тестового запуска. Поперечные ошибки были проанализированы, поскольку это была единственная точность, которую можно было оценить с помощью цифровой карты OpenStreetMap QGIS.Испытание проводилось на улице Джалан Реко, Каджанг, Селангор, Малайзия, где было проведено первое стационарное испытание, как показано на рисунке 15. Сразу после первого светофора UKM сигнал GPS был намеренно заблокирован, чтобы создать ситуацию состояние отключения GPS. В это время навигационная информация рассчитывалась только с ИНС. Из Рисунка 16 видно, что автомобиль постепенно уносился в сторону, которая достигла 100 м после перекрестка на станции UKM KTM. Впоследствии он проплыл более 200 м возле Хентиан Каджанг без стационарного решения для обновления.Автомобиль снова проехал по той же дороге, начиная с той же точки. Сигнал GPS также был заблокирован во время пробного запуска светофором UKM. Но на этот раз навигационная информация была рассчитана из ИНС с использованием стационарного обновления. Алгоритм обнаружил стационарное состояние на светофоре UKM. На пересечении станций UKM KTM стационарное состояние снова успешно обнаружено. Были внесены поправки на погрешность, и, таким образом, поперечная ошибка составила всего 12 м.До светофора Hentian Kajang погрешность поперечного пути достигала 20 м, в то время как без обновления стационарных данных ошибка поперечного пути достигала 200 м в той же точке.

    6. Обсуждения

    Из результатов экспериментальных оценочных испытаний очевидно, что предложенный алгоритм успешно обнаружил стационарное состояние, и ошибки датчика IMU были исправлены соответствующим образом без какого-либо ложного стационарного обнаружения. Стационарное обновление уменьшило значительные ошибки позиционирования на 180 м и, таким образом, улучшило навигационные характеристики на 90%.Предпринята попытка сравнить эти результаты с ранее опубликованными исследовательскими работами. Тем не менее, большинство предыдущих исследований было сосредоточено на пешеходных и внутренних навигационных системах, в которых ошибки датчиков исправляются, когда ступня пешехода касается земли. Но подходы к системам наземного транспорта различны. Таким образом, предлагаемая система несопоставима с системами навигации для пешеходов и помещений и сравнивается только с системами наземного транспорта. Однако производительность нелегко сравнивать из-за отсутствия единообразия технических характеристик, таких как цена датчика, технические характеристики датчика, количество используемых датчиков, тестируемое транспортное средство и различия в маршрутах.Несмотря на эти ограничения, предлагаемая система сравнивается с другими аналогичными опубликованными исследованиями. В [16–19] управляемые условия устанавливаются в стационарное состояние путем ограничения вибрации и обеспечения неподвижности. Но эти методы неприменимы в большинстве приложений наземных транспортных средств, таких как интеллектуальная транспортная система, системы слежения за транспортными средствами, выезд за пределы полосы движения и системы предупреждения. Другой метод, описанный в [14] для картографических приложений, также использует принудительную стационарную работу, предупреждая пользователя, когда эскалация ковариации ошибки положения пересекает определенный порог во время сбоя GPS [14].Таким образом, система в [14, 16–19] страдает недостатками, заключающимися в том, что она не является автоматизированной системой по сравнению с предлагаемым автоматическим стационарным обнаружением без какого-либо вмешательства пользователя.

    Пороговое значение скорости GPS более 20 с предложено в [20], где скорость GPS используется для обнаружения стационарного состояния. Стационарное состояние обычно используется для ограничения расхождения позиционной информации во время сбоя GPS путем сброса ошибок IMU. Поэтому подход в [20] полностью отличается от предложенного метода и страдает недостатком, заключающимся в том, что не обнаруживается стационарное состояние в состоянии сбоя GPS.Но преимуществом предложенной системы является стационарное обнаружение без сигнала GPS и повышение точности позиционирования в условиях сбоя GPS за счет сброса ошибок IMU в стационарном состоянии. GPS, использованный в [20], был высокочувствительным GPS для коррекции ошибок гироскопов, а поперечная ошибка трека составляла 75 м. Но в предлагаемом методе погрешность поперечного сечения составляет всего 20 м.

    В [21] стационарное состояние обнаруживалось только по данным акселерометра с более длинным временным окном 15 с.Недостатком такого длительного временного окна является вероятность пропуска стационарных состояний, поскольку транспортное средство может не находиться в неподвижном состоянии в течение такого длительного периода. Напротив, преимуществом предлагаемой системы является изменяемое временное окно всего 3 с для комбинированного метода на основе AHRS и MM и 5 с только для метода на основе AHRS. Кроме того, в тестовом прогоне [21] использовался высокочувствительный GPS и модуль обнаружения поворота с техникой MM, чтобы уменьшить ошибку отображения, и полное отключение GPS не оценивалось.При плохих условиях GPS ширина пути достигла 75 м в [21], что намного больше по сравнению с 20-метровой полосой пути в предлагаемой системе. Подход к распознаванию образов на основе акселерометров, предложенный в [22], оценивает только частоту ложного стационарного обнаружения, которая составляет 5%. Напротив, преимуществом предлагаемого стационарного обнаружения является исключение ложного стационарного обнаружения. Стационарные состояния обнаруживаются по изменению курса и тангажа и крена AHRS, построенного на основе датчиков IMU.Кроме того, алгоритм MM определяет перекрестки, на которых автомобиль может остановиться. Комбинируя эти два результата, стационарное состояние обнаруживается с меньшим временным окном, равным 3 с. Более длительное временное окно 5 с используется, когда стационарное состояние обнаруживается только от AHRS. Таким образом, ложное стационарное обнаружение устраняется за счет комбинации двух результатов и более длительного временного окна только для обнаружения на основе AHRS. Сравнение точности предложенного метода с другими опубликованными работами представлено в таблице 3.С учетом вышеперечисленных факторов предлагаемая система превосходит предыдущие известные отчетные работы.



