Mechatronikai szakirány Érzékelők és beavatkozók 2. előadás: Érzékelés és mérés c. egyetemi tanár - 1 -
Rendszer Mérés Adatgyűjtés Kommunikáció Beavatkozás Detektálás Irányítás Mérés, érzékelés - 2 -
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. - 3 -
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 -
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 2 10-7 newton erőt hozna létre. A kelvin (K) a víz hármaspontja termodinamikai hőmérsékletének 1/273.16- szorosa. A mól (mol) annak a rendszernek az anyagmennyisége, amely annyi elemi egységet tartalmaz, mint ahány atom van 0.012 kilogramm szén-12-ben. A kandela (cd) az olyan fényforrás fényerőssége adott irányban, amely 540 10 12 hertz frekvenciájú monokromatikus fényt bocsát ki és sugárerőssége ebben az irányban 1/683 watt per szteradián. - 5 -
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. 1889-es méter meghatározás egy Párizsban őrzött platina-irídium nemzetközi prototípuson az olvadó jég hőmérsékletén mért hosszán alapult. 1960-ban a métert a krypton-86 spektrumvonal hullámhosszának 1,650,763.73-szereseként határozták meg. 1983-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 10-7 -ről 10-11 -re csökkent. Krypton-86 lámpa délkör mérések Pt-Ir prototípus He-Ne lézer - 6 -
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 -
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 -
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. - 9 -
Érzékelők Néhány egyszerű példa érzékelőkre: Mikrokapcsoló (limit-switch) Potenciométer (szervo potméter) - 10 -
Érzékelők Néhány egyszerű példa érzékelőkre: ALS (ambient light sensor) Optokapu (photo-interrupter) LDR (lightdependent resistor) Fényintenzitás érzékelők Optikai enkóder (forgó) Infravörös távolságmérő szenzor - 11 -
Érzékelés, mérés Példa: félvezető nyomásérzékelő A nyomáskülönbség deformálja a vékony Si lapot. A deformáció ellenállás változást okoz villamos módszerrel, pl. mérőhidakkal (Wheatstone-híd) mérhetők. - 12 -
Példa: mágneses térérzékelő Érzékelés, mérés Magnetorezisztív hatás: A mágneses tér megváltoztatja a permalloy anyag (egy vasötvözet) ellenállását. Mérés: Wheatstone-híd. - 13 -
Érzékelés, mérés Példa: nyúlásmérő bélyeg Mechanikai deformáció (nyúlás): megváltoztatja egy vékony vezető réteg ellenállását. Alkalmazás: erőmérő cella. Mérés: Wheatstone-híd. - 14 -
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 - 15 -
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 - 16 -
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 - 17 -
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 - 18 -
Hőmérséklet mérés Ellenálláshőmérők: a leggyakoribb Pt100 100 Ω platina Szabvány: DIN IEC 751 Osztályok tolerancia szerint: Anyagok: A: ± [ (0.15 + 0.002 t ] C B: ± [ (0.30 + 0.005 t ] C Platina 0.00385 Ω/Ω/ C -260 850 C Réz 0.00427 Ω/Ω/ C -100-260 C Nikkel 0.00672 Ω/Ω/ C -100 260 C - 19 -
Hőmérséklet mérés Pt100 RTD jellemzői (IEC751 szabvány szerint): Névleges ellenállás 100 C hőmérsékleten: 100Ω. Lineáris hőmérsékleti tényező α=0.00385 (átlagos meredekség 0 és 100 C között) Pontosabb nemlineáris összefüggés: R 2 3 T R 1 st bt c ( T 100 T 0 ) a = 3.90830 x 10-3 b = -5.77500 x 10-7 c=-4.18301 x 10-12 -200 C < T < 0 C, és 0 0 C < T < +850 C (Callendar-Van Dusen összefüggés) - 20 -
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. - 21 -
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 - 22 -
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) - 23 -
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. - 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 -
Hőmérséklet mérés Félvezető hőmérsékletmérő szenzorok, példa: LM20 Si félvezető PN átmenet hőfokfüggését használja ki. Analóg kimenetű közel lineáris érzékelő: - 26 -
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 0-27 -
Giroszkópok A helyzetmeghatározás eszközei. Szög ill. szögsebesség mérésére szolgálnak. Típusok az alkalmazott fizikai elv szerint: Pörgettyűs mechanikus giroszkóp Rezgőelemes mechanikus giroszkóp Lézer giroszkóp - 28 -
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. - 29 -
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 - 30 -
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 - 31 -
Giroszkóp történelem Bizánci Philo (i.e. 280-220) tintatartó Ókori lelet Filippiből (i.e. 350-250) napóra (1230 körül) Gerolamo Cardano (1501 1576) kardán-felfüggesztés - 32 -
Giroszkóp történelem Léon Foucault École Polytechnique, Párizs, 1852 Pierre-Simon Laplace javaslatára oktatási segédeszközként a Föld forgásának szemléltetésére A gyroscope elnevezés Foucault-tól származik. - 33 -
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 - 34 -
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 - 35 -
