Lo scopo di questo documento è fornire una motivazione sulla necessità di monitorare le vibrazioni in un'IMU e sui vantaggi dello sviluppo di una funzione di monitoraggio delle vibrazioni integrata.
Perché monitorare le vibrazioni in un'IMU?
Chi ha esperienza nell'utilizzo di un'IMU (unità di misura inerziale microelettromeccanica) in un ambiente ostile è consapevole della necessità di valutare attentamente vibrazioni e acustica. I sensori MEMS si basano su elementi meccanici vibranti internamente. Ciò ha 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 rettificazione delle vibrazioni (VRE) o coefficiente di rettificazione delle vibrazioni (VRC). Per applicazioni ad alta precisione come il rilevamento topografico o il calcolo stimato (dead reckoning), questi errori possono avere un impatto importante.
- Effetti di risonanza: Poiché il sensore stesso vibra, se le frequenze di vibrazione del veicolo coincidono con le frequenze di risonanza interna del sensore, le letture dell'IMU possono risultare disturbate.
Questi effetti sono spesso considerati fattori chiave durante la progettazione preliminare. I team in genere dedicano un impegno significativo a simulazioni complesse. Queste simulazioni predicono solo parzialmente il comportamento nel mondo reale.
È necessario eseguire campagne di test costose utilizzando apparecchiature di monitoraggio. Questi test convalidano le simulazioni. Abbiamo visto che anche simulazioni approfondite non possono replicare pienamente le condizioni del mondo reale. Alcuni clienti hanno integrato le nostre IMU in ambienti più ostili di quanto progettato, resistendo a vibrazioni fino a 30 g RMS e acustica a 150 dB.
L'aggiunta di un dispositivo di monitoraggio esterno è una buona prassi di sviluppo, ma non è perfetta e non rifletterà mai pienamente ciò che l'IMU sperimenta realmente:
- la posizione della misurazione è sfalsata
- una modifica della massa o della configurazione imposta dal dispositivo di monitoraggio esterno altererà il risultato.
Vi presentiamo la nostra funzione integrata di monitoraggio delle vibrazioni
Per affrontare questo problema, abbiamo integrato un'innovativa funzione di monitoraggio delle vibrazioni direttamente nelle nostre IMU e nei sistemi GNSS/INS. I nostri sistemi ora forniscono un'analisi delle vibrazioni in tempo reale, che include un rapporto sullo spettro completo e un rapporto sintetico.
Rapporto completo
Una FFT (trasformata di Fourier veloce) completa mostra l'ampiezza delle vibrazioni su tutte le frequenze. L'immagine seguente corrisponde a questa visione dello spettro completo. Mostra l'intensità delle vibrazioni misurate per ciascuna frequenza nel tempo.
Rapporto semplificato sulle vibrazioni
Una sintesi di facile consultazione che suddivide lo spettro in quattro bande di frequenza. Per ciascuna banda, il rapporto fornisce l’intensità complessiva delle vibrazioni (in g RMS), la frequenza dominante (di picco) e la sua ampiezza. L’immagine seguente mostra una schermata del rapporto sulle vibrazioni sintetiche così come viene 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 rapporti sulle vibrazioni sono datati tramite timestamp utilizzando il clock dell'IMU per una facile analisi.
- Completamente integrato: tutti i calcoli FFT vengono eseguiti a bordo.
- Frequenza di aggiornamento e risoluzione: i rapporti sulle vibrazioni vengono generati ogni 0,25 s, con una risoluzione di 4 Hz.
- Configurazione della finestra: gli utenti possono scegliere tra diverse modalità di finestra FFT — Flat Top, Hanning o Rettangolare — con una varietà di compromessi tra ampiezza, precisione e dispersione di frequenza.
