Blog

CAN-meeteenheid voor mobiele machines

MEMS Traagheidssensoren worden vaak gebruikt om houding en positie te bepalen en om veranderingen in positie te meten. Vanwege hun grootte en kosten worden ze gebruikt in automobiel- en industriële toepassingen.

Met de GEMAC Motus is een sensor-meeteenheid ontwikkeld die kan worden geconfigureerd voor een breed scala aan toepassingen voor 6-assige bewegingsdetectie op mobiele machines zoals bouwmachines, landbouwmachines, bosbouwmachines, kraan- en heftechniek en schepen.

De sensor bestaat uit een 3-assige versnellingssensor, die naast de zwaartekrachtversnelling de krachten registreert die in alle drie de ruimtelijke richtingen op de sensor werken. De versnellingssensor is daarom de beste keuze voor het bepalen van de oriëntatie of helling van de sensor in statische toepassingen. D.w.z. er zijn geen andere krachten die op de sensor inwerken behalve de zwaartekracht. Met de giersnelheidssensor wordt de hoeksnelheid van de rotatie in de ruimte rond alle drie de sensorassen bepaald. Door de giersnelheid in de tijd te integreren, kan uit deze informatie ook de oriëntatie van de sensor worden bepaald. Het voordeel van het bepalen van de oriëntatie met behulp van een gyroscoop is dat deze niet wordt beïnvloed door externe versnellingen, waardoor dynamische metingen ook mogelijk zijn wanneer de sensor beweegt. De gegevens van de acceleratie- en giersnelheidssensoren worden gecombineerd met een sensorfusiefilter. Op deze manier kan zowel de statische de dynamische oriëntatie van de sensor nauwkeurig worden bepaald. Dit maakt sensorfusie onmisbaar bij gebruik in mobiele machines.

Geïntegreerde signaalverwerking leidt tot meer nauwkeurigheid

Normaal gesproken leveren IMU’s alleen ruwe data voor versnelling en giersnelheid aan de controller. Deze moet dan de verdere berekeningen – zoals de integratie van de signalen in de tijd – uit voeren. Afhankelijk van de rekenkracht in de controller leidt dit vaak tot  signaalvertragingen, onnauwkeurige tijdstempels en afronding van numerieke waarden met als gevolg grote afwijkingen in de door de controller berekende waarden.

De GEMAC Motus doet deze rekenstappen in de sensor zelf en dit levert een aanzienlijk hogere stabiliteit van de outputgegevens (zie figuur 2). Deze voorbewerkte gegevens worden via een CAN-interface vrijgegeven zodat op geheugenruimte en rekentijd in de controller wordt bespaard.

Flexibiliteit op alle gebieden

Naast de output van de versnelling en de giersnelheid in alle drie de ruimtelijke richtingen, biedt GEMAC Motus de mogelijkheid om helling waarden in verschillende formaten aan te bieden – graden-hoek, Euler-hoek of als quaternion. De hoek-formaten kunnen worden weergegeven met of zonder sensorfusie, voor statische en dynamische gebruiksscenario’s.

De CANopen-versie implementeert de CANopen-applicatie laag en het communicatieprofiel CiA 301 (versie 4.2.0). Voor de hellingsuitgang wordt het apparaat profiel voor hellingmeters (CiA 410 v. 2.0.0) gebruikt. Voor de uitgangssignalen staan ​​maximaal vier flexibel aanpasbare zendobjecten (TPDO’s) ter beschikking.

De variant met SAE J1939-interface heeft verschillende gestandaardiseerde uitvoerformaten, zoals helling waarden met behulp van parametergroepnummer (PGN) 61481 (helling sensorinformatie), versnellingsgegevens met behulp van PGN 61485 (versnellingssensor) en hoeksnelheid met behulp van PGN 61482 (hoeksnelheidsinformatie). Daarnaast zijn er eigen transmissieobjecten beschikbaar, die klantspecifiek in de applicatie kunnen worden geconfigureerd.

GEMAC Motus maakt een 360-graden oriëntatiebepaling mogelijk, ongeacht de montagepositie van de sensor. De meetassen van de sensor kunnen klantspecifiek worden geselecteerd op basis van een van de zes mogelijke montagesituaties. Bovendien kan de sensor op commando zijn huidige montagepositie bepalen en het interne coördinatensysteem automatisch zo transformeren dat de meetassen het beste passen bij de montagesituatie. De nulpositie van de sensor kan in beide hoekassen worden gedefinieerd zonder het meetbereik van de sensor te beperken. Hierdoor kan de sensor flexibel worden aangepast aan elk mogelijk meetscenario.

