IMU (Инерциальный измерительный блок) объединяет акселерометры, гироскопы и другие датчики, такие как магнитометры, для предоставления информации о направлении, вращении и движении объектов, начиная от смартфонов и заканчивая космическими аппаратами.
Два наиболее распространенных типа IMU построены на основе технологии микроэлектромеханических систем (MEMS) и технологии волоконно-оптических гироскопов (FOG). Давайте рассмотрим эти два.
1. Волоконно-оптический гироскоп (FOG) IMU
Как следует из названия, FOG - это тип IMU, который использует оптические волокна для измерения угловой скорости или скорости вращения любого объекта.
Благодаря низкому уровню шума волоконно-оптических гироскопов, эта технология широко используется в сложных навигационных приложениях.
Системы FOGs по своей сути более точны и стабильны, чем системы на базе MEMS, что делает их предпочтительными для сценариев, где сигналы GNSS недоступны (например, в горнодобывающей промышленности и под водой) или где может возникнуть отклонение сигнала GNSS. Еще одной примечательной особенностью FOG является возможность быстрого определения направления на север. Даже если сам IMU движется, FOG IMU может измерить угол вращения Земли и определить направление всего за несколько минут.
Гирокомпасы FOG не имеют движущихся частей, что делает их более устойчивыми к вибрации и ударам, чем гирокомпасы MEMS. Это означает, что они хорошо подходят для применений, которые могут испытывать сильную вибрацию, например, в горнодобывающей промышленности, обороне, на надводных кораблях и в аэрокосмической отрасли.
2. Микроэлектромеханическая система (MEMS) IMU
MEMS-акселерометры определяют линейное ускорение и затем могут быть использованы для расчета скорости и расстояния. MEMS-гироскопы определяют вращательное движение и обычно используются для определения курса и/или ориентации (крена и тангажа). Когда данные акселерометра и гироскопа объединяются с течением времени, можно рассчитать положение объекта относительно его начальной точки.
Благодаря своим небольшим размерам, основным производственным процессам, распространенным материалам и широкому распространению MEMS IMU в среднем меньше, легче, обладают меньшей мощностью и более доступны по цене, чем их аналоги с системой FOG. Однако, поскольку MEMS IMU содержат больше микромеханических компонентов и более чувствительны к колебаниям температуры, они, как правило, менее точны и шумят, 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.
MEMS-модули IMU идеально подходят для использования в условиях малых габаритов, веса, энергопотребления и стоимости. Они применяются в мобильных телефонах, автомобильных навигационных системах, автономных наземных транспортных средствах, беспилотных летательных аппаратах и роботизированных системах.
3. Вот основные различия между FOG IMU и MEMS IMU:
Технология:
FOG IMU использует волоконно-оптический гироскоп, использующий принцип интерференции света в волокне.
MEMS IMU использует MEMS-системы с акселерометрами и гироскопами, основанные на технологии микрообработки.
Рабочие критерии:
FOG IMU измеряет движение, обнаруживая фазовый сдвиг света в волоконной катушке из-за вращения.
MEMS IMU использует отклонение микроструктуры из-за ускорения или вращения для измерения движения.
Точность:
IMU FOG обеспечивает более высокую точность, чем MEMS IMU. Это делает их особенно полезными в тех случаях, когда пользователи используют IMU в течение длительного времени: точные системы могут рассчитать местоположение, близкое к реальному, даже через несколько часов.
Размер и форма:
FOG IMU, как правило, крупнее и тяжелее и обычно используются в крупных системах, таких как аэрокосмическая и оборонная промышленность.
MEMS IMU меньше и компактнее, что делает их пригодными для интеграции в небольшие устройства, такие как бытовая электроника.
Стоимость:
ПРОТИВОТУМАННЫЕ IMU стоят дороже из-за своей более высокой точности, узкоспециализированных внутренних компонентов и сложных производственных процессов.
MEMS IMU, как правило, более экономичны, чем противотуманные IMU, что делает их широко используемыми в потребительских товарах.
Потребление энергии:
FOG IMU потребляют больше энергии, что менее важно в таких приложениях, как наземные транспортные средства и самолеты с легкодоступными источниками питания.
MEMS IMU, как правило, имеют низкое энергопотребление, что делает их подходящими для портативных устройств и устройств с батарейным питанием.
Приложения:
FOG IMU широко используется в аэрокосмической, оборонной промышленности, морской навигации и других высокоточных приложениях, особенно в ситуациях, когда GNSS недоступна или ненадежна, например, в подземных горных работах или военных условиях.
MEMS IMU могут использоваться в смартфонах, игровых устройствах, беспилотных летательных аппаратах и различной бытовой электронике, требующей распознавания движения.
Прочность:
Модуль FOG IMU более надежен и стабилен, что делает его более подходящим для особо суровых условий эксплуатации.
Модуль MEMS IMU может быть подвержен воздействию таких факторов окружающей среды, как экстремальные температуры и высокая вибрация, что может повлиять на его точность.
Калибровка и автоматическое определение направления на север:
FOG IMUs гироскопы обладают лучшей долговременной стабильностью и, как правило, требуют меньшей частоты калибровки для поддержания точного курса или местоположения. Самые точные волоконно-оптические гироскопические системы настолько чувствительны, что могут определить, где находится север, определяя вращение Земли.
Из-за возможного смещения со временем, MEMS IMU могут потребовать более частой калибровки для поддержания точности. Они недостаточно чувствительны для автоматического определения точного курса, если не подключены к приемнику GNSS.
Интеграция:
FOG IMUs обычно используются в более крупных системах, которые могут соответствовать их размерам и весу, а также удовлетворять их более высоким требованиям к энергопотреблению.
Благодаря своим меньшим размерам и более низким требованиям к энергопотреблению MEMS IMU легче интегрировать в компактные устройства.
Резюме
Выбор между IMU на основе MEMS и IMU на основе FOG будет зависеть от конкретных требований заказчика к размеру, весу, мощности и стоимости (SWaP-C), а также от требований к точности и стабильности.
Например, прибор Ericco FOG IMU ER-FIMU-50 имеет небольшие размеры, ER-FIMU-70 отличается высокой точностью, они имеют очень конкурентоспособную цену и пользуются большим спросом на рынке. Если вы хотите получить больше технических данных, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.