МЭМС - гироскопы

Акселерометр и Гироскоп
Акселерометр и Ньютон F = m A
Акселерометр измеряет линейное ускорение
Гироскоп измеряет угловое перемещение
y
z
x
xAcceleration
y
Acceleration
z
y
z
x
Roll
Pitch
Yaw
Acceleration
0
0
МЭМС акселерометр и гироскоп объединены в отдельный модуль -
IMU (Inertial Measurement Unit)
2
Гироскоп и Кориолис
F = - m V x Ω

Применение
– Игровые консоли и смартфоны.
– Стабилизация изображения в фото
и видеокамерах.
– Расширение GPS-решений (системы счисления пройденного пути).
– Системы управления движением в робототехнике.
– Стабилизация и контроль платформ промышленного оборудования.
– ВПК (ракеты, БПЛА, машины).
– Подслушивание разговоров

Сравнение параметров инерциальных систем
КЛГ- кольцевые лазерные гироскопы
ВОГ – волоконно оптические гироскопы
МЭМС/ МОЭМС (НЭМС) – микро (опто) механические системы
Характеристики: 1-дрейф угловой скорости, º/час (гироскопы);
2- погрешность, mg (акселерометры)

Варианты реализации

А как сделать трехосевой?

Варианты реализации

Внутренняя структура гироскопа
Рыскание (Yaw) – вращение вокруг вертикальной оси
(ось Z)
Крен (Roll) – вращение вокруг продольной оси (ось X)
Тангаж (Pich) – вращение вокруг поперечной оси
(ось Y)

Информативные колебания гироскопа вдоль оси Y
Информативные колебания гироскопа вдоль оси X и первичные колебания вдоль оси Z

Как сделать гироскоп?

Подвесы с сосредоточенными параметрами
Достоинства: высокая добротность колебательного контура и высокая жесткость по паразитным степеням свободы, высокая чувствительность.
Недостатки: высокие требования к точности сведения резонансных частот
Достоинства: относительная простота и стабильность тех.процесса .
Недостатки: слабая устой- чивость к внешним возмущениям
L-L тип
R-R тип

Недостатки: необходимость применения сборочных операций для закрепления инерционных масс, что значительно усложняет технологический процесс сборки и изготовления ММГ.

Поняли как работает?
Тут наверно нужно что-то запустить (к примеру видео)

Подвесы с распределенными параметрами
Достоинства: малая чувствительность к внешним возмущениям
Недостатки: высокие требования к точности сведения резонансных частот
Достоинства: очень низкая чувствительность к внешним возмущениям (виброускорениям, перегрузкам, ударным ускорениям).
Недостатки: высокие требования к точности изготовления
Кольцевой
Камертонный

Конструкция камертонного планарного гироскопа:
а) общий вид гироскопа,
б) «гребенчатый» вибропривод

Конструкции с бесконтактными подвесами
Диск диаметром 500 мкм, подвешенный с использованием электромагнитных сил подвеса.
Достигнутая максимальная скорость вращения диска в воздушной среде - 1040 об/мин.
Модификация существующей конструкции позволит достичь частоты вращения 10000 об/мин (около 1 кГц).
Не могут эксплуатироваться на объектах с ударами 10^2−10^4 g.

Сравнение некоторых характеристик типов
Кольцевого типа

Систематические погрешности

Систематические погрешности

Систематические погрешности

Случайные погрешности

Характеристики микрогироскопа
Случайная составляющая нулевого сигнала (в полосе 1Гц)

Вариация Аллана типового ДУС серии ММГК (микромеханический волновой гироскоп кольцевого типа).
Нестабильность нуля составляет 3,5 град/ч.
Характеристики микрогироскопа

Характеристики микрогироскопа
Стабильность нулевого сигнала гироскопа от включения к включению.
СКО за 20 включений: 0.0080 град/c.
Максимальная нестабильность за 20 включений: 0.03 град/c.

Демпфер
Характеристики:
динамические
частотные

Погрешности
при введении g-компенсации

Сравнение гироскопов

MEMS - расшифровка названий
Sensor Type
LIS or L: Linear Inertial Sensor AIS: Automotive Inertial Sensor LPS: Linear Pressure Sensor LSM: Linear Sensor Module
Number of Axis
2: 2-Axis Accelerometer
3: 3-Axis Accelerometer
Y: Yaw Gyro
PR: Pitch /Roll Gyro
PY: Pitch/Yaw Gyro
YPR: Yaw/Pitch/Roll Gyro
Output
A: Analog
D: Digital
Package
L: LGA Q: QFN S: SO
Performance Level
H: High
M or _: Medium
F: Low
17
LSM 3 0 3 D L H C
Number of Gyro Axis
0: No gyroscope
Number of Magneto Axis
3: 3-Axis Magnetometer
Package size
_: Normal
C: Compact

