Концепция
Полное название IMU - инерциальная единица измерения. IMU содержит 3-осевой акселерометр и 3-осевой гироскоп. Это устройство, которое измеряет трехосевой угол ориентации (или угловую скорость) и ускорение объекта. IMU может вычислять положение носителя путем измерения угла и ускорения носителя в трехмерном пространстве. Достижения в технологии IMU революционизируют индустрию позиционирования и навигации, и разрыв между гироскопами микроэлектромеханических систем (MEMS) и волоконно-оптическими гироскопами (FOG) сокращается по мере того, как новые датчики MEMS-гироскопов достигают большей точности. Два наиболее распространенных типа IMU на сегодняшний день построены на основе технологии микроэлектромеханических систем (MEMS) и технологии волоконно-оптических гироскопов (FOG).
Концепция MEMS IMU и FOG IMU
1.MEMS IMU
MEMS IMU содержит MEMS-акселерометр и MEMS-гироскоп. MEMS-акселерометры определяют линейное ускорение, которое затем может быть использовано для расчета скорости и расстояния. Гироскопы MEMS обнаруживают вращательное движение и обычно используются для определения курса и/или ориентации (крена и тангажа). Когда данные акселерометров и гироскопов объединяются с течением времени, можно рассчитать положение объекта относительно его начала координат.
Благодаря своим небольшим размерам, основным производственным процессам, использованию обычных материалов и широкому распространению MEMS IMU в среднем меньше, легче, потребляют меньше энергии и стоят дешевле, чем их аналоги FOG. Однако, поскольку MEMS IMU содержат больше микромеханических компонентов и более чувствительны к колебаниям температуры, они, как правило, менее точны и более шумны, чем их волоконно-оптические аналоги. Если требуются точные данные о местоположении в течение длительного периода времени, MEMS IMU часто используются в сочетании с приемниками GNSS или другими сенсорными технологиями, которые предоставляют дополнительную информацию о местоположении.
Инерциальные датчики MEMS имеют небольшие размеры, легкий вес, малую мощность и низкую стоимость, другими словами, они обладают всеми наиболее желательными характеристиками low SWaP-C (размер, вес, мощность и стоимость). Области применения включают мобильные телефоны, автомобильные навигационные системы, автономные наземные транспортные средства, летающие дроны и роботизированные системы.
Поскольку MEMS-датчики меньше и легче, они более чувствительны к немоделированным температурным и вибрационным воздействиям из-за своих механических свойств. Эти эффекты увеличивают шум (угловые случайные блуждания) и приводят к искажениям в смоделированном показателе шума. IMU, независимо разработанный компанией Ericco Инерциальные системы Co., Ltd. в Китае, обеспечивает клиентов по всему миру высоконадежными и недорогими инерциальными измерительными приборами FOG/MEMS. Ericco не только предоставляет стандартные продукты IMU, нет и не может быть создано FOG/MEMS в соот-ветствии с рекомендациями разработчиков. Например, ER-MIMU01 использует высококачественные и надежные MEMS-акселерометры и гироскопы. Он оснащен трехосевыми прецизионными гироскопами X, Y и Z и трехосевыми акселерометрами X, Y и Z. Он имеет высокое разрешение и может выводить X, Y и исходные шестнадцатеричные данные дополнения трехосного гироскопа Z и акселерометра (включая шестнадцатеричное значение дополнения гироскопа, угол, шестнадцатеричную температуру акселерометра, шестнадцатеричное значение дополнения ускорения); Он также может выводить безразмерные значения с плавающей запятой для гироскопов и акселерометров, обработанные с помощью низкоуровневых вычислений. Для получения дополнительной информации о параметрах точности IMU этого продукта, пожалуйста, обратитесь к таблице ниже.
