Érzékelők és beavatkozók

Átírás

1 Mechatronikai szakirány Érzékelők és beavatkozók 2. előadás: Érzékelés és mérés c. egyetemi tanár - 1 -

2 Rendszer Mérés Adatgyűjtés Kommunikáció Beavatkozás Detektálás Irányítás Mérés, érzékelés - 2 -

3 Érzékelés, mérés Különböző fizikai mennyiségek mérése: Példák: Kinematikai mennyiségek: távolság, sebesség, gyorsulás Dinamikai mennyiségek: tömeg, tehetetlenségi nyomaték Idő, frekvencia Energetikai mennyiségek: energia, teljesítmény Más fizikai mennyiségek: hőmérséklet, nyomás, rádióaktivitás Villamos mennyiségek: áramerősség, feszültség, mágneses térerősség Fénytani mennyiségek: fényerősség, megvilágítás Kémiai mennyiségek: anyagmennyiség Mit jelent a mérés? Valamilyen egységgel való összehasonlítás: a mennyiség és egységnyi mennyiség arányának meghatározása

4 Metrológia A metrológia tudománya foglalkozik a mennyiségek és mértékegységek származtatásával, a mértékegységek fizikai megvalósításával, és mérések elvi megvalósításának problémáival. SI mértékrendszer (Le Système International d Unités Nemzetközi Egységrendszer, 1960): Alapmennyiségek SI alapegységek: áramerősség hőmérséklet idő Minden más: származtatott mennyiségek ill. egységek, pl. Sebesség m/s Nyomás kg/m 2 Villamos feszültség - m2 kg s-3 A-1 anyagmennyiség fényerősség tömeg hossz - 4 -

5 Az SI alapegységek definíciója: Metrológia A méter (m) annak az útnak a hosszúsága, amelyet a fény vákuumban 1/299,792,458 másodperc időtartam alatt megtesz. A kilogramm (kg) egyenlő a kilogramm nemzetközi prototípus tömegével. A másodperc (s) az alapállapotú cézium-133 atom két hiperfinom energiaszintje közötti átmenetnek megfelelő sugárzás 9,192,631,770 periódusának időtartama. Az amper (A) olyan állandó villamos áram erőssége, amely két egyenes, párhuzamos, végtelen hosszúságú, elhanyagolhatóan kicsiny kör-keresztmetszetű és egymástól 1 méter távolságban, vákuumban elhelyezkedő vezetőben fenntartva, e két vezető között méterenként newton erőt hozna létre. A kelvin (K) a víz hármaspontja termodinamikai hőmérsékletének 1/ szorosa. A mól (mol) annak a rendszernek az anyagmennyisége, amely annyi elemi egységet tartalmaz, mint ahány atom van kilogramm szén-12-ben. A kandela (cd) az olyan fényforrás fényerőssége adott irányban, amely hertz frekvenciájú monokromatikus fényt bocsát ki és sugárerőssége ebben az irányban 1/683 watt per szteradián

6 Metrológia Az SI alapegységek definíciója sokat változott az idő során. Példa: a méter Az 1875-ös Párizsi Méteregyezményben a métert a föld egy délköre kerületének 40 milliomod részeként definiálták es méter meghatározás egy Párizsban őrzött platina-irídium nemzetközi prototípuson az olvadó jég hőmérsékletén mért hosszán alapult ban a métert a krypton-86 spektrumvonal hullámhosszának 1,650, szereseként határozták meg ra a fenti meghatározás már nem volt megfelelő, ezért a métert a fény által vákuumban 1/299,792,458 másodperc alatt megtett úthosszban határozták meg és ennek megvalósítására jódstabilizált hélium-neon lézer hullámhosszát használták. Az újradefiniálásokkal a relatív bizonytalanság ről re csökkent. Krypton-86 lámpa délkör mérések Pt-Ir prototípus He-Ne lézer - 6 -

