Краткие теоретические сведения
Термин инерциальный измерительный блок (ИИБ) (от англ. Inertial Measurement Unit (IMU)) введен для обозначения устройства, измеряющего параметры перемещения основания, на котором он установлен.
Для совокупностей, выстроенных на базе гиростабилизированной платформы, под понятие ИИБ подпадает гиростабилизированная платформа вместе с сопутствующей сервисной электроникой. Для бесплатформенных гироскопических совокупностей под понятие ИИБ подпадает любое устройство, содержащее комплект инерциальных акселерометров (и датчиков гироскопов) и сопутствующую сервисную электронику. Так, к примеру, ИИБ, содержащий обычный комплект из трех акселерометров и трех ДУСов, возможно как гироскопической базой бесплатформенной инерциальной навигационной совокупности, так и составной частью автопилота в качестве блока демпфирующих датчиков и гироскопов перегрузки.
3.1.2. В большинстве случаев ИИБ характеризуются следующим комплектом характеристик и параметров:
— область и назначение применения;
— конструктивная схема ИИБ;
— количество измерительных осей инерциальных датчиков;
— конструктивная схема применяемых акселерометров и гироскопов;
— форма представления выходной информации: в аналоговом виде (постоянное напряжение либо постоянный ток) либо в цифровом коде в одном из стандартных интерфейсов;
— тип и главные характеристики процессора (процессора);
— частота опроса инерциальных датчиков;
— протокол обмена;
— режимы работы;
— напряжение (либо напряжения) питания и потребляемый ток (токи) в указанных режимах работы;
— время готовности;
— предельные значения размеров, измеряемых инерциальными датчиками;
— вид выходной чёрта инерциальных датчиков;
— масштабные коэффициенты и/либо цены единиц младшего разряда каждой измеряемой величины;
— смещения нуля – значения довода выходной чёрта каждого датчика, при котором ее график пересекает ось абсцисс;
— погрешность каждого датчика в данном запуске и стабильность (воспроизводимость) погрешности от запуска к запуску;
— нелинейности выходной чёрта инерциальных датчиков в рабочем диапазоне;
— тренды инерциальных датчиков;
— случайные погрешности инерциальных датчиков;
— частотные диапазоны измеряемых размеров (полосы пропускания инерциальных датчиков);
— погрешности выставки осей чувствительности инерциальных датчиков к посадочным поверхностям на корпусе ИИБ;
— влияние внешних действий (времени, температуры, напряжения питания, линейных ускорений, ударов, вибрации, постоянного и переменного внешнего магнитного поля и т.д.) на вышеуказанные характеристики;
— показатели надежности;
— масса;
— габариты;
— цена.
3.1.3.Модель погрешностей ИИБ [8].Измерения ИИБ являются комбинацией измерений триады акселерометров (1.12) и триады ДУС (2.9), изначально воображающих собой сигналы напряжения постоянного тока. Потом выходные сигналы инерциальных датчиков поступают на входы шести N-разрядных аналого-цифровых преобразователей (АЦП). На выходе каждого из шести N-разрядных АЦП выходная информация инерциальных датчиков представляется в виде одного из целых чисел в диапазоне от 0 до в дискретные моменты времени
где — начальный момент времени, с;
— текущий номер отсчета, б/р;
-период опроса (период квантования либо период дискретизации), с;
— момент выработки -го отсчета, с.
Величина, обратная периоду опроса, 
именуется частотой опроса (частотой квантования либо частотой дискретизации) [13].
В нашем случае аналого-цифровое преобразование выходных сигналов акселерометров и ДУС осуществляется по принципу взятия целой части числа [13], взятого в следствии деления выходного напряжения каждого датчика на цену единицы младшего разряда соответствующего АЦП.
Выходной информацией ИИБ являются целочисленные коды в диапазоне от 0 до , а не напряжения постоянного тока, как у рассмотренных в главах 1 и 2 акселерометра и ДУС. Выходные чёрта каждого канала ИИБ смещены на размеры для каналов ускорений и на размеры для каналов ДУС. Измерения ИИБ с цифровым выходом возможно представить в виде
(3.1)
(3.2)
где — функция взятия целой части числа, заключенного в прямые скобки;
— выходные коды каналов акселерометра ИИБ, б/р;
— цена единицы младшего разряда соответствующего канала АЦП акселерометра ИИБ, мВ/ед.мл.разр;
— выходные коды каналов ДУС ИИБ, б/р;
— цена единицы младшего разряда соответствующего канала АЦП ДУС ИИБ, мВ/ед.мл.разр;
— смещения выходной чёрта каналов акселерометров, б/р;
— смещения выходной чёрта каналов ДУС, б/р.