| Предмет | Parameter | Единица измерения |
| Производительность гироскопа | ||
| Диапазон | 100 | deg/s |
| Полоса пропускания (-3 дБ) | 12 | Hz |
| Масштабный коэффициент при 25°C | 80000 | LSB/(deg/s) |
| Повторяемость масштабного коэффициента (1σ) | <50 | ppm |
| Масштабный коэффициент В ЗАВИСИМОСТИ от температуры (1σ) | 300 | ppm |
| Нелинейность масштабного коэффициента (1σ) | <200 | ppm |
| Нестабильность смещения | <0.02 | deg/hr |
| Стабильность смещения (10 с 1σ) | <0.1 | deg/hr |
| Угловое случайное блуждание | <0.005 | °/√h |
| Погрешность смещения по температуре (1σ) | 3 | deg/hr |
| Temperature offset error (1σ) | <0.3 | deg/hr |
| Прогон по смещению-прогон (1σ) | <0.1 | deg/hr |
| Производительность акселерометра | ||
| Диапазон | 30 | g |
| Пропускная способность | 100 | Hz |
| Стабильность смещения (1s)(1σ) | <30 | ug |
| Повторяемость смещения | 200-500 | ug |
| Температурный коэффициент смещения | <20 | ug/℃ |
| Гистерезис температуры смещения | <0.5 | mg |
| Нелинейность факторной шкалы | <500 | ppm |
| Повторяемость факторной шкалы | <300 | ppm |
| Коэффициент временной шкалы коэффициента | 10 | ppm/℃ |
| Нелинейность II класса Коэффициент | <100 | ug/g2 |
| Факторная шкала | 400000-800000 | μg/LSB |
| Производительность системы | ||
| подача напряжения | 6V~12V | |
| Потребление энергоресурсов | 2w | |
| Интерфейс | RS422 | |
| Вибрация | 6.06g (10~2000Hz) | |
| Шок | 5000g, 0.1ms | |
| Рабочая температура | -40℃~ + 80℃ | |
| Температура хранения | -55℃~ + 105℃ | |
| Размер | 43.2mm×43.2 mm× 35 mm | |
| Вес |
≤100g (без оболочки) ≤220g (с оболочкой) |
|
2.FOG IMU
Как следует из названия, FOG IMU - это тип IMU, который использует оптическое волокно для измерения угловой скорости или скорости вращения любого объекта. Благодаря низкому уровню шума волоконно-оптических гироскопов эта технология широко используется в сложных навигационных приложениях. FOGs по своей сути более точны и стабильны, чем системы на основе MEMS, что делает их альтернативой в сценариях, где сигналы GNSS недоступны (например, в приложениях для добычи полезных ископаемых и навигации) или где может произойти отказ GNSS. Еще одной примечательной особенностью FOG является его способность быстро ориентироваться на север. ТУМАННЫЙ IMU может измерять угловое вращение Земли и определять направление всего за несколько минут, даже когда движется сам IMU.
Волоконно-оптические гироскопы используют волоконно-оптические петли и измеряют интерференцию световых лучей в противоположных петлях, чтобы обнаружить вращение вокруг каждой оси. Используемое оборудование дороже, крупнее и обычно потребляет больше энергии, но отсутствие движущихся частей делает его менее чувствительным к изменениям температуры и механическим вибрациям. А гирокомпасы FOG не имеют движущихся частей, что делает их более устойчивыми к вибрации и ударам, чем гирокомпасы MEMS. Это означает, что они идеально подходят для применений, в которых могут наблюдаться интенсивные уровни вибрации, например, в условиях высоких температур и высокой вибрации в таких средах, как горнодобывающая промышленность, оборона, надводные корабли и аэрокосмическая промышленность, а также для стабилизации тяжелого оборудования.
ER-FIMU-50 FOG IMU является наиболее экономичным инерциальным измерительным прибором для навигации, управления и динамических измерений. Это самый маленький FOG IMU, разработанный Ericco (производительность такая же, как у KVH 1775). В системе используются высоконадежные волоконно-оптические гироскопы и акселерометры с замкнутым контуром, а также различные методы компенсации для обеспечения точности измерений. В процессе производства используются строгие технологии, гарантирующие возможность точного измерения угловых и линейных параметров перемещения носителя в суровых условиях..
Продукт удобен для пользователя. В дополнение к источнику питания с широким диапазоном напряжений пользователи также могут при необходимости настроить выходную полосу пропускания, скорость обновления данных, скорость передачи данных через коммуникационный порт и протокол связи. Он может быть использован в авиационных путевых системах, системах управления наведением, измерении ориентации судна, инерциальных/спутниковых интегрированных навигационных системах, буровых системах, мобильных геодезических и картографических системах, мобильной спутниковой связи и других областях.
Различия между MEMS IMU и FOG IMU:
Из-за различных гироскопов, которыми они оснащены, эти два типа IMU сильно отличаются. Ниже будут представлены их 10 отличий.
1.Технология:
MEMS IMU используют микроэлектромеханические системы с акселерометрами и гироскопами, основанные на технологии микрообработки.
