O objetivo deste artigo é fornecer uma justificativa para a necessidade de monitorar a vibração em uma IMU e os benefícios de desenvolver um Recurso Integrado de Monitoramento de Vibração.
Por que monitorar a vibração em uma IMU?
Aqueles com experiência no uso de uma IMU (Unidade de Medição Inercial Eletromecânica Micro) em um ambiente severo estão cientes da necessidade de considerar cuidadosamente vibrações e acústica. Os sensores MEMS são baseados em elementos mecânicos vibratórios internos. Isso tem duas consequências principais:
- Degradação de desempenho sob vibração: A exposição à vibração pode degradar a precisão da IMU por meio do chamado Erro de Retificação de Vibração (VRE) ou Coeficiente de Retificação de Vibração (VRC). Para aplicações de alta precisão, como levantamento topográfico ou navegação por estimativa (dead reckoning), esses erros podem ter um impacto significativo.
- Efeitos de ressonância: Como o próprio sensor vibra, se as frequências de vibração do veículo coincidirem com as frequências internas de ressonância do sensor, as leituras da IMU poderão sofrer interferências.
Esses efeitos costumam ser considerações fundamentais durante os estágios iniciais de projeto. As equipes geralmente dedicam um esforço considerável a simulações complexas. Contudo, essas simulações preveem apenas parcialmente o comportamento no mundo real.
É necessário realizar campanhas de testes dispendiosas utilizando equipamentos de monitoramento. Esses testes servem para validar as simulações. Observamos que mesmo simulações minuciosas não conseguem reproduzir totalmente as condições reais. Alguns clientes integraram nossas IMUs em ambientes mais severos do que o projetado, suportando vibrações de até 30 g RMS e acústica de 150 dB.
Adicionar um dispositivo de monitoramento externo é uma boa prática de desenvolvimento. No entanto, não é perfeita. Ele nunca refletirá totalmente a experiência real da IMU:
- a localização da medição está deslocada
- Qualquer alteração na massa ou na configuração imposta pelo dispositivo de monitoramento externo alterará o resultado.
Apresentamos nosso recurso integrado de monitoramento de vibração
Para solucionar isso,integramos um recurso inovador de monitoramento de vibração diretamente em nossas IMUs e GNSS/INS. Nossos sistemas agora fornecem análise de vibração em tempo real, incluindo um relatório de espectro completo e um relatório sintético.
Relatório completo
Uma FFT (Transformada Rápida de Fourier) completa mostra a amplitude da vibração em todas as frequências. A imagem a seguir corresponde a essa visão do espectro completo. Ela mostra a intensidade das vibrações medidas para cada frequência ao longo do tempo.
Relatório simplificado de vibração
Um resumo de fácil compreensão que divide o espectro em quatro faixas de frequência. Para cada faixa, o relatório apresenta a intensidade geral da vibração (em g RMS), a frequência dominante (pico) e sua magnitude. A imagem a seguir mostra uma captura de tela do relatório de vibração sintética, conforme exibido em nossa ferramenta sbgCenter.
Características técnicas
O módulo integrado de monitoramento de vibração opera totalmente embutido na IMU/INS, garantindo desempenho em tempo real sem a necessidade de hardware adicional. Suas principais especificações são:
- Largura de banda: até 8 kHz (dependendo do modelo da IMU).
- Faixa dinâmica: até 40 g RMS (dependendo do modelo da IMU).
- Sincronização de tempo: os relatórios de vibração recebem carimbo de data/hora (timestamp) usando o clock da IMU para facilitar a análise.
- Totalmente integrado: todos os cálculos de FFT são realizados no próprio dispositivo.
- Frequência de atualização e resolução: os relatórios de vibração são gerados a cada 0,25 s, com uma resolução de 4 Hz.
- Configuração da janela: os usuários podem escolher entre vários modos de janela FFT — Flat Top, Hanning ou Retangular —, com diversas combinações entre amplitude, precisão e vazamento de frequência.