    0,2
    0,3 0,1 0,3 0,5
    0,4 0,8

    Ссылка Метод Поперечная ошибка Ложное обнаружение

    [20] 9077 9077 скорость GPS —
    [21] Акселерометр, временное окно 15 с 75 м
    [22] Акселерометр 5% Эта работа 907 курс, крен, тангаж и MM, переменное временное окно (5 с и 3 с) 20 м Нет

    7.Выводы

    Стационарные обновления повышают производительность INS во время недоступности вспомогательных датчиков. Автоматическое и надежное обнаружение стационарного состояния является сложной задачей, так как исключение ложного стационарного обнаружения имеет жизненно важное значение. Предлагаемое ускорение и стационарное обнаружение на основе AHRS представляют собой новый подход с комбинацией обнаружения пересечения MM и изменяемого временного окна. Комбинация пересечения MM для пересечения и стационарного обнаружения по ускорению, курсу, тангажу и крену исключает возможность ложного стационарного обнаружения.Результаты испытаний также продемонстрировали успешное обнаружение стационарных состояний без каких-либо ложных стационарных обнаружений. Навигационные характеристики предлагаемого стационарного обнаружения были также оценены в ходе тестового прогона, в ходе которого было обнаружено, что поперечная погрешность существенно уменьшилась на 90% при обновлении стационарных данных. Результаты сравнения также показывают, что предложенный алгоритм превосходит предыдущие известные опубликованные работы. Предлагаемый алгоритм поможет уменьшить ошибку INS и улучшить работу навигационной системы в условиях сбоя GPS.

    Конфликт интересов

    Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

    Благодарности

    Эта работа была поддержана исследовательским грантом Arus Perdana (UKM-AP-ICT-20-2010) и Brain Gain Malaysia (MOSTI / BGM / R & D / 20) от Universiti Kebangsaan Malaysia и Министерства науки и технологий и инновации (МОСТИ) соответственно.

    Оценка различных датчиков гироскопа для интеллектуальных инвалидных колясок Научно-исследовательская работа по «Медицинской инженерии»

    Доступно на сайте www.sciencedirect.com

    ScienceDirect

    Разработка процедур 13 (2011) 519-524

    5-й Азиатско-Тихоокеанский конгресс по спортивным технологиям (APCST)

    Оценка различных датчиков гироскопа для интеллектуальных инвалидных колясок

    Джулиан Дж. К. Чуа *, Франц Константин Фусс, Александар Субич

    Школа аэрокосмической, механической и производственной инженерии, Университет RMIT, Бандура, ВИК 3083, Австралия Поступила 24 марта 2011 г .; пересмотрена 30 апреля 2011 г .; принята к печати 1 мая 2011 г.

    Аннотация

    Инерционные датчики широко используются в последние годы для измерения и контроля показателей во многих различных видах спорта, за исключением спорта на колясках.Установка акселерометра непосредственно на раму кресла-коляски и определение рабочих параметров на основе измерений линейного ускорения может дать ценную информацию о спортивных показателях кресла-коляски. Однако обработка, необходимая для этой цели, утомительна. С улучшением точности и диапазона измерений гироскопов MEMS теперь можно установить гироскоп на гоночном руле для инвалидных колясок и измерять скорости, близкие к 30 м / с. В этой статье оцениваются и сравниваются измерения угловой скорости, полученные с помощью изготовленного на заказ беспроводного датчика гироскопа, коммерческого инерциального датчика и устройства iPod Touch 4.Благодаря эффективной фильтрации датчики гироскопа представляют собой подходящий инструмент для анализа результатов занятий спортом на колясках.

    © 2011 Издано Elsevier Ltd. Выбор и экспертная оценка под ответственностью Университета RMIT

    Ключевые слова: гироскоп; iPod Touch 4; iPhone; разрешающая способность; обработка сигналов; инвалидные коляски

    1. Введение

    Инерционные датчики

    применялись в различных видах спорта для измерения и контроля характеристик.Обычно они включают измерения акселерометров, гироскопов и показания GPS. Некоторые примеры измерения спортивных результатов с использованием инерционных датчиков включают измерение кинематических параметров ударов в гольф [1], определение характеристик плавательных гребков [2, 3], измерение скорости каякинга и сравнение симметрии между левым и правым гребками [4] и измерение скорости вращения и оси вращения. в боулинге [5]. Инерционный датчик также использовался для измерения ускорений и замедлений кресла-коляски для регби во время эксперимента по выбегу [6].Эти измерения показали небольшое отклонение от

    .

    * Автор, ответственный за переписку. Тел .: +61 3 9925 6123; факс: +61 3 9925 6108. Адрес электронной почты: [email protected]

    1877-7058 © 2011 Опубликовано Elsevier Ltd. doi: 10.1016 / j.proeng.2011.05.124

    данных при нулевом ускорении. Это может быть связано с тем, что расположение инерциального датчика не является идеально плоским, что приводит к незначительному влиянию силы тяжести на данные об ускорении.Неровная поверхность пола также может иметь такой же эффект. Данные об ускорении были численно интегрированы один раз для получения скорости с последующей ручной коррекцией ошибки смещения от ускорения и проверкой на основе графика зависимости скорости от времени. Наконец, шум был удален с помощью фильтра Савицки-Голея. Следовательно, хотя акселерометр может использоваться для измерения мгновенной скорости и расстояния спортивного инвалидного кресла, требуется обширная обработка данных, чтобы гарантировать, что результаты являются достоверными. Комбинированное использование GPS с акселерометрами и гироскопами может быть хорошим вариантом для повышения точности кинематических данных [7], но было показано, что точность показаний GPS зависит от погодных условий и положения спутников.Показания GPS в настоящее время также не применимы для использования в помещениях (например, регби и баскетбол на колясках).

    Мосс и др. [8] и Фасс [9] разработали велосиметры и прикрепили их к гоночным инвалидным коляскам для измерения и регистрации данных скорости. Хотя эти методы измерения скорости очень точны, такую ​​установку нелегко перенести на другие инвалидные коляски, и может потребоваться особая настройка и калибровка.

    С другой стороны, гироскоп с соответствующим диапазоном измерения может быть легко установлен на колесе инвалидной коляски для измерения угловой скорости, которая при умножении на диаметр колеса дает линейную скорость.После этого его нужно только один раз проинтегрировать численно, чтобы определить расстояние, и один раз дифференцировать, чтобы получить линейное ускорение.

    Целью этого исследования было: (i) разработать простой беспроводной датчик гироскопа (WGS) для измерения угловой скорости инвалидного кресла-коляски; (ii) оценить измерения WGS, MinimaxX (инерциальный датчик) и устройства iPod Touch 4, используя известное количество оборотов, и сравнить точность данных; и (iii) оценить возможность использования датчиков гироскопа для измерения работоспособности кресла-коляски.

