Мета цього документа — обґрунтувати необхідність моніторингу вібрації в IMU та переваги розробки вбудованої функції моніторингу вібрації.
Навіщо контролювати вібрацію в IMU?
Ті, хто має досвід використання IMU (Micro-Electro-Mechanical Inertial Measurement Unit) у суворих умовах, знають про необхідність ретельного врахування вібрацій та акустики. Датчики MEMS базуються на внутрішніх вібруючих механічних елементах. Це має два основні наслідки:
- Погіршення продуктивності через вібрацію: Вплив вібрації може погіршити точність IMU через так звану похибку випрямлення вібрації (Vibration Rectification Error — VRE) або коефіцієнт випрямлення вібрації (Vibration Rectification Coefficient — VRC). Для високоточних застосувань, таких як картографування чи dead reckoning, ці похибки можуть мати серйозний вплив.
- Резонансні ефекти: Оскільки сам датчик вібрує, якщо частоти вібрації транспортного засобу збігаються з внутрішніми резонансними частотами датчика, показання IMU можуть бути спотворені.
Ці ефекти часто є ключовими міркуваннями на етапі раннього проєктування. Команди зазвичай витрачають значні зусилля на складні симуляції. Проте ці симуляції лише частково прогнозують реальну поведінку.
Ви повинні проводити дорогі тестові кампанії з використанням моніторингового обладнання. Ці тести підтверджують симуляції. Ми бачимо, що навіть ретельні симуляції не можуть повністю відтворити реальні умови. Деякі клієнти інтегрували наші IMU в набагато суворіших умовах, ніж передбачено проєктом. Вони витримують вібрації до 30 g RMS та акустичне навантаження до 150 дБ.
Додавання зовнішнього моніторингового пристрою є хорошою практикою розробки. Однак це не ідеально. Він ніколи повністю не відобразить реальний досвід IMU:
- місце проведення вимірювання зміщене
- Зміна маси/налаштувань, спричинена зовнішнім пристроєм моніторингу, призведе до зміни результату.
Представляємо нашу вбудовану функцію моніторингу вібрації
Щоб розв'язати цю проблему, ми інтегрували інноваційну функцію моніторингу вібрації. Вона вбудована безпосередньо в наші IMU та GNSS/INS. Наші системи тепер забезпечують аналіз вібрації в реальному часі. Це включає повний спектральний звіт і синтетичний звіт.
Повний звіт
Повне FFT (швидке перетворення Фур'є) відображає амплітуду коливань у всьому діапазоні частот. Наведений нижче малюнок ілюструє цей повний спектр. На ньому показано інтенсивність коливань, виміряну для кожної частоти в динаміці.
Спрощений звіт про вібрацію
Зручний для користувача звіт, у якому спектр розділено на чотири частотні діапазони. Для кожного діапазону у звіті наведено загальну інтенсивність вібрації (у г RMS), домінуючу (пікову) частоту та її величину. На наступному зображенні показано знімок екрана зі звітом про синтетичну вібрацію, як він відображається в нашому інструменті sbgCenter.
Технічні характеристики
Вбудований модуль моніторингу вібрації працює повністю всередині IMU/INS, забезпечуючи продуктивність у реальному часі без додаткового обладнання. Його ключові характеристики:
- Пропускна здатність: до 8 кГц (залежно від моделі IMU).
- Динамічний діапазон: до 40 g RMS (залежно від моделі IMU).
- Синхронізація часу: звіти про вібрацію отримують мітки часу за допомогою годинника IMU для зручного аналізу.
- Повністю вбудовано: усі обчислення FFT виконуються безпосередньо на пристрої.
- Частота оновлення та роздільна здатність: звіти про вібрацію формуються кожні 0,25 с із роздільною здатністю 4 Гц.
- Налаштування вікна: користувачі можуть обирати з-поміж кількох режимів вікна FFT — «Flat Top», «Hanning» або «Rectangular» — з різним співвідношенням між амплітудою, точністю та частотним витоком.