Belangrijkste parameters voor het selecteren van de IMU

Schaal-, offset- en uitlijnfouten, niet-lineariteiten:

Een belangrijke foutbronnen in MEMS IMU’s ontstaan bij een verkeerde uitlijning van de meetassen met de sensorbehuizing en uit schaal- & offsetfouten van de geïntegreerde sensorelementen. Dit  soort fouten blijven in de loop van de tijd stabiel zijn en worden ze door Gemac tijdens de fabricage geïdentificeerd en gecorrigeerd. Iedere sensor wordt vóór levering gekalibreerd op uiterst nauwkeurige draaitafels, waardoor bovengenoemde fouten worden gecorrigeerd en de hoeknauwkeurigheid van de sensor wordt verbeterd tot maximaal 0,15° (typisch 0,1°).

 

Temperatuur effecten:

Temperatuurveranderingen in het gebied rond de sensor leiden tot verschuivingen in de schaal en de offset in MEMS-sensorelementen. Deze verschuivingen, die leiden tot een fout in de oriëntatieberekening, zijn niet-lineair en apparaat specifiek en kunnen daarom niet vooraf worden voorspeld. De maximale hoekafwijking bij GEMAC Motus is beperkt tot 0,2°. Dit geldt over het gehele temperatuurbereik van -40°C tot 85°C.

Gyroscoop Bias Stabiliteit:

De offset van de hoeksnelheidssignalen verandert in de loop van de tijd als gevolg van flikkerruis in de MEMS-componenten. Deze ruis met een 1/f-spectrum is vooral merkbaar bij lage frequenties en leidt tot langdurige drift in de gyroscoopgegevens. Bias-stabiliteit wordt typisch uitgedrukt in °/h. Een correctie van de offset is vooral nodig bij het integreren van de hoeksnelheid in hoekwaarden. Een fout van slechts één resolutiestap (0,00875 °/s met GEMAC Motus) over een periode van één uur leidt bijvoorbeeld tot een hoekfout van 31,5°. In de praktijk zijn de offsetwaarden vaak tien of honderd keer hoger. GEMAC Motus bevat dynamische gyroscoop-offsetcorrectie, die de fout automatisch corrigeert tijdens runtime of op commando van de gebruiker.

Willekeurige wandeling:

Een ander type ruis, thermo mechanische ruis, introduceert een willekeurige fout in de gegevens die random walk wordt genoemd. Deze fout kan zowel worden waargenomen met de versnellingssensor als een willekeurige snelheidscheck als met de giersnelheidssensor als een willekeurige hoekcheck. Door de ruis leidt de integratie van het signaal in de tijd tot een drift, waarbij de standaarddeviatie van de drift gelijk is aan de waarde van de random walk vermenigvuldigd met de vierkantswortel van de observatietijd.

Trilling correctiefout (VRE):

Deze fout wordt ook wel g²-gevoeligheid genoemd en leidt tot een offsetfout door trillingen, die in de versnellingssensor worden verholpen. Het wordt veroorzaakt door asymmetrieën en niet-lineariteiten in het sensorontwerp en kan worden waargenomen in zowel versnellings- als giersnelheidssensoren.

 

Afhankelijk van de toepassing van de klant zijn er verschillende varianten beschikbaar:

  • Uitvoer van de kantelhoeken (GEMAC Motus NB en NC),
  • Uitvoer van versnelling en giersnelheid (GEMAC Motus IB),
  • en output pitch, acceleratie en giersnelheid (en andere signalen, GEMAC Motus XB en XC).

 

De traagheidsmeeteenheid is verkrijgbaar in 29 toepassing specifieke configuratie-opties. De sensor kan door de gebruiker individueel worden geconfigureerd met de vrij verkrijgbare ISD-Control-software en ondersteunt verschillende fabrikanten met behulp van een USB-naar-CAN-adapter. Doeltoepassingen zijn voornamelijk bouwmachines, landbouwmachines, bosbouwmachines, kraan- en heftechniek en schepen.

Op het datasheet vindt u een vergelijking van de verschillende varianten.

 

Voor meer informatie bel of mail naar Prokorment.

About Hans