Гироскоп L3GD20
3-осевой цифровой гироскоп, цифровой SPI/I2C интерфейс
Высокое разрешение, 16 бит разрешение
Измерение вращения по 3 шкалам: ±250°/с, ±500°/с и ±2000°/с
Power Down (5 мкA) и Sleep (2 мA) режимы
Interruption и Data Ready выходные линии
Высокая производительность:
Иммунитет к аудио и механическому шуму
Высокое разрешение/высокая температурная стабильность
Высокая шоковая устойчивость: 10 000g в течении 0.1мс
Дополнительные параметры:
4 Output Data Rates(ODR): 95, 190, 380, 760 Гц
8-бит выход температурного датчика, FIFO - буфер
Конфигурируемые фильтры низких и высоких частот
Функция самотестирования
Drive
Yaw sense
Pitch sense
Roll sense

Гироскоп L3G3250A
3-Осевой Аналоговый Гироскоп
Иммунитет к аналоговому шуму и вибрациям
2 шкалы измерения: ±625°/с и ±2500°/с
Power down и Sleep режимы
Функция самотестирования
Заводская калибровка
Высокая чувствительность: 2 мВ/°/с при 625°/с
Встроенный фильтр нижних частот
Высокая температурная стабильность (0.08°/с/°C)
Высокое шоковое состояние: 10000g в течении 0.1 мс
Температурный диапазон от -40 до 85°C
Напряжение питания: 2.4 - 3.6В
Потребление: 6.3 мA в Normal, 2 мA в Sleep и 5 мкA в Power Down режимах
Корпус 3.5 x 3 x 1 LGA
39

A3G4250D: 3-осевой гироскоп для
автомобильного рынка
42
A3G4250D
Automotive – 3 axes – Gyroscope – 4x4 LGA 16L– ±245dps full scale – Digital Output
Совместим по выводам с L3G4200D
Низкое потребление
Низкий шум и высокая стабильность по температуре
Области применения: трекинг-системы, автотрекеры, навигация, определение угла наклона
AEC-Q100

МЭМС IMU (iNEMO - Inertial
Movement Unit)

МЭМС модуль – iNEMO Inertial Module
LSM330D*
MEMS IMU
54
LSM330D:
МЭМС Акселерометр + Гироскоп
3-осевой акселерометр, ±2 ±4 ±8 ±16g
3-осевой гироскоп, ±250 ±500 ±2000 dps
SPI/I²C интерфейс
Режим Power-Down
4 линии прерывания (2 для гироскопа и
2 для акселерометра)
2 x FIFOs и датчик температуры
Корпус 3x5.5х1 мм

9-осевой модуль iNEMO
Маленький размер: 13 x 13 x 2 мм
L3GD20: 3-осевой цифровой гироскоп
LSM303DLHC: 6-осевой геомагнетический модуль
STM32F103REY: WLCSP, ARM®-based 32-bit MCU
LDS3985M33R: ultra low drop-low noise voltage regulator.
Доп интерфейсы: CAN, USART, SPI и I2C; full-speed USB 2.0
Свободные АЦП каналы для внешних сигналов
iNEMO SW Fusion библиотека
Доступность в Q4 iNEMO-M1 и Q1 2013 для
iNEMO-PRO (sensor fusion SW embedded)

Источники
1. habrahabr.ru Сравнение характеристик микромеханических гироскопов
2.Бабур Н ., Ш мидт Д ж. Направления развития инерциальных датчиков//Гироскопия и навига-
ция. – 2000. - № 1. - С.3-15.
3. Shearwood C., Ho K.Y., Williams C.B., Gong H. Development of a levitated micromotor for
application as a gyroscope//Sensor and Actuators 83, 2000, pp.85-92.
4.Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебн. пособие. – Тула: Тул.ГУ, 2002. – 392 с.
5.Murakoshi T., Fukatsu K., Nakamura S., Esashi M. Electrosatically Levitated Rotational Ring-
Shaped Gyro/Accelerometer for Inertial Measurement System//Symposium Gyro Technology, 2002. –
pp.7.0-7.9.
6.Неаполитанский А.С., Хромов Б.В. Микромеханические вибрационные гироскопы. – М.: «Когито-центр», 2002. – 122 с.
7.Евстифеев М.И. Состояние разработок и перспективы развития микромеханических гироско-
пов//Сб. докладов II конф. молодых ученых «Навигация и управление движением».
С-Петербург, 2000. - С.54-71.
8. Свидетельство на полезную модель № 18768. РФ. Микромеханический вибрационный гироскоп /М.И.Евстифеев, С.Г.Кучерков, Л.П.Несенюк, В.Г. Пешехонов, А.А. Унтилов. – 2001.