Все остальные обозначения совпадают с вышеуказанными обозначениями в главах 1 и 2.
Величины 
и 
именуются соответственно номинальными стоимостями единицы младшего разряда каналов акселерометров и ДУС ИИБ и характеризуют такое изменение входной величины (линейного ускорения для угловой скорости и акселерометров для ДУС), которое ведет к трансформации выходного кода канала на единицу младшего разряда. Цена единицы младшего разряда любого канала ИИБ – это разрешающая свойство канала. Разрешающая свойство – это минимальное приращение входного действия, при котором на выходе появляется различимое приращение выходного кода.Меньшие значения измеряемой величины канал просто не способен почувствовать.
Указанное выше аналого-цифровое преобразование приводит к дополнительной погрешности квантования со средним значением, равным нулю, и стандартным отклонением (среднеквадратической неточностью), равной 
единицы младшего разряда [14].
3.1.4. Калибровка ИИБили определение параметров ИИБ в силу приведенной модели погрешностей (3.1), (3.2) осуществляется по методикам, изложенным в главе 1 для триады акселерометров и в главе 2 для триады ДУС.
Заявленная изготовителем цена единицы младшего разряда каждого ДУС из ИИБ образовывает 0,977º/сек либо 3517º/ч. Так, ДУС ИИБ не ощущают угловую скорость вращения Почвы. Это мысль разрешает в будущем, как и ранее в главе 2 при калибровке ДУС, среди тестовых действий не учитывать скорость вращения Почвы.
Полученные выше в главе 1 формулы для вычисления параметров триады акселерометров (1.32)…(1.35), (1.37), (1.39)…(1.42), (1.44), (1.45), (1.47)…(1.51) и в главе 2 формулы для вычисления параметров триады ДУС (2.46)…(2.72) пригодны и для ИИБ. Отличие пребывает в том, что в правых частях указанных формул вместо осредненных значений выходных напряжений акселерометра и ДУС должны фигурировать осредненные значения выходных кодов каналов ИИБ.
Сводка формул для определения калибровочных констант триады акселерометров ИИБ в силу модели погрешностей (3.1):
— выражения для вычисления поправок к масштабным коэффициентам
(3.3)
(3.4)
(3.5)
— выражения для вычисления погрешностей выставки оси чувствительности акселерометра X
(3.6)
(3.7)
— выражения для вычисления погрешностей выставки оси чувствительности акселерометра Y
(3.8)
(3.9)
— выражения для вычисления погрешностей выставки оси чувствительности акселерометра Z
(3.10)
(3.11)
— выражения для вычисления смещения нуля акселерометра X
(3.12)
(3.13)
(3.14)
— выражения для вычисления смещения нуля акселерометра Y
(3.15)
(3.16)
(3.17)
— выражения для вычисления смещения нуля акселерометра Z
(3.18)
(3.19)
(3.20)
где , , , , , — средние значения показаний акселерометра X ИИБ в соответствующей ориентации;
, , , , , — средние значения показаний акселерометра Y ИИБ в соответствующей ориентации;
, , , , , — средние значения показаний акселерометра Z ИИБ в соответствующей ориентации.
При применении ориентационного приспособления с пятью, а не шестью, рабочими гранями в отсутствие точных данных и формулы для определения погрешности выставки оси чувствительности акселерометра X (1.50) и для определения погрешности выставки оси чувствительности акселерометра Y (1.51) примут вид
(3.21)
(3.22)
где — смещения нуля акселерометров соответственно X и Y, вычисленные по формулам (3.12), (3.13) и (3.15), (3.16).