Це дозволяє виконувати детальний аналіз вібрації в місці розташування IMU. Користувачі можуть зіставляти інерціальний шум і продуктивність IMU з фактичним механічним збудженням. Наприклад, дані швидкого перетворення Фур'є (FFT) у реальному часі пропонують додаткову метрику. Вона доповнює постійний вбудований тест (CBIT) IMU. Вона виявляє монтажні резонанси або гармонічні збудження. Вони збігаються зі змінами шуму акселерометра або зсуву гіроскопа.
Приклади використання нашої вбудованої функції моніторингу вібрації
Вбудовану функцію моніторингу вібрації можна використовувати різними способами — і ми сподіваємося, що наші клієнти знайдуть для неї ще більше застосувань. Ось кілька прикладів:
- Аналіз вібрації на етапі проєктування: Під час проєктування транспортного засобу ця функція допомагає оптимізувати монтаж IMU. Вимірювання вібрацій безпосередньо на IMU дозволяє інженерам вибрати найкраще розташування, налаштувати демпфери та спроєктувати акустичний захист — без додавання важких чи дорогих зовнішніх датчиків.
- Кваліфікація IMU на вібростендах: Моніторинг вібрації можна використовувати під час кваліфікації IMU або INS при їх випробуванні вібраціями (випадковими чи за частотною розгорткою), що дозволяє підтвердити, що виміряна вібрація відповідає поданій вібрації (передавальна функція); його також можна використовувати як інструмент для визначення того, чи пов'язаний резонанс зі стендом, налаштуванням чи самим IMU.
- БПЛА та аерокосмічні системи: моніторинг вібрації можна використовувати для виявлення резонансних мод гвинтокрилів або турбінних двигунів, а також для перевірки ізоляції корисного навантаження, коли IMU встановлено на кардані чи стабілізованій платформі.
- Наземні транспортні засоби: Наші датчики « INS » часто використовуються на наземних транспортних засобах для геореференціювання (мобільне картографування). У цьому контексті датчики FFT можна застосовувати інноваційними способами: дані про вібрацію можна використовувати для аналізу стану доріг або класифікації типів рельєфу.
- Вбудоване тестування, пов’язане з виконанням місії (BIT): У суворих умовах експлуатації надмірна вібрація часто свідчить про такі несправності, як відмова двигуна, проблеми з регулюванням коефіцієнта підсилення або аеродинамічна нестабільність. Вбудований монітор може виявляти ці аномалії в режимі реального часу без необхідності використання додаткових датчиків.
- Контроль стану конструкцій та модальний аналіз: дані FFT вібрації можна використовувати для уточнення модального аналізу — виявлення зсувів резонансних частот, які вказують на потенційну втому конструкції, ослаблення кріплень або деградацію матеріалу з часом. Це перетворює IMU на датчик подвійного призначення: водночас трекер руху та інструмент довгострокового моніторингу конструкцій.
Доступ до функції моніторингу вібрації
Якщо ваш пристрій сумісний, просто оновіть його до останньої версії прошивки. Далі у налаштуваннях виводу увімкніть повідомлення про моніторинг вібрації. Щоб обробити дані:
1 – sbgCenter – зручна візуалізація звітів про вібрацію.
2 – sbgBasicLogger – експорт даних у форматі ASCII.
3 – бібліотека sbgECom – швидкий та ефективний аналіз двійкових даних.
Слідкуйте за оновленнями — незабаром з’являться додаткова документація та приклади коду, які допоможуть вам максимально ефективно використовувати цю функцію.
Сумісність продуктів
У цьому розділі наведено детальну інформацію про конкретні продукти, які на даний момент підтримують вбудовану функцію моніторингу вібрації. Сумісність залежить як від версії апаратного забезпечення, так і від версії встановленого вбудованого програмного забезпечення. Нижче ми навели поточні вимоги, щоб ви могли скористатися цією функцією.
На даний момент функція моніторингу вібрації доступна на:
- найновіші апаратні ревізії для Ekinox Micro, Quanta Micro, Quanta Plus та Quanta Extra (INS) — працюють на мікропрограмі версії 5.5 або новішої
- Pulse-80 та Pulse-40 (IMU) — працюють на прошивці версії 2.0 або новішої
Якщо у вашому пристрої встановлено попередню версію прошивки, зверніться до нашої служби підтримки. Там вам нададуть рекомендації щодо сумісності та варіантів оновлення. Ця функція буде впроваджена в інші продукти найближчим часом.