7 Külön névvel illetett SI származtatott egységek: Metrológia Származtatott mennyiség SI egység név Jelölés SI egységekkel kifejezve frekvencia hertz Hz s -1 erő newton N m kg s -2 SI alapegységekkel kifejezve nyomás pascal Pa N/m 2 m -1 kg s -2 energia, munka, hőmennyiség joule J N m m 2 kg s -2 teljesítmény, sugárfluxus watt W J/s m2 kg s -3 elektromos töltés, elektromosság egysége coulomb C s A elektromos potenciál- különbség, elektromotoros erő volt V W/A m 2 kg s -3 A -1 elektromos kapacitás farad F C/V m -2 kg -1 s 4 A 2 elektromos ellenállás ohm Ω V/A m 2 kg s -3 A -2 elektromos vezetés siemens S A/V m -2 kg -1 s 3 A 2 mágneses fluxus weber Wb V s m 2 kg s -2 A -1 mágneses indukció, mágneses fluxussűrűség tesla T Wb/m 2 kg s -2 A -1 induktivitás henry H Wb/A m 2 kg s -2 A -2 fényáram lumen lm cd sr cd megvilágítás lux lx lm/m 2 m 2 m -4 cd = m -2 cd radioaktivitás becquerel Bq s -1 elnyelt dózis, közölt dózis, fajlagosan átadott energia gray Gy J/kg m 2 s -2 dózisegyenérték sievert Sv J/kg m 2 s -2 síkszög radián rad m m -1 = 1 térszög steradián sr m2 m -2 = 1 katalitikus aktivitás katal kat s -1 mol - 7 -

8 Érzékelés, mérés Érzékelő x(t) y(t) z(t) Feldolgozó Átalakító Érzékelő/átalakító (szenzor, távadó): feldolgozható formára hozza a mért jellemzőt Példák: Kinematikai érzékelők: sebességmérő, tachográf, GPS Dinamikai érzékelők: gyorsulás-, giro érzékelő Hőmérsékleti érzékelők: termoelem, ellenálláshőmérő Nyomásérzékelő: barométer, nyomáskülönbség távadó Villamos érzékelők: feszültségmérő, árammérő Komplex érzékelők: video kamera, GPS - 8 -

9 Érzékelők Fizikai mennyiségeket villamos jellegű mennyiségekre : feszültség, áram, frekvencia, vagy Villamos elven mérhető mennyiségekre: ellenállás, kapacitás, induktivitás alakítanak át. Érzékelők osztályozása a kimenet jellege szerint: Analóg kimenetű érzékelők: kimenet folytonos skálán változik. Kétállapotú: a kimenet két állapot között változik. Digitális: a kimenet diszkrét skálán változik

10 Érzékelők Néhány egyszerű példa érzékelőkre: Mikrokapcsoló (limit-switch) Potenciométer (szervo potméter)

11 Érzékelők Néhány egyszerű példa érzékelőkre: ALS (ambient light sensor) Optokapu (photo-interrupter) LDR (lightdependent resistor) Fényintenzitás érzékelők Optikai enkóder (forgó) Infravörös távolságmérő szenzor

12 Érzékelés, mérés Példa: félvezető nyomásérzékelő A nyomáskülönbség deformálja a vékony Si lapot. A deformáció ellenállás változást okoz villamos módszerrel, pl. mérőhidakkal (Wheatstone-híd) mérhetők

13 Példa: mágneses térérzékelő Érzékelés, mérés Magnetorezisztív hatás: A mágneses tér megváltoztatja a permalloy anyag (egy vasötvözet) ellenállását. Mérés: Wheatstone-híd

14 Érzékelés, mérés Példa: nyúlásmérő bélyeg Mechanikai deformáció (nyúlás): megváltoztatja egy vékony vezető réteg ellenállását. Alkalmazás: erőmérő cella. Mérés: Wheatstone-híd

15 Hőmérséklet mérés Hőmérséklet érzékelők típusai: Kétállapotú hőmérséklet érzékelők (hőmérséklet kapcsolók, termosztátok): Bimetál kapcsoló Folyadék- vagy gáztöltésű harmonikás kapcsoló Arányos (analóg) hőmérséklet érzékelők: Ellenálláshőmérő (RTD Resistor Temperature Detector) Termoelem (TC Thermocouple), Termisztor Félvezető alapú érzékelők Érintkezés nélküli infravörös érzékelők