    2. Экспериментальное исследование

    2.1. Беспроводной датчик гироскопа (WGS)

    Беспроводной датчик гироскопа (WGS) состоит из двух основных компонентов: удаленного блока, который представляет собой сам датчик, и базового блока, подключенного к портативному компьютеру (рис. 1). Удаленный блок состоит из двухосного гироскопического датчика (модель LPY5150AL, STMicroelectronics, Женева, Швейцария; диапазон: +/- 6000 ° / с), батареи 3 В и радиочастотного модуля XBee (модель: Series 1, Digi International, Миннетонка, Миннесота. , США), который использует IEEE 802.15.4 сетевой протокол. Базовый блок — это просто еще один радиочастотный модуль XBee, подключенный к коммутационной плате через USB-соединение. Конфигурация аналогична описанной в [10].

    Радиочастотный модуль XBee был выбран потому, что он обеспечивает беспроводную передачу данных на расстояние до 100 м вне помещения и 30 м в помещении [11]. Сюда входят игры в помещении, такие как регби и баскетбол на колясках, и игры на открытом воздухе, такие как теннис на колясках и соревнования по гонкам на колясках на трассе, если базовый блок расположен посередине трассы.Он также позволяет нескольким радиочастотным модулям связываться друг с другом, что позволяет двум удаленным устройствам (по одному на каждом колесе кресла-коляски) передавать данные на базовый блок одновременно. Таким образом могут быть определены рабочие параметры кресла-коляски, движущегося по прямой или в повороте. Модуль XBee RF действует как микроконтроллер и способен выполнять 10-битное аналого-цифровое преобразование сигнала гироскопа. Следовательно, нет необходимости в дополнительном микроконтроллере, что делает конструкцию схемы относительно простой.

    Базовый блок можно подключить к USB-порту портативного компьютера, который действует как последовательный порт. В рамках этого исследования на Visual Basic была разработана специальная программа для чтения и хранения данных, передаваемых с удаленного устройства и получаемых базовым устройством.

    2.2. Метод

    WGS и два других мобильных устройства с гироскопами были установлены на левом колесе инвалидной коляски для регби. Двумя другими мобильными устройствами были MinimaxX (Catapult Innovations Pty Ltd, Мельбурн, Австралия) и iPod Touch 4 (Apple Inc., Купертино, Калифорния, США;). Разрешение и диапазон измерений датчиков гироскопа показаны в Таблице 1. Инвалидное кресло было закреплено на эргометре для инвалидных колясок, чтобы гарантировать, что колесо вращается на фиксированной оси. К толкателю колеса был прикреплен трос для облегчения поворота колеса. Датчики включались при неподвижном колесе. Затем, начиная с малой скорости, колесо поворачивали против часовой стрелки с помощью веревки. Скорость вращения была увеличена примерно до двух оборотов в секунду, а затем замедлена до полной остановки.Место, где была прикреплена веревка, использовалось в качестве маркера для обозначения начального и конечного положения колеса, и они должны были быть идентичными, чтобы обеспечить точный ручной подсчет количества оборотов. Три измерения были получены для поворотов против часовой стрелки и еще три — для поворотов по часовой стрелке.

    Рис. 1. Беспроводной датчик гироскопа — слева: выносной блок; справа: базовый блок, подключенный к ноутбуку. Таблица 1. Технические характеристики датчиков гироскопа.

    Датчик Диапазон измерения (град / с) Разрешение (град / с) 100 * Разрешение / Диапазон измерения

    WGS +/- 6000 град / с 14.6627 град / с 0,244%

    iPod Touch 4 +/- 2000 град / с ~ 0,0655 град / с 0,003275%

    MinimaxX +/- 1000 град / с 0,5 град / с 0,05%

    2.3. Обработка данных

    Все данные об угловой скорости были взяты с частотой 100 Гц (или близкой к 100 Гц) и преобразованы из градусов в секунду или радианта в секунду в число оборотов в секунду (RPS). Из-за аппаратных ограничений WGS мог производить выборку данных только об угловой скорости с частотой 97 Гц, поэтому для целей сравнения в данные WGS приходилось добавлять повторяющиеся точки данных в качестве заполнителей (3 точки данных в секунду).На этом этапе все данные считались необработанными. Затем исходные данные численно интегрировали для получения общего числа оборотов (NR) и рассчитывали процентную ошибку от фактического NR. Затем на основе средней процентной ошибки на необработанные данные был умножен поправочный коэффициент, чтобы отрегулировать амплитуду таким образом, чтобы полученное значение NR было ближе к фактическому NR, а процентная ошибка была уменьшена до минимума. Наконец, шум во всех трех данных датчика был удален в MATLAB® (Mathworks, Inc., Натик, Массачусетс, США) с использованием фильтра Савицки-Голея 2-го порядка с шириной окна 25.

    2.4. Статистический анализ

    NR, полученный из угловой скорости, сравнивался с фактическим NR. Это было сделано для трех этапов обработки данных: 1) сырые данные, 2) после того, как поправочный коэффициент был умножен на необработанные данные, и 3)

    после фильтрации. Стандартное отклонение также было рассчитано для полученного NR для всех трех этапов обработки данных.Данные об угловой скорости (RPS) от всех трех датчиков сравнивались друг с другом в следующих парах: WGS против MinimaxX, iPod против MinimaxX и WGS против iPod. Сравнение проводилось путем сопоставления данных одного датчика с данными другого и добавления линейной аппроксимации. Градиент линейной аппроксимации показывает, насколько близки измерения WGS и iPod 4 к измерениям MinimaxX. Затем на основе линейных аппроксимаций было определено остаточное стандартное отклонение для каждой пары данных (WGS и MinimaxX, iPod и MinimaxX и WGS и iPod).

