Celem tego artykułu jest przedstawienie uzasadnienia dla konieczności monitorowania wibracji w IMU oraz korzyści płynących z opracowania wbudowanej funkcji monitorowania wibracji.
Dlaczego warto monitorować wibracje w IMU?
Osoby z doświadczeniem w użytkowaniu IMU (Micro-Electro-Mechanical Inertial Measurement Unit) w trudnych warunkach są świadome potrzeby dokładnego rozważenia wibracji i akustyki. Czujniki MEMS są oparte na wewnętrznie wibrujących elementach mechanicznych. Ma to dwie główne konsekwencje:
- Pogorszenie wydajności pod wpływem wibracji: Wystawienie na wibracje może obniżyć dokładność IMU poprzez tak zwany błąd prostowania wibracji (VRE) lub współczynnik prostowania wibracji (VRC). W precyzyjnych zastosowaniach, takich jak pomiary geodezyjne lub Nawigacja Zliczeniowa, błędy te mogą mieć poważny wpływ.
- Efekty rezonansu: Ponieważ sam czujnik wibruje, jeśli częstotliwości wibracji pojazdu odpowiadają wewnętrznym częstotliwościom rezonansowym czujnika, odczyty IMU mogą zostać zakłócone.
Efekty te są często kluczowymi kwestiami podczas wczesnego projektowania. Zespoły zazwyczaj poświęcają wiele wysiłku na złożone symulacje. Symulacje te tylko częściowo przewidują zachowanie w świecie rzeczywistym.
Należy przeprowadzić kosztowne kampanie testowe z wykorzystaniem sprzętu monitorującego. Testy te weryfikują symulacje. Widzimy, że nawet dokładne symulacje nie są w stanie w pełni odzwierciedlić warunków panujących w świecie rzeczywistym. Niektórzy klienci zintegrowali nasze IMU w trudniejszych środowiskach niż zaprojektowana. Wytrzymują one wibracje do 30 g RMS i akustykę 150 dB.
Dodanie zewnętrznego urządzenia monitorującego jest dobrą praktyką programistyczną. Nie jest to jednak rozwiązanie idealne. Nigdy w pełni nie odzwierciedli rzeczywistych doświadczeń IMU:
- lokalizacja pomiaru jest przesunięta
- zmiana masy/konfiguracji wymuszona przez zewnętrzne urządzenie monitorujące zmieni wynik.
Przedstawiamy naszą wbudowaną funkcję monitorowania wibracji
Aby temu zaradzić, zintegrowaliśmy innowacyjną funkcję monitorowania wibracji. Jest ona dostępna bezpośrednio w naszych IMU i GNSS/INS. Nasze systemy zapewniają teraz analizę wibracji w czasie rzeczywistym. Obejmuje to pełny raport spektralny i raport syntetyczny.
Pełny raport spektralny
Kompletna FFT (Fast Fourier Transform) pokazuje amplitudę wibracji we wszystkich częstotliwościach. Poniższy obraz odpowiada temu pełnemu widoku spektrum. Pokazuje intensywność wibracji mierzonych dla każdej częstotliwości w czasie.
Uproszczony raport wibracji
Przyjazne dla użytkownika podsumowanie dzielące spektrum na cztery pasma częstotliwości. Dla każdego pasma raport podaje ogólną intensywność wibracji (w g RMS), dominującą (szczytową) częstotliwość i jej amplitudę. Poniższy obraz przedstawia zrzut ekranu syntetycznego raportu wibracji wyświetlanego w naszym narzędziu sbgCenter.
Charakterystyka techniczna
Wbudowany moduł monitorowania wibracji działa w pełni wbudowany w IMU/INS, zapewniając wydajność w czasie rzeczywistym bez dodatkowego sprzętu. Jego kluczowe specyfikacje to:
- Szerokość pasma: do 8 kHz (w zależności od modelu IMU).
- Zakres dynamiczny: do 40 g RMS (w zależności od modelu IMU).
- Synchronizacja czasowa: raporty o wibracjach są oznaczane znacznikiem czasu przy użyciu zegara IMU w celu łatwej analizy.
- W pełni zintegrowane: wszystkie obliczenia FFT są wykonywane na pokładzie.
- Częstotliwość aktualizacji i rozdzielczość: raporty o wibracjach są generowane co 0,25 s, z rozdzielczością 4 Hz.