16 Hőmérséklet mérés Kétállapotú hőmérséklet érzékelők (hőmérséklet kapcsolók, termosztátok): Határoló kapcsolók (limit switch): valamilyen hőmérsékleti szint túllépésekor állapotot vált. Bimetál kapcsoló ~T V / = Fogyasztó Kettősfém szalag különböző hőtágulási tényezőjű fémekből összeállítva: az eltérő hossznövekedés miatt elhajlik. L L T L T L T relatív hosszváltozás 0 0 T T 0 hőmérsékleti tényező

17 Hőmérséklet mérés Gáz- vagy folyadéktöltésű harmonikás kapcsoló ~T V / = Fogyasztó Gázok nyomásának ill. térfogatának hőmérsékletfüggése: (egyesített gáztörvény) pv T const. A harmonika állandó nyomást tart fenn: V k p T V T T 0 T 0 Folyadékok térfogatának hőmérsékletfüggése: relatív térfogatváltozás V L V T T T V L LA T V T V T 0 k pa 0 T 0 0 T T 0 térfogati hőmérsékleti tényező

18 Hőmérséklet mérés Ellenálláshőmérő (RTD Resistor Temperature Detector) Alapelv: a vezető anyagok ellenállásának hőmérsékletfüggése: R T R T 0 T T 0 R T R T 0 1 T R T Másodrendű közelítés: R 0 T R T T 0 1 T hőmérsékleti tényező 2 (lineáris közelítés) R magasabb rendű közelítések: az R(T) függvény Taylor-sor alapján Rref=R(T0) T0 T

19 Hőmérséklet mérés Ellenálláshőmérők: a leggyakoribb Pt Ω platina Szabvány: DIN IEC 751 Osztályok tolerancia szerint: Anyagok: A: ± [ ( t ] C B: ± [ ( t ] C Platina Ω/Ω/ C C Réz Ω/Ω/ C C Nikkel Ω/Ω/ C C

20 Hőmérséklet mérés Pt100 RTD jellemzői (IEC751 szabvány szerint): Névleges ellenállás 100 C hőmérsékleten: 100Ω. Lineáris hőmérsékleti tényező α= (átlagos meredekség 0 és 100 C között) Pontosabb nemlineáris összefüggés: R 2 3 T R 1 st bt c ( T 100 T 0 ) a = x 10-3 b = x 10-7 c= x C < T < 0 C, és 0 0 C < T < +850 C (Callendar-Van Dusen összefüggés)

21 Hőmérséklet mérés Mérés ellenálláshőmérővel: az RTD-re eső I Feszültséggenerátoros gerjesztés RS U O U I R S R R TD R R TD torzító tag nem lineáris U I RRTD U O Áramgenerátoros gerjesztés U O IR R T D lineáris Állandó árammal való gerjesztés a kedvezőbb: nincs torzítás, a hozzávezetések ellenállása nem játszik szerepet

22 Hőmérséklet mérés Mérés ellenálláshőmérővel: mérőhíd egy Wheatston-híd A híd egyik eleme a változó ellenállású RTD, a többi (legtöbbször azonos) értékű konstans ellenállás. Mérjük U o kimeneti feszültséget. R±r R R±r R U e I R R U o R R U o Feszültséggenerátoros gerjesztés Áramgenerátoros gerjesztés

23 Hőmérséklet mérés Termoelemek (ThermoCouple TC) Termoelektromos hatás (Seebeck effektus): különböző fémekben az elektronok mozgékonysága különböző hőmérsékleten eltérő: ez potenciálkülönbséget kelt, amely mérhető. T sense kromel réz árnyékolás T ref V T m alumel réz szigetelőanyag K-jelű termoelem (IEC 584 szerint) kromel(+) - alumel(-) 41μV/ºC Csupasz kromel: nikkel (90%) króm (10%) ötvözet alumel: nikkel (95%) mangán (2%) alumínium (2%) - szilícium (1%) ötvözet Burkolt Árnyékolt (földelt csomópontú)

24 Termisztorok Hőmérséklet mérés Félvezető kerámia anyagokból készült ellenállások: NTC negatív hőmérsékleti tényezőjű ellenállás PTC pozitív hőmérsékleti tényezőjű ellenállás Általában NTC-t használunk: (Steinhart-Hart) Hőmérsékletmérés: feszültségmérés A, B, C, D általában tapasztalati úton nyert konstansok (katalógusadatok) áramgenerátoros gerjesztéssel vagy feszültségosztóként, Hídkapcsolásban