    3. Результаты

    Исходные данные об угловой скорости WGS и iPod были немного ниже и требовали коэффициента умножения 1,035 и 1,04 соответственно, в то время как MinimaxX использовал коэффициент умножения 0,995. Сводные данные о NR, полученном для трех датчиков, показаны в таблицах 2, 3 и 4. После применения фильтра WGS продемонстрировал среднее улучшение на 2,593%, iPod — на 3,684% и MinimaxX — на 0,471%. Сравнение стандартного отклонения для производного NR для трех этапов обработки данных показано в таблице 5.Улучшение стандартного отклонения было более выраженным для WGS и iPod, но не так сильно для MinimaxX. В таблице 6 показаны значения линейной аппроксимации (градиент графиков) и значения остаточного стандартного отклонения.

    Рис. 2. Пример графика зависимости угловой скорости от времени — Вверху: исходные данные; Внизу: исправленные и отфильтрованные данные

    Джулиан Дж. К. Чуа и др. / Procedure Engineering 13 (2011) 519-524 Таблица 2. Сравнение NR, полученного на основе необработанных данных датчиков

    Тест №Фактическая ошибка NR WGS NR% Ошибка iPod Touch 4 NR% Ошибка MinimaxX NR%

    1 35 34,565 -1,242 34,125 -2,501 35,808 2,309

    2 35 33,494 -4,303 33,108 -5,404 34,768 -0,662

    3 40 38,536 -3,660 38,035 -4,914 39,912 -0,219

    4 37 34,262 -7,401 35,006 -5,390 36,480 -1,404

    5 40 40,297 0,742 39,057 -2,359 40,601 1,502

    6 40 38,184 -4,540 39,043 -2.392 40,532 1,331

    Ср. % Ошибка -3,401 -3,827 0,476

    Таблица 3. Сравнение NR после умножения поправочного коэффициента

    Тест № Фактическая ошибка NR WGS NR% Ошибка iPod Touch 4 NR% Ошибка MinimaxX NR%

    1 35 35,775 2,214 35,490 1,399 35,629 1,797

    2 35 34,666 -0,953 34,433 -1,621 34,594 -1,159

    3 40 39,885 -0,288 39,556 -1,110 39,713 -0.718

    4 37 35,461 -4,160 36,406 -1,606 36,298 -1,897

    5 40 41,707 4,268 40,619 1,547 40,398 0,995

    6 40 39,521 -1,198 40,605 1,512 40,330 0,824

    Ср. % Ошибка -0,020 0,020 -0,026

    Таблица 4. Сравнение NR после применения фильтра Савицки-Голея

    Тест № Фактическая ошибка NR WGS NR% Ошибка iPod Touch 4 NR% Ошибка MinimaxX NR%

    1 35 35.773985 2,211 35,77457 2,213 35,629 1,797

    2 35 34,665161 -0,957 34,43276 -1,621 34,594 -1,159

    3 40 39,882455 -0,294 39,55589 -1,110 39,714 -0,715

    4 37 35,461695 -4,158 36,4244 -1,556 36,306 -1,875

    5 40 39,695748 -0,761 40,56845 1,421 40,398 0,995

    6 40 39,643042 -0,892 40,605 1,513 40,395 0,988

    Ср. % Ошибка -0,808 0,143 0,005

    Таблица 5.Сравнение стандартного отклонения полученных данных NR для трех этапов обработки данных

    Этап обработки данных. WGS iPod MinimaxX

    1. Исходные данные 1.606 1.527 0.521

    2. Применяемый поправочный коэффициент 1,020 0,557 0,483

    3. Примененный фильтр 0,743 0,597 0,490

    Таблица 6. Сравнение градиента линейной аппроксимации и остаточного стандартного отклонения после фильтрации

    Тест №WGS — MinimaxX iPod — MinimaxX WGS — iPod

    Линейная посадка град. Res. Std Dev Linear fit Grad. Res. Std Dev Linear fit Grad. Res. Стандартное отклонение

    1 0,9972 0,0158 0,9972 0,0158 1,0000 0,0000

    2 0,9982 0,0103 1,0053 0,0141 0,9928 0,0091

    3 0,9979 0,0273 1,0085 0,0121 0,9891 0,0297

    4 0,9912 0,0264 1,0098 0,0127 0,9812 0,0299

    5 0,9897 0,0088 1.0116 0,0030 0,9783 0,0092

    6 0,9930 0,0167 1,0162 0,0201 0,9770 0,0087

    Ср. 0,9945 0,0176 1,0081 0,0130 0,9864 0,0144

    4. Заключение

    В статье представлен сравнительный анализ нового беспроводного датчика гироскопа (WGS), разработанного в этом исследовании для измерения угловой скорости инвалидного кресла, с альтернативными коммерчески доступными устройствами, которые могут быть использованы для этой цели, такими как MinimaxX (инерционный датчик). ) и устройство iPod Touch 4.Результаты измерений и анализа, полученные в данном исследовании с использованием всех трех устройств, позволяют сделать следующие выводы.

    Применение специального коэффициента умножения к необработанным данным угловой скорости всех трех датчиков гироскопа значительно улучшило значение производного NR.

    WGS, разработанный для измерения угловой скорости кресла-коляски, представляет собой недорогое и простое решение для измерения линейных скоростей и, возможно, скорости поворота спортивного кресла-коляски.Установка XBee позволит практически в реальном времени контролировать измерения угловой скорости колеса. Однако точность данных все же может быть улучшена с помощью более мощного аналого-цифрового преобразователя. Это повысит разрешающую способность сигнала гироскопа и измерения угловой скорости. Тем не менее, было доказано, что просто применяя поправочный коэффициент и фильтр для удаления шума, полученные данные были сопоставимы с фактическим NR. Это относилось ко всем трем датчикам гироскопа, и их окончательная фильтрация соответствовала точно, как показано в документе (см. Таблицу 6).Следовательно, использование гироскопических датчиков для измерения кинематических данных кресла-коляски весьма возможно.

    iPod Touch 4, который похож на устройство iPhone 4, был выбран для этого исследования, потому что он считается повсеместным устройством со встроенными мощными датчиками, включая 3D-акселерометр и гироскоп. Он очень доступен для спортсменов и тренеров. С правильно разработанным приложением (приложением) оно может быть очень полезным инструментом для мониторинга спортивных результатов.

    Список литературы

    [1] Кинг К., Юн С.В., Перкинс, Северная Каролина, Наджафи К.Беспроводная система инерциальных датчиков MEMS для динамики удара в гольф. Датчики и исполнительные механизмы 2008; 141: 619-30.