Сводка формул для определения калибровочных констант ДУС ИИБ в силу модели погрешностей (3.2) возможно взята из выражений (2.46)…(2.72):
— выражения для вычисления поправок к масштабным коэффициентам
, (3.23)
, (3.24)
, (3.25)
— выражения для вычисления погрешностей выставки оси чувствительности ДУС X
, (3.26)
, (3.27)
— выражения для вычисления погрешностей выставки оси чувствительности ДУС Y
, (3.28)
, (3.29)
— выражения для вычисления погрешностей выставки оси чувствительности ДУС Z
, (3.30)
, (3.31)
— выражения для вычислениякоэффициентов влияния кажущихся ускорений по осям X,Y,Z ДУСа X
(3.32)
(3.33)
(3.34)
— выражения для вычисления коэффициентов влияния кажущихся ускорений по осям X,Y,Z ДУС Y
(3.35)
(3.36)
(3.37)
— выражения для вычисления коэффициентов влияния кажущихся ускорений по осям X,Y,Z ДУС Z
(3.38)
(3.39)
(3.40)
— выражения для вычисления смещения нуля ДУС X
(3.41)
(3.42)
(3.43)
— выражения для вычисления смещения нуля ДУС Y
(3.44)
(3.45)
(3.46)
— выражения для вычисления смещения нуля ДУС Z
(3.47)
(3.48)
(3.49)
где — средние арифметические значения кодов каналов ДУС ИИБ в каждой ориентации с номером при отсутствии тестовой угловой скорости;
— средние арифметические значения кодов каналов ДУС ИИБ в каждой нечетной ориентации с номером при вращении в хорошем направлении против часовой стрелки ;
— средние арифметические значения кодов каналов ДУС ИИБ в каждой нечетной ориентации с номером при вращении в отрицательном направлении по часовой стрелке ( ).
Объект изучения
Объектом изучения есть инерциальный измерительный блок (ИИБ) Atomic IMU 6 DOF (6 Degrees of Freedom Atomic Inertial Measurement Unit SEN-09812 компании Sparkfun Electronics, Inc) [16]. Внешний вид ИИБ в состоянии поставки представлен на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Внешний вид ИИБ Atomic IMU 6 DOF в состоянии поставки
ИИБ Atomic IMU 6 DOF снабжает измерение по трем взаимно ортогональным осям трех составляющих кажущегося ускорения и трех составляющих угловой скорости, преобразование этих данных в 10-разрядный передачу и двоичный код кодов или по проводному UART интерфейсу, или без проводов по радиоканалу с дополнительным XBee приемо-передатчиком. В данном лабораторном практикуме задействована беспроводная конфигурация с применением радиоканала для передачи данных.
ИИБ Atomic IMU 6 DOF применяет следующие датчики:
— один микромеханический трехкомпонентный акселерометр MMA7361L с переключаемым диапазоном ±1,5g либо ±6g [11];
— три микромеханических одноосных датчика угловой скорости LISY300AL с диапазоном ±300?/c [17].
Микромеханический трехосный акселерометр MMA7361L подробно обрисован в главе 1. Сводка механических черт микромеханического одноосного ДУС LISY300AL дана в таблице 3.1.
Таблица 3.1. Механические характеристики при напряжении питания 3,3В, температуре воздуха 25ºC за исключением указанного в примечаниях (прим. 1)
Примечания:
1. Продукция на производстве калибруется при 3,3В. При вероятном трансформации напряжения питания параметры указаны в данной таблице.
2. Обычные значения не гарантируются.
3. Продукция способна ощущать угловую скорость от постоянной величины до назначенной полосы пропускания.
4. Гарантируется конструкцией.
5. Выбранный пользователем внешний конденсатор .
6. «Изменение напряжения на выходе при самотестировании» определяется как разность Vout(при Vst=лог.1)-известный(при Vst=лог.0).
гироскопы и Акселерометр применены в соответствии с рекомендациями изготовителей, предусматривающих наличие развязок по питанию и фильтров на выходах датчиков. И акселерометр, и гироскопы имеют внутреннюю температурную компенсацию.
Главные параметры ИИБ:
— напряжение питания – постоянное напряжение в диапазоне от 3,4В до 10В;
— потребляемый ток – 24мА при наличии проводного интерфейса (75мА при наличии XBee приемо-передатчика);
— гироскоп LYSI300AL – назначенная аппаратно полоса пропускания образовывает 88Гц, стоимость по номиналу единицы младшего разряда 0,977(?/с)/ед.мл.разр.;
— акселерометр MMA7361L – назначенная аппаратно полоса пропускания образовывает по осям X и Y 350Гц, по оси Z 150Гц; стоимость по номиналу единицы младшего разряда 0,00403g/ед.мл.направляться. при диапазоне ±1,5g и 0,0161g/ед.мл.разр. при диапазоне ±6g.