Questo consente di eseguire un'analisi dettagliata delle vibrazioni in corrispondenza della posizione dell'IMU. Gli utenti possono correlare il rumore inerziale e le prestazioni dell'IMU con l'effettiva sollecitazione meccanica. Ad esempio, i dati FFT in tempo reale offrono una metrica aggiuntiva. Questa va a completare il test continuo integrato (CBIT) dell'IMU. Rileva risonanze di montaggio o eccitazioni armoniche. Queste coincidono con variazioni del rumore dell'accelerometro o del bias del giroscopio.
Casi d'uso della nostra funzione integrata di monitoraggio delle vibrazioni
La funzione integrata di monitoraggio delle vibrazioni può essere utilizzata in molti modi e siamo certi che i nostri clienti ne scopriranno altri ancora. Ecco alcuni esempi:
- Analisi delle vibrazioni in fase di progettazione: Durante la progettazione del veicolo, questa funzione aiuta a ottimizzare il montaggio dell'IMU. Misurare le vibrazioni direttamente sull'IMU consente agli ingegneri di scegliere la posizione migliore, regolare gli ammortizzatori e progettare la protezione acustica, senza aggiungere sensori esterni pesanti o costosi.
- Qualificazione dell'IMU su banchi vibranti: Il monitoraggio delle vibrazioni può essere utilizzato durante la qualificazione di un'IMU o di un INS quando vengono sottoposti a vibrazioni (casuali o a scansione), consentendo di confermare che le vibrazioni misurate corrispondano a quelle immesse (funzione di trasferimento); inoltre, può essere utilizzato come strumento per discriminare se una risonanza è legata al banco vibrante, al setup o all'IMU.
- UAV e sistemi aerospaziali: il monitoraggio delle vibrazioni può essere utilizzato per rilevare le modalità di risonanza per aeromobili ad ala rotante o motori a turbina e per convalidare l'isolamento del carico utile quando l'IMU è montata su un giunto cardanico o su una piattaforma stabilizzata.
- Veicoli terrestri: i nostri sensori di forza a freccia ( INS ) vengono spesso utilizzati sui veicoli terrestri per il georeferenziazione (Mobile Mapping). In questo contesto, il sensore FFT può essere impiegato in modi innovativi: i dati relativi alle vibrazioni potrebbero essere utilizzati per analizzare le condizioni stradali o classificare i tipi di terreno.
- Test integrato (BIT) correlato alla missione: in condizioni operative estreme, le vibrazioni eccessive indicano spesso guasti quali avarie al motore, problemi di controllo del guadagno o instabilità aerodinamica. Il sistema di monitoraggio integrato è in grado di rilevare queste anomalie in tempo reale, senza la necessità di sensori aggiuntivi.
- Analisi della Salute Strutturale e 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 duplice scopo: sia un tracker di movimento che uno strumento di monitoraggio strutturale a lungo termine.
Come accedere alla funzione di monitoraggio delle vibrazioni
Se il tuo dispositivo è compatibile, basta aggiornarlo all'ultima versione del firmware. Successivamente, abilita i messaggi di monitoraggio delle vibrazioni nella configurazione dell'output. Per elaborare i dati:
1 – sbgCenter – visualizza facilmente i rapporti sulle vibrazioni.
2 – sbgBasicLogger – esporta i dati in formato ASCII.
3 – libreria sbgECom – analizza i dati binari in modo rapido ed efficiente.
Restate sintonizzati per ulteriori documenti e codice di esempio che vi aiuteranno a sfruttare al meglio questa funzionalità.
Compatibilità del prodotto
Questa sezione illustra in dettaglio i prodotti specifici che attualmente supportano la funzione integrata di monitoraggio delle vibrazioni. La compatibilità dipende sia dalla revisione hardware che dalla versione del firmware installata. Di seguito abbiamo riportato i requisiti attuali 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
Se il tuo prodotto utilizza una versione precedente del firmware, ti invitiamo a contattare il nostro team di assistenza, che ti fornirà indicazioni sulla compatibilità e sulle opzioni di aggiornamento. Questa funzionalità verrà integrata in altri prodotti nel prossimo futuro.