В FOG IMU используется волоконно-оптический гироскоп, который использует принцип интерференции света в оптических волокнах.
2.Принципы работы:
MEMS IMU используют отклонение микроструктур из-за ускорения или вращения для измерения движения.
FOG IMU измеряет движение, обнаруживая фазовый сдвиг света из-за вращения в волоконно-оптической катушке.
3.Точность:
По сравнению с MEMS IMU, FOG IMU обладают более высокой точностью. Это делает их особенно полезными в ситуациях, когда пользователи полагаются на IMU в течение длительных периодов времени: точные системы могут рассчитать положение, близкое к истинному, даже в нерабочее время.
4.Размер и форма:
MEMS IMU меньше и компактнее, что делает их пригодными для интеграции в небольшие устройства, такие как бытовая электроника.
FOG IMUs, как правило, крупнее и тяжелее и часто используются в более крупных системах, таких как аэрокосмические и оборонные приложения.
5.Стоимость:
MEMS IMU, как правило, более экономичны, чем FOGIMUs, что делает их широко используемыми в потребительских товарах.
FOG IMUs стоят дороже из-за их большей точности, узкоспециализированных внутренних компонентов и сложных передовых производственных процессов.
6.Потребление энергии:
MEMS IMU обычно имеют более низкое энергопотребление, что делает их подходящими для портативных устройств и устройств, работающих на батарейках.
FOG IMUs потребляют больше энергии, что менее важно в таких областях применения, как наземные транспортные средства и самолеты, где легко доступны источники питания.
7.Приложение:
MEMS IMU может использоваться для поиска севера в каротажных приборах/гироскопических приборах, наведения, рулевого управления и начальной центровки в управляемом оружии /системах запуска беспилотных летательных аппаратов в современном горнодобывающем/буровом оборудовании, направления в спутниковых антеннах, системах слежения за целями, наведения и отслеживания навигации на уровне MEMS-наведения и навигации по навигации в системах вооружения, системы направленного движения железнодорожных составов, MEMS IMU/INS навигационного уровня для точного определения ориентации и местоположения, измерения направления на север и позиционирования в геодезии/наземных мобильных картографических системах, разведке нефти, мостах, высотных зданиях, башнях, мониторинге плотин, геотехническом мониторинге, добыче полезных ископаемых и т.д.
FOG IMUs широко используются в аэрокосмической промышленности, обороне, морской навигации и других высокоточных приложениях, особенно там, где ГНСС недоступна или ненадежна, например, при подземной добыче полезных ископаемых или в военных условиях.
8.Прочность:
MEMS IMUs могут быть чувствительны к факторам окружающей среды, таким как экстремальные температуры и высокая вибрация, что может повлиять на их точность.
FOG IMU более надежен и стабилен, что делает его лучше подходящим для особо суровых условий эксплуатации..
9.Калибровка и автоматический поиск на север:
Из-за возможного смещения со временем MEMS IMU может потребоваться более частая калибровка для поддержания точности. Они недостаточно чувствительны, чтобы автоматически определять точный курс, если не подключены к приемнику GNSS.
FOG IMUs обладают лучшей долговременной стабильностью и, как правило, требуют менее частых калибровок для поддержания точного курса или местоположения. Наиболее точные волоконно-оптические гироскопические системы настолько чувствительны, что могут определять, где находится север, регистрируя вращение Земли.
10.Интеграция:
Поскольку MEMS IMU меньше по размеру и имеют более низкие требования к питанию, их легче интегрировать в компактные устройства.
FOG IMUs обычно используются в более крупных системах с учетом их размера и веса, а также более высоких потребностей в мощности.
Выбор MEMS IMU и FOG IMU
Таким образом, выбор IMU зависит от приложения и среды. Вы можете выбрать подходящий вам тип IMU в соответствии с различными сценариями применения, требованиями к точности и т.д.
MEMS IMU идеально подходят для: легкого веса, небольших размеров, низкого энергопотребления, датчиков наведения на небольшие расстояния и интеграции GNSS в предсказуемых динамических средах.
FOG IMU подходит для: абсолютной точности ориентации, высокой температуры, высокой вибрации, стабильности смещения с течением времени.
Приведенный выше материал является лишь кратким введением в MEMS IMU и FOG IMU с трех точек зрения, которые могут быть использованы в качестве ориентира при выборе IMU. Если вы хотите узнать больше о продуктах IMU, пожалуйста, перейдите по ссылке ниже.