    [2] Джеймс Д.А. Применение инерциальных датчиков в мониторинге высококлассных видов спорта. В: Мориц Э. Ф., Хааке С., редакторы. Инженерное дело спорта 6, Мюнхен: Springer; 2006, стр. 289-94.

    [3] Ohgi Y, Ichikawa H, Miyaji C. Микрокомпьютерное сенсорное устройство для контроля хода плавания. JSME International Journal 2002, 45 (4): 960-6.

    [4] Янссен И., Сачликидис А.Достоверность и надежность данных о скорости и ускорении байдарки внутри гребка с помощью акселерометра на основе GPS. Спортивная биомеханика 2010; 9 (1): 47-56.

    [5] King K, Perkins NC, Churchill H, McGinnis R, Doss R, Hickland R. Динамика шара для боулинга обнаружена миниатюрным беспроводным инерциальным измерительным устройством MEMS. Спортивная инженерия 2011; 13: 95-104.

    [6] Чуа Дж.Дж., Фусс Ф.К., Субик А. Нелинейное трение качения системы колеса с колесом: анализ кресла-коляски для регби.Proc. IMechE, часть C: J. Машиностроение, 2011 г .; 225 (4): 1015-20.

    [7] Броди М., Уолмсли А., Пейдж У. Захват движения Fusion: прототип системы с использованием инерциальных единиц измерения и GPS для биомеханического анализа лыжных гонок. Спортивные технологии 2008; 1 (1): 17-28.

    [8] Moss AD, Fowler NE, Tolfrey VL. Велометр на основе телеметрии для измерения скорости движения кресла-коляски. Журнал биомеханики 2003; 36: 253-7.

    [9] Fuss FK.Влияние массы на скорость гонок на колясках. Спортивная инженерия 2009; 12 (1): 41-53.

    [10] Айарс Э., Лай Э. Использование датчиков Xbee для беспроводного сбора данных. Американский журнал физики 2010; 78 (7): 778-81.

    [11] Таблица данных Xbee. Доступно: http://www.digi.com/pdf/ds_xbeemultipointmodules.pdf

    (PDF) Конструкция и характеристики интерферометрического волоконно-оптического гироскопа (IFOG) с волоконным усилителем, легированным эрбием (EDFA)

    156 O.Elikel

    (Арнаудов и Ангелов, 2005), стабильность смещения, достигнутая на прототипе IFOG, близка к пределу

    1 (

    ◦ / ч) для тактических нацеленных ракет. NE  0,001 (◦ / ч) / Гц1 / 2 для спроектированного прототипа IFOG

    при длительности выборки 1 с была предельной скоростью вращения, которую можно определить.

    Изменение температуры, при котором проводились измерения прототипа IFOG, составило

    в диапазоне 20 ± 0,5 ° C.

    Учитывая экспериментальные результаты, представленный прототип IFOG не только может быть предложен для различных сенсорных систем в своей категории, но также может быть использован в реализации

    соответствующих первичных эталонов в метрологической области.

    Благодарности Благодарю доц. Проф. Доктору С. Эрену Сану за его ценные обсуждения и поддержку в

    условиях улучшения содержания статьи.

    Список литературы

    Арнаудов, Р., Ангелов, Ю. Измерение вращения Земли с помощью микромеханического гироскопа скорости рыскания. Измер. Sci.

    Technol. 16, 2300 (2005)

    Берг Р.А., Лефевр Х.С., Шоу Х.Дж .: Одномодовый волоконно-оптический гироскоп с долговременной стабильностью. Опт.

    Lett. 6 (10), 502 (1981)

    Бернс, В.К .: Измерение вращения оптического волокна. Academic Press, San Diego (1994)

    Калшоу Б. Оптический волоконный интерферометр Саньяка: обзор его принципов и приложений. Измер.

    Sci. Technol. 17 R1 (2006)

    Граттан К.Т.В., Меггитт Б.Т .: Технология оптических датчиков. Chapman & Hall, London (1995)

    Hall, D.C., Burns, W.K., Moeller, R.P .: высокостабильные источники сверхфлуоресцентного волокна, легированные Er3 +. J. Ligthwave

    Technol. 13, с. 1452 (1995)

    Иванов, Э.V .: Полосовой кристаллический фильтр для улучшенного фазочувствительного обнаружения. Измер. Sci. Technol. 10, стр. N77–

    N81. (1999)

    Ким, Х.К., Дигоннет, Дж.Ф., Кино, Г.С.: оптический гироскоп с фотонной запрещенной зоной с воздушным сердечником. J. Lightwave Tech-

    № 24 (8), стр. 3169 (2006)

    Лукьянов, Д., Родлофф, Р., Сорг, Х., Штейлер, Б.: Оптические гироскопы и их применение. (Research and

    Technology Organization (RTO) НАТО, напечатано Canada Communication Group Inc.), (1999)

    Moeller, R.П., Бернс В.К., Фриго, Нью-Джерси: Выход без обратной связи и стабильность масштабного коэффициента в волоконно-оптическом гироскопе. J.

    Lightwave Technol. 7, стр. 262 (1989)

    Ульрих, Р .: Оптоволоконное определение вращения с малым дрейфом. Опт. Lett. 5 (5), pp. 173 (1980)

    123

    IOT2TANGLE Interview

    Как и в случае со многими вещами в экосистеме IOTA, мы рискуем бесконечной путаницей, когда представляем проекты / функции с помощью аббревиатур, но не предоставить любой фон.Чтобы не попасть в эту ловушку, давайте начнем постепенно привлекать читателей HelloIOTA с самого начала. Прежде чем приступить к собеседованию, мы заложим прочную основу.

    Многие, кто следил за IOTA, слышали новости о том, что называется «XDK2MAM». Раздражая это название: «XDK» относится к сенсорной плате / микросхеме Bosch под названием Bosch XDK110. Комплект разработчика, в который входит эта сенсорная плата, стоит около 180 евро, и на плате есть следующие сенсоры: акселерометр, гироскоп, влажность, магнитометр, давление, температура.

    «MAM» или «обмен сообщениями с замаскированной аутентификацией» — это старая версия IOTA потоковой передачи данных по сети. Новая версия называется «Streams», о чем вы, наверное, уже слышали.

