Celem tego dokumentu jest uzasadnienie konieczności monitorowania wibracji w systemie IMU oraz przedstawienie korzyści płynących z opracowania wbudowanej funkcji monitorowania wibracji (Built-In Vibration Monitoring Feature).
Dlaczego warto monitorować wibracje w IMU?
Osoby mające doświadczenie w korzystaniu z IMU (Micro-Electro-Mechanical Inertial Measurement Unit) w trudnych warunkach środowiskowych zdają sobie sprawę z konieczności dokładnego uwzględnienia wibracji i akustyki. Czujniki MEMS opierają się na wewnętrznie wibrujących elementach mechanicznych. Ma to dwa główne skutki:
- Degradacja wydajności pod wpływem wibracji: Narażenie na wibracje może pogorszyć dokładność IMU poprzez zjawisko znane jako błąd prostowania wibracji (VRE - Vibration Rectification Error) lub współczynnik prostowania wibracji (VRC - Vibration Rectification Coefficient). W przypadku zastosowań o wysokiej precyzji, takich jak geodezja czy nawigacja zliczeniowa (Dead Reckoning), błędy te mogą mieć ogromny wpływ.
- Efekty rezonansowe: Ponieważ sam czujnik wibruje, jeśli częstotliwości wibracji pojazdu pokrywają się z wewnętrznymi częstotliwościami rezonansowymi czujnika, odczyty IMU mogą zostać zakłócone.
Efekty te są często kluczowymi czynnikami uwzględnianymi na wczesnym etapie projektu. Zespoły zazwyczaj poświęcają dużo wysiłku na złożone symulacje. Symulacje te tylko częściowo przewidują zachowanie w rzeczywistych warunkach.
Należy przeprowadzć kosztowne kampanie testowe przy użyciu sprzętu monitorującego. Testy te walidują symulacje. Zauważyliśmy, że nawet gruntowne symulacje nie są w stanie w pełni odwzorować rzeczywistych warunków. Niektórze klienci zintegrowali nasze jednostki IMU w środowiskach trudniejszych niż przewidziane. Wytrzymują one wibracje do 30 g RMS oraz akustykę 150 dB.
Dodanie zewnętrznego urządzenia monitorującego to dobra praktyka inżynieryjna. Nie jest ono jednak idealne. Nigdy w pełni nie odzwierciedli tego, czego faktycznie doświadcza IMU:
- miejsce pomiaru jest przesunięte
- Zmiana masy/konfiguracji wymuszona przez zewnętrzne urządzenie monitorujące wpłynie na wynik.
Przedstawiamy naszą wbudowaną funkcję monitorowania drgań
Aby temu zaradzić, zintegrowaliśmy nowatorską funkcję monitorowania wibracji. Znajduje się ona bezpośrednio w naszych systemach IMU i GNSS/INS. Nasze systemy zapewniają teraz analizę wibracji w czasie rzeczywistym. Obejmuje ona pełny raport ze spektrum oraz raport syntetyczny.
Pełny raport
Pełna transformacja FFT (szybka transformacja Fouriera) przedstawia amplitudę drgań we wszystkich częstotliwościach. Poniższy rysunek odpowiada temu widokowi pełnego widma. Przedstawia on natężenie drgań zmierzone dla każdej częstotliwości w funkcji czasu.
Uproszczony raport dotyczący drgań
Przejrzyste podsumowanie dzielące widmo na cztery pasma częstotliwości. Dla każdego pasma raport podaje ogólną intensywność drgań (w g RMS), częstotliwość dominującą (szczytową) oraz jej wartość. Poniższy rysunek przedstawia zrzut ekranu z raportem dotyczącym drgań syntetycznych, wyświetlanym w naszym narzędziu sbgCenter.
Dane techniczne
Wbudowany moduł monitorowania drgań działa w pełni jako element wbudowany w IMU/INS, zapewniając wydajność w czasie rzeczywistym bez dodatkowego sprzętu. Jego główne parametry techniczne to:
- Pasmo: do 8 kHz (w zależności od modelu IMU).
- Zakres dynamiki: do 40 g RMS (w zależności od modelu IMU).
- Synchronizacja czasu: raporty drgań są oznaczane znacznikiem czasu przy użyciu zegara IMU w celu ułatwienia analizy.
- W pełni wbudowane: wszystkie obliczenia FFT są wykonywane na pokładzie urządzenia.
- Częstotliwość aktualizacji i rozdzielczość: raporty dotyczące drgań są generowane co 0,25 s, z rozdzielczością 4 Hz.
- Konfiguracja okna: użytkownicy mogą wybierać spośród wielu trybów okien FFT — Flat Top, Hanning lub Rectangular — charakteryzujących się różnymi kompromisami między amplitudą, dokładnością i przeciekiem częstotliwościowym.
