Le but de cet article est de fournir une justification de la nécessité de surveiller les vibrations dans une IMU et les avantages du développement d'une fonctionnalité de surveillance des vibrations intégrée.
Pourquoi surveiller les vibrations dans une IMU ?
Ceux qui ont l'expérience de l'utilisation d'une IMU (Micro-Electro-Mechanical Inertial Measurement Unit) dans un environnement difficile sont conscients de la nécessité d'un examen attentif des vibrations et de l'acoustique. Les capteurs MEMS sont basés sur des éléments mécaniques vibrant en interne. Ceci a deux conséquences principales :
- Dégradation des performances en cas de vibrations : L'exposition aux vibrations peut dégrader la précision de l'IMU par le biais de ce que l'on appelle l'erreur de rectification des vibrations (VRE) ou le coefficient de rectification des vibrations (VRC). Pour les applications de haute précision telles que les levés ou la navigation à l'estime, ces erreurs peuvent avoir un impact majeur.
- Effets de résonance : Étant donné que le capteur lui-même vibre, si les fréquences de vibration du véhicule correspondent aux fréquences de résonance internes du capteur, les relevés de l'IMU peuvent être perturbés.
Ces effets sont souvent des considérations clés lors de la conception initiale. Les équipes consacrent généralement des efforts importants à des simulations complexes. Ces simulations ne prédisent que partiellement le comportement réel.
Vous devez exécuter des campagnes de tests coûteuses en utilisant du matériel de surveillance. Ces tests valident les simulations. Nous avons constaté que même des simulations approfondies ne peuvent pas reproduire entièrement les conditions réelles. Certains clients ont intégré nos IMU dans des environnements plus difficiles que prévu. Ils endurent jusqu'à 30 g RMS de vibrations et 150 dB d'acoustique.
L'ajout d'un dispositif de surveillance externe est une bonne pratique de développement. Cependant, ce n'est pas parfait. Il ne reflétera jamais entièrement l'expérience réelle de l'IMU :
- l'emplacement de la mesure est décalé
- Le changement de masse/configuration forcé par le dispositif de surveillance externe modifiera le résultat.
Présentation de notre fonctionnalité intégrée de surveillance des vibrations
Pour résoudre ce problème, nous avons intégré une fonctionnalité innovante de surveillance des vibrations. Elle est directement intégrée à nos IMU et GNSS/INS. Nos systèmes fournissent désormais une analyse des vibrations en temps réel. Ceci comprend un rapport de spectre complet et un rapport synthétique.
Rapport de spectre complet
Une FFT (Fast Fourier Transform) complète montre l'amplitude des vibrations sur toutes les fréquences. L'image suivante correspond à cette vue spectrale complète. Elle montre l'intensité des vibrations mesurées pour chaque fréquence au fil du temps.
Rapport de vibration simplifié
Un résumé convivial divisant le spectre en quatre bandes de fréquences. Pour chaque bande, le rapport fournit l'intensité globale des vibrations (en g RMS), la fréquence dominante (de crête) et son amplitude. L'image suivante représente une capture d'écran du rapport de vibration synthétique tel qu'il est affiché dans notre outil sbgCenter.
Caractéristiques techniques
Le module intégré de surveillance des vibrations fonctionne de manière entièrement intégrée à l'IMU/INS, assurant des performances en temps réel sans matériel supplémentaire. Ses principales spécifications sont les suivantes :
- Bande passante : jusqu'à 8 kHz (selon le modèle d'IMU).
- Plage dynamique : jusqu'à 40 g RMS (selon le modèle d'IMU).
- Synchronisation temporelle : les rapports de vibration sont horodatés à l'aide de l'horloge de l'IMU pour faciliter l'analyse.
- Entièrement intégrée : tous les calculs FFT sont effectués à bord.
- Taux de mise à jour et résolution : les rapports de vibration sont générés tous les 0,25 s, avec une résolution de 4 Hz.
- Configuration de la fenêtre : les utilisateurs peuvent choisir parmi plusieurs modes de fenêtre FFT — Flat Top, Hanning ou Rectangulaire avec une variété de compromis entre l'amplitude, la précision et la fuite de fréquence.