Isso permite realizar análises detalhadas de vibração no local da IMU. Os usuários podem correlacionar o ruído inercial e o desempenho da IMU com a excitação mecânica real. Por exemplo, os dados de FFT em tempo real oferecem uma métrica adicional que complementa o Teste Contínuo Integrado (CBIT) da IMU, revelando ressonâncias de montagem ou excitações harmônicas que coincidem com alterações no ruído do acelerômetro ou no viés do giroscópio.
Casos de uso do nosso recurso integrado de monitoramento de vibração
O recurso integrado de monitoramento de vibração pode ser utilizado de várias maneiras — e esperamos que nossos clientes descubram ainda mais formas de uso. Aqui estão alguns exemplos:
- Análise de vibração na fase de projeto: Durante o projeto do veículo, o recurso ajuda a otimizar a montagem da IMU. Medir as vibrações diretamente na IMU permite que os engenheiros escolham o melhor local, ajustem os amortecedores e projetem proteção acústica — sem adicionar sensores externos pesados ou caros.
- Qualificação da IMU em vibradores (shakers): O monitoramento de vibração pode ser usado durante a qualificação de uma IMU ou INS ao submetê-las a vibrações (aleatórias ou varredura), permitindo confirmar se a vibração medida corresponde à vibração injetada (função de transferência); também pode servir como ferramenta para determinar se uma ressonância está vinculada ao vibrador, à montagem ou à IMU.
- Sistemas aeroespaciais e VANTs (UAVs): o monitoramento de vibração pode ser usado para detectar modos de ressonância em aeronaves de asas rotativas ou motores de turbina, bem como para validar o isolamento da carga útil quando a IMU está montada em um gimbal ou plataforma estabilizada.
- Veículos terrestres: Nossos sensores de vibração de frequência fixa ( INS , FFT) são frequentemente utilizados em veículos terrestres para georreferenciamento (mapeamento móvel). O FFT pode ser empregado de maneiras inovadoras nesse contexto: os dados de vibração podem ser utilizados para analisar as condições das estradas ou classificar os tipos de terreno.
- Teste Integrado Relacionado à Missão (BIT): Em ambientes operacionais adversos, a vibração excessiva costuma indicar falhas, como falha do motor, problemas no controle de ganho ou instabilidade aerodinâmica. O monitor integrado é capaz de detectar essas anomalias em tempo real, sem a necessidade de sensores adicionais.
- Análise Modal e de Integridade Estrutural: os dados de vibração FFT podem ser utilizados para refinar a análise modal, detectando variações nas frequências de ressonância que indicam fadiga estrutural potencial, afrouxamento ou degradação do material ao longo do tempo. Isso transforma a IMU em um sensor de dupla finalidade: tanto um rastreador de movimento quanto um instrumento de monitoramento estrutural de longo prazo.
Como acessar o recurso de monitoramento de vibração
Se o seu dispositivo for compatível, basta atualizá-lo para a versão mais recente do firmware. Em seguida, ative as mensagens de monitoramento de vibração na configuração de saída. Para processar os dados:
1 – sbgCenter – visualize relatórios de vibração com facilidade.
2 – sbgBasicLogger – exporte dados no formato ASCII.
3 – biblioteca sbgECom – analise dados binários de forma rápida e eficiente.
Fique atento à publicação de documentação adicional e exemplos de código para ajudá-lo a aproveitar ao máximo esse recurso.
Compatibilidade do produto
Esta seção detalha os produtos específicos que atualmente oferecem suporte ao recurso integrado de monitoramento de vibração. A compatibilidade depende tanto da revisão do hardware quanto da versão do firmware instalada. Descrevemos abaixo os requisitos atuais para garantir que você possa utilizar essa funcionalidade.
O recurso de monitoramento de vibração está disponível atualmente nos seguintes produtos:
- revisões de hardware mais recentes para Ekinox Micro, Quanta Micro, Quanta Plus e Quanta Extra (INS) — executando a versão de firmware 5.5 ou superior
- Pulse-80 e Pulse-40 (IMUs) — executando a versão de firmware 2.0 ou superior
Entre em contato com nossa equipe de suporte caso seu produto esteja executando uma versão anterior do firmware. Eles oferecem orientações sobre compatibilidade e opções de atualização. Esse recurso será integrado a outros produtos em breve.