25 Termisztorok Hőmérséklet mérés Félvezető kerámia anyagokból készült ellenállások: NTC negatív hőmérsékleti tényezőjű ellenállás PTC pozitív hőmérsékleti tényezőjű ellenállás Általában NTC-t használunk: (Steinhart-Hart) Hőmérsékletmérés: feszültségmérés A, B, C, D általában tapasztalati úton nyert konstansok (katalógusadatok) áramgenerátoros gerjesztéssel vagy feszültségosztóként, Hídkapcsolásban

26 Hőmérséklet mérés Félvezető hőmérsékletmérő szenzorok, példa: LM20 Si félvezető PN átmenet hőfokfüggését használja ki. Analóg kimenetű közel lineáris érzékelő:

27 Abszolút mennyiségek: Gyorsulások a x, a y, a z Szögsebességek ω x, ω y, ω z t Hely- és helyzetérzékelés A hely és helyzet egy inerciarendszerben relatív mennyiségek. Ezekből pozíció, sebesség és szöghelyzet: s s0 v0t a t t t t 0 0 t d v t v a d t d 0 t 0 0 t t

28 Giroszkópok A helyzetmeghatározás eszközei. Szög ill. szögsebesség mérésére szolgálnak. Típusok az alkalmazott fizikai elv szerint: Pörgettyűs mechanikus giroszkóp Rezgőelemes mechanikus giroszkóp Lézer giroszkóp

29 Pörgettyűs giroszkópok Fizikai elv: Newton axiómák Impulzusmegmaradás törvénye Egy forgásban levő merev test forgástengelye stabil egyensúlyi helyzetben van. Mit jelent ez? Áll? Nem feltétlenül: Egy meghatározott irány körül egy kúp mentén forog precesszál

30 Pörgettyűs giroszkópok Precesszió: ω p dl d ( ) dt dt ω,l,τ Forgástengelyre merőleges nyomaték p L A Föld forgásából eredő Coriolis erő Súrlódás, közegellenállás Véletlen hatások (kis eltérések a geometriában, a pörgettyűt érő fizikai hatásokban) p

31 Giroszkóp történelem forgástengely forgó tömeg Johann Bohnenberger Tübingeni Egyetem (1817) keret 3-gyűrűs giroszkóp gyűrű (gimbal) Kísérleti eszköz a merev testek forgásának illusztrálására Már viseli a modern giroszkópok fő ismérveit

32 Giroszkóp történelem Bizánci Philo (i.e ) tintatartó Ókori lelet Filippiből (i.e ) napóra (1230 körül) Gerolamo Cardano ( ) kardán-felfüggesztés

33 Giroszkóp történelem Léon Foucault École Polytechnique, Párizs, 1852 Pierre-Simon Laplace javaslatára oktatási segédeszközként a Föld forgásának szemléltetésére A gyroscope elnevezés Foucault-tól származik

34 Gyakorlati alkalmazás: pörgettyűs iránytű (gyrocompass) M.G. van den Bos, Hollandia, 1885 Motoros meghajtás Nagy viszkozitású folyadék csillapítás gyanánt Automatikus beállás az északi irányba. Anschütz-Kaempfe gyrocompass (metszet) Több szabadalom és elsőbbségi viták Iparilag nagy tömegben előállított termék

35 Gyakorlati alkalmazás: pörgettyűs iránytű (gyrocompass) Megbízhatóbb, mint a mágneses iránytű A geográfiai É irányba mutat ( a mágneses É pólus eltér) Nagy jelentősége volt a hajózásban Hibák: lassú beállás, nem követi a gyors változásokat Sperry gyrocompass Ma: Lézer gyrocompass GPS

36 Giroszkópok a repülésben, űrrepülésben Célok: A jármű mozgásának stabilizálása Manőverek irányítása Navigáció Eszközök: Egytengelyű giroszkópok Kéttengelyű giroszkópok Háromtengelyű giroszkópok Gimbal lock probléma: 4. tengely Inerciális Navigációs Rendszerek

