Lo scopo di questo documento è fornire una motivazione per la necessità di monitorare le vibrazioni in una IMU e i vantaggi dello sviluppo di una funzione di monitoraggio delle vibrazioni integrata.
Perché monitorare le vibrazioni in una IMU?
Chi ha esperienza nell'utilizzo di una IMU (Micro-Electro-Mechanical Inertial Measurement Unit) in ambienti difficili è consapevole della necessità di considerare attentamente vibrazioni e acustica. I sensori MEMS si basano su elementi meccanici che vibrano internamente. Ciò comporta due conseguenze principali:
- Degradazione delle prestazioni sotto vibrazione: L'esposizione alle vibrazioni può degradare la precisione dell'IMU attraverso quello che è noto come Errore di Rettifica da Vibrazione (VRE) o Coefficiente di Rettifica da Vibrazione (VRC). Per applicazioni ad alta precisione come il rilevamento o la navigazione stimata, questi errori possono avere un impatto significativo.
- Effetti di risonanza: Poiché il sensore stesso vibra, se le frequenze di vibrazione del veicolo corrispondono alle frequenze di risonanza interne del sensore, le letture dell'IMU possono essere disturbate.
Questi effetti sono spesso considerazioni chiave durante la fase iniziale di progettazione. I team tipicamente dedicano sforzi significativi a simulazioni complesse. Queste simulazioni predicono solo parzialmente il comportamento nel mondo reale.
È necessario eseguire costose campagne di test utilizzando apparecchiature di monitoraggio. Questi test convalidano le simulazioni. Abbiamo visto che anche simulazioni approfondite non possono replicare completamente le condizioni del mondo reale. Alcuni clienti hanno integrato le nostre IMU in ambienti più ostili di quanto progettato. Esse sopportano vibrazioni fino a 30 g RMS e acustica di 150 dB.
L'aggiunta di un dispositivo di monitoraggio esterno è una buona pratica di sviluppo. Tuttavia, non è perfetta. Non rifletterà mai completamente l'esperienza effettiva dell'IMU:
- la posizione della misurazione è sfalsata
- Una modifica della massa/configurazione imposta dal dispositivo di monitoraggio esterno altererà il risultato.
Presentazione della nostra funzionalità integrata di monitoraggio delle vibrazioni
Per affrontare questo problema, abbiamo integrato una funzione innovativa di monitoraggio delle vibrazioni. È direttamente nelle nostre IMU e GNSS/INS. I nostri sistemi ora forniscono analisi delle vibrazioni in tempo reale. Ciò include un rapporto a spettro completo e un rapporto sintetico.
Rapporto a spettro completo
Una FFT (Trasformata di Fourier Veloce) completa mostra l'ampiezza delle vibrazioni su tutte le frequenze. L'immagine seguente corrisponde a questa vista a spettro completo. Mostra l'intensità delle vibrazioni misurate per ogni frequenza nel tempo.
Report semplificato delle vibrazioni
Un riepilogo intuitivo che divide lo spettro in quattro bande di frequenza. Per ogni banda, il report fornisce l'intensità complessiva delle vibrazioni (in g RMS), la frequenza dominante (di picco) e la sua magnitudine. L'immagine seguente mostra una schermata del report di vibrazione sintetico come visualizzato nel nostro strumento sbgCenter.
Caratteristiche tecniche
Il modulo integrato di monitoraggio delle vibrazioni opera completamente embedded all'interno dell'IMU/INS, garantendo prestazioni in tempo reale senza hardware aggiuntivo. Le sue specifiche principali sono:
- Larghezza di banda: fino a 8 kHz (a seconda del modello di IMU).
- Gamma dinamica: fino a 40 g RMS (a seconda del modello di IMU).
- Sincronizzazione temporale: i report sulle vibrazioni sono timestampati utilizzando l'orologio dell'IMU per una facile analisi.
- Completamente integrato: tutti i calcoli FFT sono eseguiti a bordo.
- Frequenza di aggiornamento e risoluzione: i report sulle vibrazioni sono generati ogni 0,25 s, con una risoluzione di 4 Hz.
- Configurazione della finestra: gli utenti possono selezionare tra diverse modalità di finestra FFT — Flat Top, Hanning o Rettangolare con una varietà di compromessi tra ampiezza, precisione e leakage di frequenza.