Cela vous permet d'effectuer une analyse vibratoire détaillée à l'emplacement de l'IMU. Les utilisateurs peuvent corréler le bruit inertiel et les performances de l'IMU avec l'excitation mécanique réelle. Par exemple, les données FFT en temps réel offrent une métrique supplémentaire. Cela complète le test intégré continu (CBIT) de l'IMU. Il révèle les résonances de montage ou les excitations harmoniques. Celles-ci coïncident avec les changements dans le bruit de l'accéléromètre ou le biais du gyroscope.
Cas d'utilisation de notre fonctionnalité intégrée de surveillance des vibrations
La fonctionnalité intégrée de surveillance des vibrations peut être utilisée de nombreuses façons, et nous nous attendons à ce que nos clients en trouvent encore plus. Voici quelques exemples :
- Analyse des vibrations en phase de conception : Lors de la conception du véhicule, cette fonctionnalité permet d'optimiser le montage de l'IMU. La mesure des vibrations directement au niveau de l'IMU permet aux ingénieurs de choisir le meilleur emplacement, de régler les amortisseurs et de concevoir une protection acoustique, sans ajouter de capteurs externes lourds ou coûteux.
- Qualification IMU sur vibrateurs : La surveillance des vibrations peut être utilisée lors de la qualification d'une IMU ou d'un INS lorsqu'ils sont soumis à des vibrations (aléatoires ou de balayage), ce qui permet de confirmer que les vibrations mesurées correspondent aux vibrations injectées (fonction de transfert) ; et peut être utilisé comme un outil pour déterminer si une résonance est liée au vibrateur, à la configuration ou à l'IMU.
- Systèmes UAV et aérospatiaux : la surveillance des vibrations peut être utilisée pour détecter les modes de résonance des hélicoptères ou des moteurs à turbine et pour valider l'isolation de la charge utile lorsque l'IMU est montée sur un cardan ou une plate-forme stabilisée.
- Véhicules terrestres : Nos INS sont souvent utilisés sur les véhicules terrestres pour le géoréférencement (Mobile Mapping). La FFT peut être utilisée de manière innovante dans ce contexte : les données de vibration pourraient être utilisées pour analyser l'état des routes ou classer les types de terrain.
- Test intégré lié à la mission (BIT) : Dans les environnements opérationnels difficiles, des vibrations excessives indiquent souvent des défauts tels qu'une panne de moteur, des problèmes de contrôle de gain ou une instabilité aérodynamique. Le moniteur intégré peut détecter ces anomalies en temps réel, sans avoir besoin de capteurs supplémentaires.
- Santé structurelle et analyse modale : les données de vibration FFT peuvent être utilisées pour affiner l'analyse modale, en détectant les changements dans les fréquences de résonance qui indiquent une fatigue structurelle potentielle, un relâchement ou une dégradation du matériau au fil du temps. Cela transforme l'IMU en un capteur à double usage : à la fois un tracker de mouvement et un instrument de surveillance structurelle à long terme.
Accès à la fonctionnalité de surveillance des vibrations
Si votre appareil est compatible, effectuez simplement la mise à jour vers la dernière version du firmware. Ensuite, activez les messages de surveillance des vibrations dans la configuration de sortie. Pour traiter les données :
1 – sbgCenter – visualisez facilement les rapports de vibrations.
2 – sbgBasicLogger – exportez les données au format ASCII.
3 – sbgECom library – analysez les données binaires rapidement et efficacement.
Restez à l'écoute pour obtenir de la documentation supplémentaire et des exemples de code afin de vous aider à tirer le meilleur parti de cette fonctionnalité.
Compatibilité des produits
Cette section détaille les produits spécifiques qui prennent actuellement en charge la fonction de surveillance des vibrations intégrée. La compatibilité dépend à la fois de la révision du matériel et de la version du firmware installée. Nous avons décrit les exigences actuelles ci-dessous pour vous assurer que vous pouvez utiliser cette fonctionnalité.
La fonction de surveillance des vibrations est actuellement disponible sur :
- dernières révisions matérielles pour les Ekinox Micro, Quanta Micro, Quanta Plus et Quanta Extra (INS) — exécutant la version 5.5 ou supérieure du firmware
- Pulse-80 et Pulse-40 (IMUs) — utilisant la version 2.0 ou supérieure du firmware
Veuillez contacter notre équipe de support si votre produit utilise une version antérieure du firmware. Ils vous guideront sur la compatibilité et les options de mise à niveau. Cette fonctionnalité sera intégrée à d'autres produits dans un avenir proche.