37 Egytengelyű pörgettyűs giroszkóp Rendeltetés: Egy iránytól való eltérés detektálása, mérése Alkalmazás: A jármű legyező mozgásának stabilizálása Elfordulás vezérlés Példa: Honeywell JG7005 autopilot giroszkópja, 1950-es évek Iránytól való eltérés: kontaktusokat zár/nyit

38 Kéttengelyű pörgettyűs giroszkóp Rendeltetés: Kétdimenziós helyzetmeghatározás Alkalmazás: 2D helyzetkijelzés (műhorizont) 2D helyzetszabályozás Példa: Honeywell JG7044N, 1950-es évek

39 Kéttengelyű pörgettyűs giroszkóp Boeing 747 Sperry vertikális giroszkóp 1970-es évek

40 Háromtengelyű pörgettyűs giroszkóp Rendeltetés: Háromdimenziós helyzetmeghatározás Alkalmazás: 3D helyzetszabályozás Példa: S3 ballisztikus rakéta inerciális mérőmodulja,

41 Háromtengelyű pörgettyűs giroszkóp... a korai űrkísérletekből (Kennedy Űrközpont)

42 A gimbal lock probléma Ha a giroszkóp nem detektálja a jármű mozgását valamelyik szabadságfok mentén, a záródás (lock) jelenségével találkozunk giroszkóp elveszít egy szabadságfokot. Mikor következik ez be? Ha a giroszkóp valamely két tengelye egy síkba kerül: Ebben az esetben a roll mozgás kontrollálhatatlan. Miért gimbal lock? Csak gyűrűs (gimbal) giroszkóppal esik meg

43 A gimbal lock probléma Nevezetes eset: az Apollo 11 Hold-expedíciója során majdnem bekövetkezett nál a fedélzeti számítógép hibásan beavatkozott, a legénység hárította el a hibát az IMU egység újraindításával. "How about sending me a fourth gimbal for Christmas?" Mike Collins A jelenség kiküszöbölése: Használjunk redundáns 4. gyűrűt. Figyeljük a kritikus állapotot és indítsuk újra új pozícióból. Ne használjunk pörgettyűs giroszkópot

44 A nevezetes giroszkóp FDAI (Flight Director Attitude Indicator)

45 Rezgőelemes giroszkóp Alapelv: rugalmas rúd Rákényszerített rezgés v r sebesség ω szögsebességű forgás esetén F c Coriolis erő F c - m ( v r ) ω a rákényszerített rezgésre merőleges deformációt okoz mérhető

46 Rezgőelemes giroszkóp Megvalósítások: Az alkalmazott technológia szerint: Piezokeramikus kristály MEMS Micro ElectroMechanical System A mérés elve szerint: Piezoelektromos hatás Kapacitív elvű elmozdulás-mérés

47 Rezgőelemes giroszkóp Piezokeramikus kristály Piezoelektromos hatás: Deformáció hatására a kristály két ellentétes felületén elektromos feszültség lép fel Polarizáció: szétválnak az ellentétes töltések

48 MEMS giroszkóp MEMS Micro ElectroMechanical System Szilícium kristályon integrált áramkör gyártási technológiával kialakított mikro-méretű elektromechanikai rendszer. Tipikus MEMS áramkörök: Optikai áramkörök, pl. adaptív tükörrendszer (DLP) Érzékelők: gyorsulás, szögsebesség, nyomás, stb. Mikromotorok és hajtások

49 MEMS giroszkóp

50 MEMS giroszkóp Előnyök: Kis méretek példa: 4 x 4 x 1 mm Környezetállóság, mechanikai stabilitás Nagy megbízhatóság, kis meghibásodási ráta Kis fogyasztás Minden helyzetben működőképes (nincs gimbal lock ) Hátrányok: Áramköri zaj Hőmérsékletfüggés Jellemző: Szögsebességet érzékel

51 MEMS giroszkóp Analog Devices ADXRS-613 egytengelyű szögsebesség érzékelő Méréshatár ±150 /s Érzékenység 12.5mV/ /s Hőmérsékleti drift 3% Zaj 0.04 /s/ Hz Sávszélesség 3kHz Jellemző:

52 MEMS giroszkóp STM L3G4200D 3-tengelyű digitális kimenetű szögsebesség érzékelő

53 MEMS giroszkóp STM L3G4200D 3-tengelyű digitális kimenetű szögsebesség érzékelő I 2 C/SPI digitális interfész 100/200/400/800 Hz adatfrekv. ±250/500/2000 /s méréshatár Hőmérsékleti drift 2% Zaj 0.03 /s/ Hz Linearitási hiba 0.2%

54 Fizikai alapja: Sagnac effektus Georges Sagnac ( ) francia fizikus Lézer giroszkóp A két ellentétes irányú fénysugár interferál egymással. Ha a rendszer forgásban van, fáziseltérés lép fel megváltozik az interferenciakép. Sagnac interferométer Mérés: az interferenciacsíkokban bekövetkező eltérések detektálása

55 Lézer giroszkóp Típusok: Ring Laser Gyroscope (RLG) Fiber Optic Gyroscope (FOG) Előnyök: Nagy pontosság és érzékenység Nagyon kis zaj Hátrányok: Igen drága

56 Lézer giroszkóp Ring Laser Gyroscope (RLG)

57 Lézer giroszkóp Fiber Optic Gyroscope (FOG)

58 Gyorsulás érzékelők Fizikai elv: rugó tömeg együttes Piezokeramikus Érzékelés piezoelektromos elven MEMS Érzékelés elve Kapacitív Termikus

59 MEMS gyorsulás érzékelők

60 MEMS gyorsulásérzékelők Előnyök: Kis méretek 4 x 4 x 1.5 mm (3-tendelyű) Környezetállóság Nagy megbízhatóság, kis meghibásodási ráta Kis fogyasztás Egyszerű beépítés Alacsony ár Hátrányok: Jellemző: Áramköri zaj Hőmérsékletfüggés Gyorsulást érzékel: pozíció 2 integrálással

61 MEMS gyorsulásérzékelő Analog Devices ADXL-330 háromtengelyű gyorsulás érzékelő Méréshatár ±3g Érzékenység 300mV/g Linearitás ±0.3% Hőmérsékleti drift 1mg/ C Zaj 300 µg/ Hz Sávszélesség 1.6kHz Méret 4 x 4 x 1.45 mm Ár < 10$

62 MEMS gyorsulásérzékelő STM LIS331 háromtengelyű digitális kimenetű gyorsulás érzékelő Méréshatár ±2/4/8g I 2 C/SPI digitális interfész (12 bit) 50/100/400/1000 Hz data rate Érzékenység mg/lsb Hőmérsékleti drift 0.01%/ C Zaj 218 µg/ Hz Méret 3 x 3 x 1 mm

63 Mágneses iránytű Mágneses térérzékelő Magnetorezisztív hatás: A mágneses tér megváltoztatja a permalloy anyag (egy vasötvözet) ellenállását. Hall effektus: A mágneses térben az áramló elektronokra Lorentz erő hat, ez potenciálkülönbséget kelt. Mérés: Wheatstone-híd

64 Mágneses iránytű Honeywell 3-irányú digitális iránytű HMC x 4 x 1.3 mm tok Digitális interfész Automatikus lemágnesezés

65 Problémák: Mágneses iránytű Zavaró mágneses hatások a környezetben nagy tömegű ferromágneses tárgyak, villamos áramok Deklináció inklináció Korrekció lehetősége: deklinációs térképek, adatbázisok, programok

66 Inerciális Mérőegységek (IMU) IMU Inertial Measurement Unit Giroszkópok és gyorsulásérzékelők, esetleg más szenzorok közös feldolgozó egységgel Minimálisan mérés, ADC, előfeldolgozás, szűrés Skálázás, kalibrálási tényezők alkalmazása, hibakorrekció Maximális elvárások: sebesség, pozíció, helyzet (Euler-szögek) meghatározása Mai megvalósítás Digitális feldolgozás Beágyazott mikroszámítógépek alkalmazása

67 Inerciális Mérőegységek (IMU) Példa: moduláris mérőegység Statikus/dinamikus nyomásmérő 3D magnetométer (mágneses iránytű) 5. generációs GPS vevő 6 szab. fokú inerciális mérőmodul Processzor modul