Ciò consente di eseguire un'analisi dettagliata delle vibrazioni nella posizione dell'IMU. Gli utenti possono correlare il rumore inerziale e le prestazioni dell'IMU con l'effettiva eccitazione meccanica. Ad esempio, i dati FFT in tempo reale offrono una metrica aggiuntiva. Questo integra il Continuous Built-in Test (CBIT) dell'IMU. Rivela risonanze di montaggio o eccitazioni armoniche. Queste coincidono con cambiamenti nel rumore dell'accelerometro o nel bias del giroscopio.
Casi d'uso della nostra funzionalità integrata di monitoraggio delle vibrazioni
La funzionalità integrata di monitoraggio delle vibrazioni può essere utilizzata in molti modi, e ci aspettiamo che i nostri clienti ne scopriranno ancora di più. Ecco alcuni esempi:
- Analisi delle vibrazioni in fase di progettazione: Durante la fase di progettazione del veicolo, la funzionalità aiuta a ottimizzare il montaggio dell'IMU. Misurare le vibrazioni direttamente sull'IMU consente agli ingegneri di scegliere la posizione migliore, regolare gli smorzatori e progettare la protezione acustica, senza aggiungere sensori esterni pesanti o costosi.
- Qualificazione IMU su shaker: Il monitoraggio delle vibrazioni può essere utilizzato durante la qualificazione di una IMU o di un INS quando vengono sottoposti a vibrazioni (casuali o sweep), permettendo di confermare che la vibrazione misurata corrisponde alla vibrazione iniettata (funzione di trasferimento); e può essere utilizzato come strumento per discriminare se una risonanza è legata allo shaker, alla configurazione o alla IMU.
- Sistemi UAV e Aerospaziali: il monitoraggio delle vibrazioni può essere utilizzato per rilevare le modalità di risonanza per elicotteri o motori a turbina e convalidare l'isolamento del carico utile quando l'IMU è montata su un gimbal o una piattaforma stabilizzata.
- Veicoli Terrestri: I nostri INS sono spesso utilizzati su veicoli terrestri per la georeferenziazione (Mobile Mapping). La FFT può essere utilizzata in modi innovativi in questo contesto: i dati sulle vibrazioni potrebbero essere utilizzati per analizzare le condizioni stradali o classificare i tipi di terreno.
- Test Integrato (BIT) relativo alla missione: In ambienti operativi difficili, vibrazioni eccessive spesso indicano guasti come rotture del motore, problemi di controllo del guadagno o instabilità aerodinamica. Il monitor integrato può rilevare queste anomalie in tempo reale, senza la necessità di sensori aggiuntivi.
- Salute Strutturale e Analisi Modale: i dati di vibrazione FFT possono essere utilizzati per affinare l'analisi modale, rilevando spostamenti nelle frequenze di risonanza che indicano potenziale fatica strutturale, allentamento o degrado del materiale nel tempo. Questo trasforma l'IMU in un sensore a doppio scopo: sia un tracker di movimento che uno strumento di monitoraggio strutturale a lungo termine.
Accesso alla funzione di monitoraggio delle vibrazioni
Se il suo dispositivo è compatibile, è sufficiente aggiornare all'ultimo firmware. Successivamente, abiliti i messaggi di monitoraggio delle vibrazioni nella configurazione di output. Per elaborare i dati:
1 – sbgCenter – visualizzare facilmente i report sulle vibrazioni.
2 – sbgBasicLogger – esportare i dati in formato ASCII.
3 – sbgECom library – analizzare i dati binari in modo rapido ed efficiente.
Rimanete aggiornati per ulteriore documentazione e codice di esempio che vi aiuteranno a sfruttare al meglio questa funzionalità.
Compatibilità del prodotto
Questa sezione descrive in dettaglio i prodotti specifici che attualmente supportano la funzione di monitoraggio delle vibrazioni integrata. La compatibilità dipende sia dalla revisione hardware che dalla versione del firmware installato. Abbiamo delineato i requisiti attuali di seguito per garantire che possiate utilizzare questa funzionalità.
La funzione di monitoraggio delle vibrazioni è attualmente disponibile su:
- ultime revisioni hardware per Ekinox Micro, Quanta Micro, Quanta Plus e Quanta Extra (INS) — con firmware versione 5.5 o successiva
- Pulse-80 e Pulse-40 (IMU) — con versione firmware 2.0 o successive
Si prega di contattare il nostro team di supporto se il vostro prodotto esegue una versione firmware precedente. Offrono assistenza sulla compatibilità e sulle opzioni di aggiornamento. Questa funzionalità sarà integrata in prodotti aggiuntivi nel prossimo futuro.