    Первоначальный проект XDK2MAM начался в августе 2018 года с заявленной целью написания открытого исходного кода для сенсорной платы Bosch XDK 110 для взаимодействия с Tangle с использованием возможности потоковой передачи данных MAM IOTA. @ xdk2mam остается очень активным в твиттере и рекомендуется для подписчиков IOTA.

    22 сентября они написали в Твиттере намек, что будут выпустить новый код, который может быть совместим с новыми потоками IOTA. Вероятно, сложный ход из старого МАМ, что делает его очень захватывающим.

    Читатели помнят встречу с Карпинчо в интервью для HelloIOTA в прошлом месяце. Карпинчо не только возглавляет IEN, но и продвигает этот проект xdk2mam.


    Сегодня мы узнаем больше об истории IOT2TANGLE, познакомимся с командой и познакомимся с их специальным новым выпуском.Погнали.

    HelloIOTA Question # 1

    Наши читатели были увлечены проектами Bosch XDK 110, IOTA MAM и XDK2MAM. Этот проект зародился еще летом 2018 года — мы были бы рады услышать историю его создания. Когда впервые возникла эта идея? Имеется в виду конкретный вариант использования или идея голубого океана? Почему стоит выбрать работу с Bosch XDK 110, а не с raspberry pi или другими сенсорными платами? Как продвигался проект XDK2MAM за это время? Какие были проблемы и победы? Вы довольны тем, как все оборачивается на данный момент?

    Интерес к XDK110 возник из презентации MAM, которую Пол Дуглас сделал в Chicago Connectory еще в 2018 году.На этом мероприятии Пол представил решение для передачи сообщений с аутентификацией в маске и назвал узлы датчиков Bosch XDK110 кандидатом, который идеально подошел бы для этого решения для обработки данных второго уровня (MAM).

    В тот же день я провел небольшое исследование XDK110 и был очень взволнован его потенциалом. Это устройство представляет собой швейцарский армейский нож: 8 встроенных датчиков с расширением BLE, Wifi и LoRa … готовые к измерению прямо из коробки. Поскольку XDK110 поддерживает все эти функции, многие люди склонны думать, что это устройство идеально подходит для их проектов.По правде говоря, в большинстве случаев это может быть полезно на этапе лабораторных исследований, но на производстве вам может потребоваться более конкретная установка, такая как ESP32 / STM32. Это позволяет использовать только те датчики, которые вам нужны. XDK110 — отличный инструмент для создания прототипов, поскольку он позволяет быстро проверять концепции без необходимости подключения множества датчиков и кропотливой настройки устройства.

    Мы начали кодирование решений с открытым исходным кодом с двухуровневой модели: нам нужен код C, чтобы устройство могло отправлять свои данные различными методами (HTTP, BLE, LoRA, USB, UDP, MQTT), но, с другой стороны, данные были получены узлом Nodejs, отвечающим за их публикацию в Tangle через MAM.

    Хотя мы могли использовать PI3, XDK2MAM предназначался для наведения мостов между Bosch и IOTA. Честно говоря, наши ожидания в отношении этого проекта были высокими, но уровень принятия его со стороны сообщества IOTA и Bosch Connectivity был просто потрясающим. До сегодняшнего дня у нас были очень тесные отношения с командой, возглавляемой Райнером Скмолом (менеджером проекта XDK110), и в прошлом году у нас даже была возможность поработать с ними бок о бок в штаб-квартире Bosch Connectivity в Ройтлингене.

    HelloIOTA Question # 2

    Похоже, что IOT2TANGLE является побочным продуктом исходного проекта XDK2MAM. Представьте IOT2TANGLE нашим читателям, а затем немного расскажите о различиях между IOT2TANGLE и XDK2MAM. Это проект «ребрендинг»? Совершенно новый проект? Продолжение исходного проекта, но простой перенос на новые потоки IOTA? Какие-нибудь новые аппаратные устройства задействованы?

    Мы бы не стали называть IOT2TANGLE побочным продуктом XDK2MAM. Это больше расширение той идеи, в которой мы делаем именно то, что мы сделали для XDK110, но и для других устройств тоже.XDK110 станет лишь одним из многих устройств, для которых мы будем разрабатывать открытый исходный код. Список может измениться, но сейчас в него входят Raspberry, BeagleBone, ESP32 и 8266, STM32, MSP430 и другие. Если они там используются, мы напишем код, чтобы эти устройства работали на Tangle.

    IOT2TANGLE нацелен на продолжение поддержки XDK110 при создании открытого исходного кода для других более распространенных (и экономичных) микросхем, широко используемых дизайнерами / любителями Интернета вещей. Концепция проста: у нас есть общий набор датчиков, измеряющих температуру, влажность, давление, ускорение, шум и свет.Мы предоставляем открытый исходный код, который заставляет эти датчики работать на каждой плате, а затем отправляет наборы данных в Tangle через потоки. Наши пошаговые инструкции помогут конечному пользователю быстро и легко начать отправку данных датчиков в Tangle. Вам даже не нужно быть инженером — просто следуйте инструкциям, и готово.

    На наш взгляд, это элегантный способ расширить работу, которую мы ранее проверили с XDK2MAM, на другие устройства, при этом по-прежнему поддерживая XDK110.Мы объединяем последнюю веху XDK2MAM (XDK110 с использованием потоков) с первым шагом IOT2TANGLE (данные датчика отправки Raspberry через потоки). IOT2TANGLE представил предложение в области инструментов для Фонда развития экосистемы IOTA, и мы с гордостью можем сказать, что оно было одобрено в конце 2019 года. Поскольку технологии (Streams) еще не было, мы изучили устройства, ожидая IOTA Foundation для разработки Streams. Как мы все знаем, альфа-потоки уже существуют, и теперь мы считаем его достаточно зрелым, чтобы начать нашу работу, которая откладывалась более 9 месяцев.Это означает, что нам придется учитывать изменения Фазы 2 «Хризалис» по мере продвижения, — задача, которую мы рассмотрели и приняли.

    HelloIOTA Вопрос № 3:

    Были ли какие-либо соображения относительно перехода к более широкому диапазону интегрированных датчиков и устройств? Как принимаются аппаратные решения, и, возможно, вы могли бы привести пример одного из решений, которые вы принимали в прошлом. Имеет ли IOTA Foundation какой-либо вклад в этот проект или, может быть, какие-то рекомендации издалека относительно того, на какие устройства стоит обратить внимание? Помогите нашим читателям вникнуть в ваш мыслительный процесс по этому поводу.