- Konfiguracja okna: użytkownicy mogą wybierać spośród wielu trybów okna FFT — Flat Top, Hanning lub Prostokątne z różnymi kompromisami między amplitudą, dokładnością i wyciekiem częstotliwości.
Umożliwia to przeprowadzenie szczegółowej analizy wibracji w lokalizacji IMU. Użytkownicy mogą korelować szumy inercyjne i wydajność IMU z rzeczywistym wzbudzeniem mechanicznym. Na przykład dane FFT w czasie rzeczywistym oferują dodatkową metrykę. Uzupełnia to ciągły test wbudowany (Continuous Built-in Test, CBIT) IMU. Ujawnia rezonanse montażowe lub wzbudzenia harmoniczne. Zbiegają się one ze zmianami w szumach akcelerometru lub dryfem żyroskopu.
Przykłady zastosowań naszej wbudowanej funkcji monitorowania wibracji
Wbudowana funkcja monitorowania wibracji może być używana na wiele sposobów — i oczekujemy, że nasi klienci znajdą jeszcze więcej. Oto kilka przykładów:
- Analiza wibracji w fazie projektowania: podczas projektowania pojazdu funkcja pomaga zoptymalizować montaż IMU. Pomiar wibracji bezpośrednio w IMU pozwala inżynierom wybrać najlepszą lokalizację, dostroić amortyzatory i zaprojektować ochronę akustyczną — bez dodawania ciężkich lub drogich czujników zewnętrznych.
- Kwalifikacja IMU na wytrząsarkach: Monitorowanie wibracji może być wykorzystywane podczas kwalifikacji IMU lub INS, gdy są one poddawane wibracjom (losowym lub sweep), co pozwala potwierdzić, że zmierzone wibracje odpowiadają wibracjom podanym (funkcja transferu); i może być używane jako narzędzie do rozróżnienia, czy rezonans jest związany z wytrząsarką, konfiguracją czy IMU.
- Systemy UAV i lotnicze: monitorowanie wibracji może być używane do wykrywania trybów rezonansowych dla wirników lub silników turbinowych oraz do walidacji izolacji ładunku, gdy IMU jest zamontowany na gimbalu lub platformie stabilizowanej.
- Pojazdy lądowe: Nasze INS są często używane w pojazdach lądowych do georeferencji (Mobile Mapping). FFT może być używane w innowacyjny sposób w tym kontekście: dane o wibracjach mogą być wykorzystywane do analizy stanu dróg lub klasyfikacji typów terenu.
- Test wbudowany (Built-In Test, BIT) związany z misją: W trudnych warunkach operacyjnych nadmierne wibracje często wskazują na usterki, takie jak awaria silnika, problemy z kontrolą wzmocnienia lub niestabilność aerodynamiczna. Wbudowany monitor może wykrywać te anomalie w czasie rzeczywistym, bez potrzeby 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.
Dostęp do funkcji monitorowania wibracji
Jeśli Twoje urządzenie jest kompatybilne, po prostu zaktualizuj oprogramowanie układowe do najnowszej wersji. Następnie włącz komunikaty monitorowania wibracji w konfiguracji wyjściowej. Aby przetworzyć dane:
1 – sbgCenter – łatwa wizualizacja raportów o wibracjach.
2 – sbgBasicLogger – eksport danych w formacie ASCII.
3 – biblioteka sbgECom – szybkie i wydajne analizowanie danych binarnych.
Bądź na bieżąco z dodatkową dokumentacją i przykładowym kodem, które pomogą Ci w pełni wykorzystać tę funkcję.
Kompatybilność produktów
Ta sekcja zawiera szczegółowe informacje na temat konkretnych produktów, które obecnie obsługują wbudowaną funkcję monitorowania wibracji. 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 wibracji jest obecnie dostępna w:
- Najnowsze wersje sprzętowe dla Ekinox Micro, Quanta Micro, Quanta Plus i Quanta Extra (INS) — z oprogramowaniem w wersji 5.5 lub nowszej
- Pulse-80 i Pulse-40 (IMU) — z oprogramowaniem firmware w wersji 2.0 lub nowszej
Skontaktuj się z naszym zespołem pomocy technicznej, jeśli Twój produkt działa na wcześniejszej wersji oprogramowania układowego. Oferują oni wskazówki dotyczące kompatybilności i opcji aktualizacji. Ta funkcja zostanie zintegrowana z dodatkowymi produktami w najbliższej przyszłości.