68 Inerciális Mérőegységek (IMU) Tervező: MTA SZTAKI Moduláris felépítés: egymásra építhető modulok 32-bites 50 MHz órajelfrekvenciájú ARM mikrovezérlő Adatgyűjtési funkció: SD memóriakártya Real-time óra elemes táplálással Soros vonali, USB, CAN hálózati kommunikáció Általános célú erőforrások, pl. SPI, PWM Moduláris szoftver Skálázás, kalibrálás, hibakorrekció Navigációs algoritmusok megvalósítási lehetősége

69 Inerciális Mérőegységek (IMU) 6 szabadságfokú inerciális modul 3 egymásra merőleges tengely körüli elfordulást mérő MEMS giro érzékelő 3-irányú MEMS gyorsulásérzékelő szimultán működő σ-δ ADC

70 Inerciális Mérőegységek (IMU) Inerciális modul: 3D gyorsulásérzékelő 3D szögsebesség érzékelő 3D magnetométer (mágneses iránytű) Kiegészítés: GPS - µblox NEO sorozat CAN interfész Magas szintű navigációs algoritmusok (Kálmán-szűrés) Mikroszámítógép (Atmel) AVR32 ARM Cortex

71 Inerciális Mérőegységek (IMU) Bosch Sensortec BNO055 Inerciális szenzor Egy szilícium lapkán: 3-irányú 14-bites digitális kimenetű gyorsulásérzékelő 3-tengelyű 16-bites digitális kimenetű gyorsulásérzékelő 3-irányú földmágnesség érzékelő 32-bites ARM Cortex M0+ mikrovezérlő Bosch Sensortec szenzorfúziós szoftverrel. Kiegészítések: Host mikrovezérlő magas szintű digitális feldolgozás, Kálmán-szűrő Kommunikáció CAN / USB / Ethernet

72 Globális pozícionáló rendszer- GNSS GPS (USA) GLONASS (RU) Galileo (EU) BeiDou (China) IRNSS (India) Problémák: Korlátozott pontosság Zaj, bizonytalanságok Megbízhatóság, rendelkezésre állás

73 Globális pozícionáló rendszer- GPS Javasolt irodalom: GPS_Compendium(GPS-X-02007).pdf Megoldások a problémákra: GPS INS szenzorfúzió Hordozó-fázis alapján történő számítás / korrekció Differenciális korrekció, RTK (Real-Time Kinematics)

74 Globális pozícionáló rendszer- GPS Space segment Control segment

75 Globális pozícionáló rendszer- GPS ublox NEO-M8 sorozatú 72-csatornás GPS vevő

76 GNSS-INS pozicionáló rendszer GNSS x, y, z, v x, v y, v z Dinamikus járműmodell Kálmán szűrő Becsült x, y, z MEMS gyorsulás giro magnetométer érzékelők Inerciális mérőegység (IMU) a x, a y, a z, yz, xz, xy GNSS φ, ψ, θ GNSS+INS Nagyobb pontosság rendelkezésre állás megbízhatóság

77 A Kálmán-szűrés Lineáris rendszer állapotának négyzetes középhibában optimális becslése zajos megfigyelések (mérések) alapján Kálmán Rudolf Emil 1960-as publikációja: Kiterjesztések: Extended Kálmán Filter (EKF) nemlineáris rendszerekre Robusztus Kálmán Filter túllépés a négyzetes optimum határain

78 FOG alapú IMU 6 DoF IMU consisting of integrated FOGs and accelerometers Dual antenna for instant (turn on) and continuous (dynamic) heading Dual frequency embedded Trimble GNSS receiver Cutting-edge sensor fusion algorithm delivering accurate, reliable data for navigation, orientation, and control North-seeking gyrocompass Attitude and Heading Reference System (AHRS)

79 Racelogic VBOX Yaw rate range ±450 /s Acceleration range ±5 g in each axis Internal temperature compensation Yaw rate resolution /s Acceleration resolution 0.15 mg CAN Bus interface 100 Hz data logger GPS/GLONASS receiver IMU integration using Kalman filter Positioning accuracy 2-3 cm with IMU USB, Bluetooth connectivity