    Хотя XDK110 — прекрасный инструмент для создания прототипов приложений IoT, правда в том, что у большинства разработчиков IoT есть другие устройства в своих лабораториях / дома. Платы, такие как ESP32 или STM32, можно использовать для прототипов, но они также очень полезны в производстве. Когда мы начали работать с XDK110, мы узнали это очень быстро. Это заставило нас задуматься: «А что, если кто-нибудь с одной из этих очень дешевых плат сможет легко интегрировать IOTA в свой проект?»

    Как вы понимаете, первым шагом IOT2TANGLE было исследование области устройств IoT и построение списка плат, которые мы хотели охватить.На данный момент мы проконсультировались со многими членами сообщества, работающими с IoT, а также с некоторыми инженерами по встроенным технологиям из IOTA Foundation. Мы получили множество отзывов, которые помогли не только выбрать устройства, но и предвидеть грядущие изменения в коде второго уровня данных IOTA.

    Мы считаем разумным держать список устройств как живое, дышащее, всегда открытое для пересмотра. Возможно, в будущем мы добавим больше устройств. Кроме того, это проект с открытым исходным кодом — мы стремимся создать массивный центр кода, который будет интегрировать устройства Интернета вещей с IOTA.IOT2TANGLE — это только начало инициативы, которая может стать очень полезным хранилищем чистого и простого в использовании кода, соединяющего платы с Tangle.

    HelloIOTA Вопрос № 4:

    Ваш проект всегда ставил открытый исходный код на первое место в списке приоритетов. Объясните, почему открытый исходный код так важен для построения мира, в котором мы хотим жить, и поговорите о компромиссах между открытым исходным кодом и закрытым / частным кодом. Какой из ваших переживаний подтвердил вашу веру в то, что открытый исходный код — это лучший выбор?

    Ребята, вы знаете, что это постоянно меняющееся царство.IOTA постоянно меняется и развивается. Даже программное обеспечение Интернета вещей растет огромными темпами. Единственный способ поддерживать центр кода этого типа в актуальном состоянии — это тесное сотрудничество с сообществом.

    Для нас открытый исходный код — это философия. Ни одна частная компания никогда не сможет нанять разработчиков, которые могут соответствовать тому, что может сделать сообщество открытого исходного кода. Безопасность программного обеспечения не должна полагаться на «сокрытие его слабых мест». Честно говоря, мы думаем, что это относится к большинству несвободных программ — «безопасность через неясность».Мир Интернета вещей — это гнездо хакеров. Людям нравится настраивать вещи и постоянно улучшать свои устройства и код. Поэтому важно, чтобы мы постоянно оставались в состоянии исследования, чтобы мы могли найти следующую новую технологию, которая будет использоваться в нашей повседневной жизни. Мы хотим, чтобы к нам присоединились многообещающие люди, поэтому публикация нашего кода может только помочь сделать его сильнее.

    XDK2MAM значительно выиграл от проблем, зарегистрированных и введенных нашими пользователями. Они буквально много раз указывали нам правильное направление, и мы были бы глупы, если бы не продолжали пользоваться этим замечательным преимуществом.Кроме того, мы рассматриваем I2T как «концентратор IoT / IOTA», и поэтому нам нужны люди, добавляющие свои решения для интеграции устройств, которые мы еще не охватываем.

    HelloIOTA, вопрос № 5

    Давайте познакомимся с командой IOT2TANGLE!

    У нас отличная команда! Даниэль Де Микеле (разработчик Full Stack, Аргентина) возглавляет проект. Алессандро Бассер (разработчик Rust, Швейцария) возглавляет интеграцию IOTA Streams. Густаво Бельбруно (инженер по встроенным системам, Аргентина) отвечает за обеспечение бесперебойной работы со стороны оборудования, а Даниэль Траут (представитель CE, Германия) консультирует нас по некоторым методикам.Кроме того, нам очень помогают Сэм Чен (инженер по встроенным системам в IF), Ю-Вей Ву (инженер по программному обеспечению в IF), Бернардо Арауджо (инженер по встроенным системам в IF) и многие другие!

    Вместе нам удалось добиться отличной синергии, в то время как IOTA меняет многие из своих функций с прицелом на новый протокол с децентрализованным консенсусом.

    Алессандро разрабатывает решения, которые будут иметь XDK110 и датчики на Raspberry Pi3, отправляющие данные через потоки, которые будут доступны очень скоро.В то же время Густаво исследует Embedded Rust для чипов XTensa и ARM с помощью Сэма Чена и Ю-Вей Ву. Пока мы ждем, пока IOTA Foundation предоставит нам версию Clang для Streams, мы проводим несколько тестов, чтобы оценить, можно ли выполнить задачу напрямую с помощью Rust. У Rust может быть светлое будущее для встраиваемых устройств.

    HelloIOTA Question # 6

    И, наконец, поскольку ваша команда обладает таким глубоким опытом работы с IOTA MAM и IOTA Streams, давайте узнаем, как нам следует думать о различиях между MAM и Streams.

    Наш гуру Streams — Алессандро, так что давайте попросим его ответить на этот вопрос.

    Большая разница в том, что Streams — это платформа для приложений для зашифрованного обмена сообщениями, тогда как MAM — это одно приложение. Итак, в каком-то смысле MAM — одно из многих приложений, которые можно создать с помощью платформы Streams.

    IOTA-Foundation выпустила «Приложения каналов», которые являются преемником версии MAM, созданной с помощью платформы Streams. Итак, основные различия между каналами и MAM заключаются в следующем: каналы обеспечивают более детальный контроль над тем, кто может читать и писать сообщения с помощью механизма ветвления; каналы также теперь используют двоичную криптографию и смогут воспользоваться всеми предстоящими улучшениями в сети IOTA; кроме того, каналы стали более настраиваемыми и могут быть дополнительно оптимизированы и адаптированы для конкретных случаев использования; но, наконец, поскольку каналы все еще находятся в альфа-версии, им по-прежнему не хватает некоторых функций MAM, таких как отслеживание состояния и детерминированный вывод сообщений.