Pozwala to na przeprowadzenie szczegółowej analizy drgań w miejscu montażu IMU. Użytkownicy mogą powiązać szum inercyjny i wydajność IMU z rzeczywistym wymuszeniem mechanicznym. Na przykład dane FFT w czasie rzeczywistym oferują dodatkową metrykę. Stanowi to uzupełnienie ciągłego testu wbudowanego (CBIT) IMU. Ujawnia ono rezonanse montażowe lub wzbudzenia harmoniczne. Zbiegają się one ze zmianami szumów akcelerometru lub błędu zerowego żyroskopu.
Przykłady zastosowań naszej wbudowanej funkcji monitorowania drgań
Wbudowana funkcja monitorowania drgań ma wiele zastosowań — i spodziewamy się, że nasi klienci odkryją jeszcze więcej. Oto kilka przykładów:
- Analiza drgań w fazie projektowania: Podczas projektowania pojazdu funkcja ta pomaga zoptymalizować montaż IMU. Pomiar drgań bezpośrednio na IMU pozwala inżynierom wybrać najlepszą lokalizację, dostroić tłumiki i zaprojektować ochronę akustyczną – bez dodawania ciężkich lub drogich czujników zewnętrznych.
- Kwalifikacja IMU na wstrząsarkach: Monitorowanie drgań może być używane podczas kwalifikacji IMU lub INS poddawanych wibracjnom (losowym lub typu sweep), co pozwala potwierdzić, że zmierzone drgania odpowiadają drganiom wymuszonym (funkcja przejścia); może być również stosowane jako narzędzie do rozstrzygania, czy rezonans jest związany ze wstrząsarką, stanowiskiem pomiarowym czy samym IMU.
- Systemy bezzałogowe i lotnicze: monitorowanie drgań może być wykorzystywane do wykrywania częstotliwości rezonansowych w wirnikowcach lub silnikach turbinowych oraz do weryfikacji izolacji ładunku użytecznego, gdy IMU jest zamontowany na przegubie kardana lub platformie stabilizowanej.
- Pojazdy naziemne: Nasze czujniki FFT ( INS ) są często stosowane w pojazdach naziemnych do georeferencjonowania (mobilnego mapowania). W tym kontekście czujniki FFT można wykorzystywać w nowatorski sposób: dane dotyczące drgań mogą służyć do analizy stanu dróg lub klasyfikacji rodzajów terenu.
- Wbudowany test związany z misją (BIT): W trudnych warunkach eksploatacyjnych nadmierne wibracje często wskazują na usterki, takie jak awaria silnika, problemy z regulacją wzmocnienia lub niestabilność aerodynamiczna. Wbudowany monitor może wykrywać te anomalie w czasie rzeczywistym, bez konieczności stosowania dodatkowych czujników.
- Analiza stanu konstrukcji i analiza modalna: dane wibracyjne FFT mogą być wykorzystane do udoskonalenia analizy modalnej — wykrywania zmian częstotliwości rezonansowych, które wskazują na potencjalne zmęczenie konstrukcji, poluzowanie lub degradację materiału w czasie. To przekształca IMU w czujnik o podwójnym zastosowaniu: zarówno tracker ruchu, jak i długoterminowy instrument do monitorowania stanu konstrukcji.
Korzystanie z funkcji monitorowania drgań
Jeśli Twoje urządzenie jest kompatybilne, po prostu zaktualizuj oprogramowanie sprzętowe do najnowszej wersji. Następnie włącz opcję monitorowania wibracji w konfiguracji wyjściowej. Aby przetworzyć dane:
1 – sbgCenter – łatwa wizualizacja raportów dotyczących drgań.
2 – sbgBasicLogger – eksport danych w formacie ASCII.
3 – biblioteka sbgECom – szybkie i wydajne przetwarzanie danych binarnych.
Wkrótce udostępnimy dodatkową dokumentację i przykładowy kod, które pomogą Ci w pełni wykorzystać tę funkcję.
Zgodność produktów
W tej sekcji przedstawiono konkretne produkty, które obecnie obsługują wbudowaną funkcję monitorowania drgań. Kompatybilność zależy zarówno od wersji sprzętu, jak i zainstalowanej wersji oprogramowania układowego. Poniżej przedstawiliśmy aktualne wymagania, aby zapewnić możliwość korzystania z tej funkcji.
Funkcja monitorowania drgań jest obecnie dostępna w następujących produktach:
- najnowsze wersje sprzętowe dla urządzeń Ekinox Micro, Quanta Micro, Quanta Plus i Quanta Extra (INS) — działające na oprogramowaniu układowym w wersji 5.5 lub nowszej
- Pulse-80 i Pulse-40 (IMU) — z oprogramowaniem firmware w wersji 2.0 lub nowszej
Jeśli w Twoim produkcie zainstalowana jest starsza wersja oprogramowania sprzętowego, skontaktuj się z naszym zespołem pomocy technicznej. Udzielą oni wskazówek dotyczących kompatybilności i możliwości aktualizacji. W najbliższej przyszłości funkcja ta zostanie wdrożona w kolejnych produktach.
