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 de Monitoramento de Vibração Integrado.
Por que monitorar a vibração em uma IMU?
Aqueles com experiência no uso de uma IMU (Unidade de Medição Inercial Microeletromecânica) em um ambiente hostil estão cientes da necessidade de uma consideração cuidadosa de vibrações e acústica. Os sensores MEMS são baseados em elementos mecânicos vibratórios internamente. Isso tem duas consequências principais:
- Degradação do desempenho sob vibração: A exposição à vibração pode degradar a precisão da IMU através do que é conhecido como Erro de Retificação de Vibração (VRE) ou Coeficiente de Retificação de Vibração (VRC). Para aplicações de alta precisão, como levantamento ou navegação cega, esses erros podem ter um grande impacto.
- Efeitos de ressonância: Como o próprio sensor vibra, se as frequências de vibração do veículo corresponderem às frequências de ressonância internas do sensor, as leituras da IMU podem ser perturbadas.
Esses efeitos são frequentemente considerações importantes durante o projeto inicial. As equipes normalmente gastam um esforço significativo em simulações complexas. Essas simulações apenas preveem parcialmente o comportamento do mundo real.
Você deve executar campanhas de teste caras usando equipamentos de monitoramento. Esses testes validam as simulações. Vimos que mesmo simulações completas não conseguem replicar totalmente as condições do mundo real. Alguns clientes integraram nossos IMUs em ambientes mais hostis do que o projetado. Eles suportam até 30 g RMS de vibrações e 150 dB de acústica.
Adicionar um dispositivo de monitoramento externo é uma boa prática de desenvolvimento. No entanto, não é perfeito. Nunca refletirá totalmente a experiência real do IMU:
- localização da medição está deslocada
- a mudança de massa/configuração forçada pelo dispositivo de monitoramento externo alterará o resultado.
Apresentamos nosso recurso integrado de monitoramento de vibração
Para resolver isso, integramos um recurso inovador de monitoramento de vibração. Ele está diretamente em nossas IMUs e GNSS/INS. Nossos sistemas agora fornecem análise de vibração em tempo real. Isso inclui um relatório de espectro completo e um relatório sintético.
Relatório de espectro completo
Uma FFT (Transformada Rápida de Fourier) completa mostra a amplitude da vibração em todas as frequências. A imagem a seguir corresponde a esta visão de espectro completo. Ela mostra a intensidade das vibrações medidas para cada frequência ao longo do tempo.
Relatório de vibração simplificado
Um resumo amigável que divide o espectro em quatro bandas de frequência. Para cada banda, o relatório fornece a intensidade geral da vibração (em g RMS), a frequência dominante (de pico) e sua magnitude. A imagem a seguir retrata uma captura de tela do relatório de vibração sintética, conforme exibido em nossa ferramenta sbgCenter.
Características técnicas
O módulo de monitoramento de vibração integrado opera totalmente incorporado dentro da IMU/INS, garantindo desempenho em tempo real sem 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 são carimbados com a hora usando o relógio da IMU para facilitar a análise.
- Totalmente integrado: todos os cálculos de FFT são realizados a bordo.
- Taxa 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 selecionar entre vários modos de janela FFT — Flat Top, Hanning ou Retangular com uma variedade de compensações entre amplitude, precisão e vazamento de frequência.
Isso permite que você realize uma análise detalhada 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 FFT em tempo real oferecem uma métrica adicional. Isso complementa o Teste Contínuo Integrado (CBIT) da IMU. Ele revela ressonâncias de montagem ou excitações harmônicas. Estes coincidem com mudanças no ruído do acelerômetro ou no bias do giroscópio.
Casos de uso do nosso recurso interno de monitoramento de vibração
O recurso de monitoramento de vibração integrado pode ser usado de várias maneiras—e esperamos que nossos clientes encontrem ainda mais. 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 a proteção acústica - sem adicionar sensores externos pesados ou caros.
- Qualificação da IMU em agitadores: O monitoramento de vibração pode ser usado durante a qualificação de uma IMU ou INS ao submetê-los a vibrações (aleatórias ou de varredura), permitindo confirmar se a vibração medida corresponde à vibração injetada (função de transferência); e pode ser usado como uma ferramenta para discriminar se uma ressonância está ligada ao shaker, à configuração ou à IMU.
- Sistemas UAV e Aeroespaciais: o monitoramento de vibração pode ser usado para detectar modos de ressonância para rotores ou motores de turbina e validar o isolamento da carga útil quando a IMU é montada em um gimbal ou plataforma estabilizada.
- Veículos Terrestres: Nossos INS são frequentemente usados em veículos terrestres para georreferenciação (Mobile Mapping). O FFT pode ser usado de forma inovadora neste contexto: os dados de vibração podem ser usados para analisar as condições da estrada ou classificar os tipos de terreno.
- Teste Embutido Relacionado à Missão (BIT): Em ambientes operacionais hostis, a vibração excessiva geralmente indica falhas, como falha do motor, problemas de controle de ganho ou instabilidade aerodinâmica. O monitor embutido pode detectar essas anomalias em tempo real, sem a necessidade de sensores adicionais.
- Análise Modal e de Saúde Estrutural: os dados de vibração FFT podem ser usados para refinar a análise modal—detectando mudanças nas frequências de ressonância que indicam potencial fadiga estrutural, afrouxamento ou degradação do material ao longo do tempo. Isso transforma a IMU em um sensor de dupla finalidade: rastreador de movimento e instrumento de monitoramento estrutural de longo prazo.
Acessando o recurso de monitoramento de vibração
Se o seu dispositivo for compatível, simplesmente atualize para o firmware mais recente. Em seguida, ative as mensagens de monitoramento de vibração na configuração de saída. Para processar os dados:
1 – sbgCenter – visualize relatórios de vibração facilmente.
2 – sbgBasicLogger – exporte dados em formato ASCII.
3 – sbgECom library – analise dados binários de forma rápida e eficiente.
Fique ligado para documentação adicional e código de amostra para ajudá-lo a aproveitar ao máximo este recurso.
Compatibilidade do produto
Esta seção detalha os produtos específicos que atualmente oferecem suporte ao recurso de Monitoramento de Vibração Integrado. A compatibilidade depende tanto da revisão do hardware quanto da versão do firmware instalada. Descrevemos os requisitos atuais abaixo para garantir que você possa utilizar esta funcionalidade.
O recurso de monitoramento de vibração está atualmente disponível em:
- 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 se o seu produto estiver executando uma versão de firmware anterior. Eles oferecem orientação sobre compatibilidade e opções de atualização. Este recurso será integrado a produtos adicionais em um futuro próximo.