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 - 36 -
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 - 37 -
Kéttengelyű pörgettyűs giroszkóp Rendeltetés: Kétdimenziós helyzetmeghatározás Alkalmazás: 2D helyzetkijelzés (műhorizont) 2D helyzetszabályozás Példa: Honeywell JG7044N, 1950-es évek - 38 -
Kéttengelyű pörgettyűs giroszkóp Boeing 747 Sperry vertikális giroszkóp 1970-es évek - 39 -
Háromtengelyű pörgettyűs giroszkóp Rendeltetés: Háromdimenziós helyzetmeghatározás Alkalmazás: 3D helyzetszabályozás Példa: S3 ballisztikus rakéta inerciális mérőmodulja, 1966-40 -
Háromtengelyű pörgettyűs giroszkóp... a korai űrkísérletekből (Kennedy Űrközpont) - 41 -
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. - 42 -
A gimbal lock probléma Nevezetes eset: az Apollo 11 Hold-expedíciója során majdnem bekövetkezett - 85 -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. - 43 -
A nevezetes giroszkóp FDAI (Flight Director Attitude Indicator) - 44 -
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 - 45 -
Rezgőelemes giroszkóp Megvalósítások: Az alkalmazott technológia szerint: Piezokeramikus kristály MEMS Micro ElectroMechanical System A mérés elve szerint: Piezoelektromos hatás Kapacitív elvű elmozdulás-mérés - 46 -
Rezgőelemes giroszkóp Piezokeramikus kristály Piezoelektromos hatás: Deformáció hatására a kristály két ellentétes felületén elektromos feszültség lép fel Polarizáció: szétválnak az ellentétes töltések. - 47 -
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 - 48 -
MEMS giroszkóp - 49 -
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 - 50 -
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: - 51 -
MEMS giroszkóp STM L3G4200D 3-tengelyű digitális kimenetű szögsebesség érzékelő - 52 -
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% - 53 -
Fizikai alapja: Sagnac effektus Georges Sagnac (1869-1928) 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. - 54 -
Lézer giroszkóp Típusok: Ring Laser Gyroscope (RLG) Fiber Optic Gyroscope (FOG) Előnyök: Nagy pontosság és érzékenység Nagyon kis zaj Hátrányok: Igen drága - 55 -
Lézer giroszkóp Ring Laser Gyroscope (RLG) - 56 -
Lézer giroszkóp Fiber Optic Gyroscope (FOG) - 57 -
Gyorsulás érzékelők Fizikai elv: rugó tömeg együttes Piezokeramikus Érzékelés piezoelektromos elven MEMS Érzékelés elve Kapacitív Termikus - 58 -
MEMS gyorsulás érzékelők - 59 -
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 - 60 -
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$ - 61 -
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 1-3.9 mg/lsb Hőmérsékleti drift 0.01%/ C Zaj 218 µg/ Hz Méret 3 x 3 x 1 mm - 62 -
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. - 63 -
Mágneses iránytű Honeywell 3-irányú digitális iránytű HMC5843 4 x 4 x 1.3 mm tok Digitális interfész Automatikus lemágnesezés - 64 -
Problémák: Mágneses iránytű Zavaró mágneses hatások a környezetben nagy tömegű ferromágneses tárgyak, villamos áramok Deklináció inklináció Korrekció lehetősége: deklinációs térképek, adatbázisok, programok - 65 -
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 - 66 -
Inerciális Mérőegységek (IMU) Példa: moduláris mérőegység Statikus/dinamikus nyomásmérő 3D magnetométer (mágneses iránytű) 5. generációs GPS vevő 6 szab. fokú inerciális mérőmodul Processzor modul - 67 -
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 - 68 -
Inerciális Mérőegységek (IMU) 6 szabadságfokú inerciális modul 3 egymásra merőleges tengely körüli elfordulást mérő MEMS giro érzékelő 3-irányú MEMS gyorsulásérzékelő - 69-6 szimultán működő σ-δ ADC
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-4-70 -
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 - 71 -
Globális pozícionáló rendszer- GNSS GPS (USA) GLONASS (RU) Galileo (EU) BeiDou (China) IRNSS (India) Problémák: Korlátozott pontosság Zaj, bizonytalanságok Megbízhatóság, rendelkezésre állás - 72 -
Globális pozícionáló rendszer- GPS Javasolt irodalom: www.u-blox.com GPS_Compendium(GPS-X-02007).pdf Megoldások a problémákra: GPS INS szenzorfúzió Hordozó-fázis alapján történő számítás / korrekció Differenciális korrekció, RTK (Real-Time Kinematics) - 73 -
Globális pozícionáló rendszer- GPS Space segment Control segment - 74 -
Globális pozícionáló rendszer- GPS ublox NEO-M8 sorozatú 72-csatornás GPS vevő - 75 -
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 - 76 -
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 - 77 -
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) - 78 -
Racelogic VBOX Yaw rate range ±450 /s Acceleration range ±5 g in each axis Internal temperature compensation Yaw rate resolution 0.001 /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 - 79 -