    HelloIOTA Вопрос № 7

    Спасибо, что нашли время связаться с читателями HelloIOTA и рассказать нам свою историю. Какие-нибудь заключительные замечания?

    Что действительно интересно, так это то, что в результате работы, проделанной с XDK2MAM, многие гигантские компании IoT обратились к нам с просьбой об интеграции их плат с IOTA. Мы стремимся к тому, чтобы IOT2TANGLE создавал мосты между этими компаниями и IOTA, и мы уверены, что увидим это в результате нашей напряженной работы.

    После долгого изучения области и общения со многими корпорациями, теперь мы можем начать работу.Мы полностью осведомлены об изменениях, происходящих в протоколе IOTA, и, наконец, можем приступить к выпуску программного обеспечения, которое легко адаптируется к этим изменениям. Пристегнись, это будет дикая поездка!

    Алгоритм объединения датчиков с помощью дополнительного фильтра для оценки отношения квадрокоптера с недорогим IMU | Нордин

    Алгоритм объединения датчиков с помощью дополнительного фильтра для оценки отношения квадрокоптера с недорогим IMU

    А. Нордин, М. А. М. Басри, З.Мохамед

    Абстрактные

    В этой статье предлагается алгоритм объединения датчиков с помощью метода дополнительных фильтров для оценки ориентации квадрокоптера БПЛА с использованием недорогого MEMS IMU. Угловая скорость гироскопа имеет тенденцию с течением времени дрейфовать, в то время как данные акселерометра обычно зависят от шума окружающей среды. Следовательно, высокочастотный сигнал гироскопа и низкочастотный сигнал акселерометра объединяются с использованием дополнительного алгоритма фильтрации. Коэффициент масштабирования дополнительного фильтра K1 = 0.98 и K2 = 0,02 используются для объединения гироскопа и акселерометра. Результаты показывают, что угол плавного крена, тангажа и рыскания может быть получен с помощью недорогого IMU с использованием предложенного алгоритма объединения датчиков.

    Ключевые слова

    MEMS; дополнительный фильтр; сенсорный сплав; БПЛА; недорогой ИДУ;

    DOI: http://dx.doi.org/10.12928/telkomnika.v16i2.9020

    Показатели статьи

    Абстрактный вид: 0 раз

    PDF — 0 раз

    Рефбэков

    • На данный момент рефбеков нет.

    Эта работа находится под международной лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0.

    TELKOMNIKA Telecommunication, Computing, Electronics and Control
    ISSN: 1693-6930, e-ISSN: 2302-9293
    Universitas Ahmad Dahlan, 4-й кампус
    Jl. Кольцевая дорога Селатан, Крагилан, Таманан, Бангунтапан, Бантул, Джокьякарта, Индонезия 55191
    Телефон: +62 (274) 563515, 511830, 379418, 371120 доб. 4902, факс: +62 274 564604

    & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp ; amp; amp; amp; amp; amp; lt; div & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; a title = «Web Analytics» href = «http: // statcounter.com / «target =» _ blank «& amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; img src = «// c.statcounter.com/10241713/0/0b6069be/0/» alt = «Веб-аналитика» & amp; amp; amp; amp ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; & amp; amp; ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt ; / a & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; lt; / div & amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; amp; ; amp; amp; amp; amp; amp; amp; gt; Просмотр статистики TELKOMNIKA

    HomeDecTime гироскоп металлический антигравитационный волчок гироскоп балансир игрушка в подарок красочный золотой

    ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ В MID-CAN DOOR MFG!

    С 1978 года мы поставляем и обслуживаем подъемно-поворотные ворота по всей Манитобе и Северо-Западному Онтарио.

    HomeDecTime гироскоп металлический антигравитационный волчок гироскоп балансир игрушка в подарок красочный золотой

    100% воловья кожа с верхним зерном и масляным загаром, трехслойный Pro DRY S Синтетический материал с постепенно уменьшающейся пористостью для интенсивного воздушного потока с высокой эффективностью фильтрации. При каждой покупке в Ryno Tuff мы будем сажать для вас дерево через Национальный лесной фонд. Купите Круглые запонки с родиевым покрытием и другие запонки FindingKing по адресу. Мужская спортивная футболка с длинным рукавом в стиле панамы в стиле ретро для взрослых в магазине мужской одежды. Мы стремимся предложить вежливый и удовлетворительный ответ в течение 24 часов. HomeDecTime Гироскоп Металлический Антигравитационный Волчок Гироскоп Баланс Игрушка в подарок Цветное золото , пожалуйста, следуйте инструкциям в «уведомлении по установке» внутри коробки и убедитесь, что компьютер автомобиля перезагружен для правильной работы. Доступна международная доставка. Текст гласит: «Праздник детского душа Николь». ) Примечания: Из-за разницы в освещении и настройках экрана бедра: около 48 1/2 дюймов / 123 см. Я люблю вас больше, чем единорогов (это много). Открытка для печати с изображением единорога. Этот список предназначен для ЦИФРОВОЙ ЗАГРУЗКИ карты выше. HomeDecTime Гироскоп Металлический Антигравитационный Волчок Гироскоп Баланс Игрушка Подарок Цветной Золотой . Индийское ручное одеяло Kantha, покрывало, простыня, покрывало. Эти теги могут отображаться разными способами; висела на витрине с цветами, она использовала зеркало и добавила блестящий блеск для губ. Victoria Secret Gold Label Peignoir Semi Sheer Robe Abstract, мы можем сделать текст другого цвета, чем корона и сердечки, если хотите, время обработки составляет 3-5 рабочих дней. HomeDecTime Гироскоп Металлический Антигравитационный Волчок Гироскоп Баланс Игрушка Подарок Цветной Золотой , Все, что вам нужно сделать, это повесить.Купить универсальную регулируемую настольную подставку для микрофона Портативный складной штатив Настольная подставка для микрофона с небольшим пластиковым зажимом для микрофона, например, Sm57 Sm58 Sm86 Sm87: Динамические микрофоны — ✓ Возможна БЕСПЛАТНАЯ ДОСТАВКА при подходящих покупках, гайки имеют пожизненную гарантию, не ржавеют, при количестве штук от до от маленьких кусочков до высоты, уникальное действие и цветовые узоры этой ложки привлекают внимание самых разных видов рыб, включая форель.