Размещение осей чувствительности ИИБ дано в виде пиктограммы на верхней поверхности печатной платы:
— ось X параллельна маленькой стороне печатной платы;
— ось Y параллельна долгой стороне печатной платы;
— ось Z перпендикулярна плоскости печатной платы.
Упрощенная блок-схема ИИБ представлена на рис 3.2 [8]. Питание ИИБ осуществляется от внешнего литий полимерного (Li-Po) аккумулятора номинальной емкостью 500мА·ч с номинальным напряжением от 4,2В до 3,7В. Аккумулятор подключается к линейному стабилизатору напряжения 3,3В посредством выключателя и разъёма ПИТАНИЕ (POWER). О наличии питания сигнализирует светодиод ПИТАНИЕ красного цвета. Стабилизированное напряжение с выхода линейного стабилизатора поступает на процессор, три микросхемы ДУС, одну микросхему трехкомпонентного другие устройства и акселерометра инерциального измерительного блока. Аналоговые сигналы инерциальных датчиков в виде хорошего напряжения постоянного тока поступают на входы шести 10-разрядных АЦП процессора. В качестве опорного напряжения АЦП процессора употребляется то же напряжение 3,3В с выхода линейного стабилизатора. Работа процессора тактируется кварцевым резонатором с частотой 10МГц.
Рис. 3.2. Упрощенная блок-схема ИИБ Atomic IMU 6 DOF
Цифровая информация инерциальных датчиков в виде UART интерфейса поступает на приемо-передающий модуль (XBee 1mW Chip Antenna series 1 WRL-08664) (рис. 3.3). Приемо-передающий модуль устанавливается конкретно на ИИБ в двухрядный штыревой разъем (рис. 3.4).
Подобный приемо-передающий модуль устанавливается в двухрядный штыревой разъем в устройство XBee Explorer USB (рис. 3.5), которое осуществляет прием, преобразование поступающей информации и ввод данных в ПК по стандартному кабелю через USB-порт (рис. 3.6).
Рис. 3.3. Приемо-передающий модуль XBee 1mW Chip Antenna series 1 WRL-08664: слева – вид сверху, справа – вид снизу.
Рис. 3.4. ИИБ с установленным приемо-передающим модулем
Рис. 3.5. Устройство связи с ПК XBee Explorer USB в состоянии поставки
Рис. 3.6. Устройство связи с ПК XBee Explorer USB вместе с приемо-передающим кабелем и модулем USB
Радиоканал связи ИИБ с компьютером снабжает устойчивую связь на частоте 2,4ГГц в одной комнате либо вне помещения на удалении до 100м и есть двунаправленным:
— от ПК в ИИБ поступают команды управления и эти начальной установки;
— от ИИБ в ПК поступает информация от инерциальных датчиков.
Мощность приемо-передатчиков 1мВт надёжна для трудящихся с ними людей.
В ИИБ применен процессор Atmel ATMega168TM, имеющий следующие ресурсы:
— флеш-память 16Кб;
— СППЗУ 0,5Кб;
— ОЗУ 1024бит;
— большое значение тактовой частоты 20МГц;
— ввод/вывод (I/O) сигналов логического уровня – 23 канала;
— количество 10-битных АЦП – 8 каналов;
— выход ШИМ – 3 канала;
— таймер 16 бит – 1 канал;
— таймер 8 бит – 2 канала;
— интерфейсы RTC, SPI, UART, TWI, ISP.
Аппаратная начальная инициализация процессора возможно осуществлена кнопкой УСТАНОВКА. О работе процессора в различных режимах сигнализирует светодиод СОСТОЯНИЕ.
Перед проведением работ с ИИБ на персональном компьютере должна быть установлена терминальная программа.Терминальная программа взаимодействует с программным обеспечением ИИБ, которое поставляется в загруженном виде в процессор вместе с ИИБ.
Терминальная программа разрешает осуществить настройку параметров обмена по радиоканалу. Стандартные параметры настройки: скорость обмена 115200бод, формат — 8 бит, проверка на четность – N, стоповых битов – 1, управление потоком – N.
По окончании установки параметров обмена при нажатии на клавиатуре клавиши на дисплей ПК выводится экранное меню 6 DOF Atomic IMU: