VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Принято считать, что история развития технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС) стартовала в 1954 году, когда в германии и кремнии был открыт пьезорезистивный эффект, на основе которого впоследствии были созданы первые 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 годов [1]. Инерциальные датчики на основе МЭМС уже довольно давно пользуются большой популярностью и используются во множестве, как специальных устройств, так и для более широкого применения. Точностные характеристики микромеханических датчиков постоянно улучшаются. Исследование инерциальных датчиков на основе МЭМС уделяется в первую очередь на акселерометры и гироскопы. Из двух, акселерометры были разработаны в первую. Сегодня, МЭМС акселерометры насладиться большим коммерческим рынком и считается одним из самых успешных микро-датчиков [2].

В этой работе будет рассмотрено создание виртуального прибора на основе LabVIEW для исследования трехосного МЭМС акселерометра MPU6050.

Виртуальный прибор представляет собой комбинацию персонального компьютера (ПК), универсальных аппаратных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения (ПО), которое определяет и конфигурацию и функционирование законченной системы [3]. С целью исследования трехосного МЭМС акселерометра был создан виртуальный прибор, который представляет собой комплекс инерциального измерительного модуля с беспроводной передачей и компьютера с установленной программой LabVIEW (рис.1).

Инерциальный измерительный модуль с беспроводной передачей предназначен для преобразования измерительных значений ускорения в цифровой сигнал. В инерциальном измерительном модуле находятся микросхема MPU6050, содержащая МЭМС трёхосный акселерометр и модуль радиопередачи 443 МГц. По беспроводному радиоканалу цифровой сигнал передаёт на компьютер и в программе LabVIEW отражается в графическом виде. На рис. 2 приведен общий вид конструкции инерциального измерительного модуля с беспроводной передачей. Принципиальная схема ВП показана на рис.3. ВП работает таким образом: МЭМС акселерометр измеряет кажущееся ускорение объекта и преобразует иго в цифровой сигнал с помощью АЦП. Цифровой сигнал передается через модуль радиопередачи на компьютер, в котором установлена программа LabVIEW. С помощью вычисленного алгоритма в программе LabVIEW вычисляется и отражается сигнал на экране ВП.

Рис.1. Виртуальный прибор для обработки и передачи информации от МЭМС акселерометра

Рис. 2. Измерительный модуль с радиоканалом связи: 1- модуль радиопередачи, 2- микросхема MPU6050 с МЭМС акселерометром, 3- аккумулятор, 4- модуль радиоприемника

Выходной сигнал от МЭМС акселерометра представляется сочетание значений истинного, смещения нуля, нелинейности масштабного коэффициента, неортогональности его осей относительно одной опорной оси и белого шума. Так как сигнал на выходе МЭМС акселерометра имеет вид (1) [4]:

(1)

_где – вектор показаний датчика, состоящий из проекций на оси измеренного истинного линейного ускорения и угловой скорости;– вектора ускорения по осям; – смещение нуля (систематическая погрешность);– нелинейности масштабного коэффициента;– неортогональности осей акселерометра; – белые шумы; – температура окружающей среды.

Рис. 3. Структурная схема ВП

_{В предположении, что окружающая среда не изменяется и шум фильтрован, модели сигналов с МЭМС акселерометра можно представить в виде:}

или (2)

Видно, что на выходе акселерометра присутствуют погрешности. Для уменьшения этих погрешностей нужно выполнить калибровку. Сущность калибровки состоит в том, чтобы определить все постоянные параметры . В неподвижном условии акселерометр чувствует только силу тяжести. По трем осям (рис. 4) записано матричное уравнение выходных сигналов (3)

Рис. 4. Шесть определенных положений датчика

(3)

где g - значение ускорения свободного падения

Из матричного уравнения (3) получим:

После калибровки проведены измерения акселерометром ускорения свободного падения на Земле при некоторых наклонах:

Рис. 5. Значения проекции свободного ускорения падения на оси акселерометра при угле наклона 30 град от горизонта (x=0,y=gsin30, z=gcos30)

Рис. 6. Значения проекции свободного ускорения падения на оси акселерометра при угле наклона 60 град от горизонта (x=0,y=gsin60,z=g cos60)

Рис. 7. Значения проекции свободного ускорения падения на оси акселерометра при угле наклона 90 град от горизонта (x=0,y=g,z=0)

Результаты измерений откалиброванным акселерометром сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Результат измерений

	30 градусов				60 градусов				90 градусов
	X	Y	Z	X		Y	Z	X		Y	Z
Истинное значение	0	4.905	8.4957	0		8.4957	4.905	0		9.81	0
Измеренное значение	-0.051	4.925	8.4917	-0.0182		8.4827	4.9454	0.0210		9.8138	0.0715
Абсолютная погрешность	±0.051	±0.02	±0.004	±0,0182		±0,013	±0.0404	±0.021		±0.0038	±0.0715
Относительная погрешность	-	0.41%	0.047%	-		0.15%	0.82%	-		0.039%	-

Заключение

Погрешность измерения откалиброванным акселерометром не превосходит 0,9%. Такая невысокая погрешность позволяет применять исследованный микроэлектромеханический акселерометр MPU6050 для решения многих технических задач.

Список литературы

1. Бромберг П.В. Теорема инерциальных систем навигации. - М.: Научка.1979.-196 с.

2. МЭМС-технологии простое и доступное решение сложных системных задач [электронные ресурсы]. Адрес доступа- http: // www.electronics.ru/ files/ article_pdf/ 0/ article_288_258.pdf.

3. Коннова А.А., Зубченко Е.С. Виртуальные информационно-измерительные приборы. –2011.–№7–С. Режим доступа: [http://www.rae.ru/use/?section=content&op=show_article&article_id=7797150].

4. Adem Gokhan Hayal. Static Calibration of the Tactical Grade Inertial Measurement Units.- The Ohio State University,2010.-118.c.

Код для цитирования: Скопировать