Ali Karimpour Associate Professor Ferdowsi University of Mashhad In The Name of Allah Instrumentation Ali Karimpour Associate Professor Ferdowsi University of Mashhad <<<1.1>>> ###Control System Design### {{{Control, Design}}}

شتاب سنج ها و ژیروسکوپ های MEMS (Inertial measurement unit) آرین مخدومی دانشگاه فردوسی مشهد بهار 1395

موضوعات مورد بحث شتاب چیست و چگونه قابل اندازه گیری است؟ کاربرد و اهمیت شتاب سنج ها و ژیروشکوپ ها محاسبه سرعت و جا بجایی خطی اندازه گیری سرعت زاویه ای جهت یابی ساختار شتاب سنج های MEMS ساختار ژیروسکوپ های MEMS چند نمونه ماژول IMU

شتاب چیست و چگونه قابل اندازه گیری است؟  

کاربرد و اهمیت شتاب سنج ها و ژیروشکوپ ها پارامتر های قابل اندازه گیری: (تمامی پارامتر ها در 3 محور X Y Z) شتاب خطی(شتاب سنج) شتاب دورانی جهت (زاویه نسبت به مرکز زمین یا ...) سرعت خطی سرعت دورانی(ژیروسکوپ) مکان لرزش ضربه کاربرد ها: تعادل حرکت در موجودات زنده(گوش دورنی) پایداری و کنترل هواپیما ها, موشک ها, پهباد ها و ... پایداری وسایل نقلیه مانند قطار های سریع, Segway و ... پایداری تصیویر دوربین در برابر لرزش کالا های مصرفی(گوشی های موبایل, وسایل بازی و ...) کاربرد های پزشکی خودرو رباتیک و ...

محاسبه سرعت و جا بجایی خطی  

اندازه گیری سرعت زاویه  

جهت یابی جهت نسبت به یک نقطه معنی دارد و معمولا منظور جهت مرجع سنسور (طبق اطلاعات دیتاشیت) نسبت به مرکز گرانش زمین است.(بعضی اوقات جهت میدان مغناطیسی زمین) جهت مرجع را می توان هر جهتی دیگر نسبت به گرانش زمین در نظر گرفت. شتاب سنج 3 محوری در حالت ثابت نسبت به زمین همواره عددی معادل شتاب گرانش احساس می کند. این بردار شتاب را می توان مقدار DC شتاب در نظر گرفت و این بردار جهت گرانش زمین را نشان می دهد. با انتگرال گیری از سرعت زاویه ای می توان تغییر زاویه سنسور را بدست آورد که مرجع آن معلوم نیست. همچنین خطا های انتگرال گیری ظاهر می شوند. شتاب سنج برای حرکت های شتاب دار(نسبت به زمین) نمی تواند شتاب گرانش را به درستی تفکیک کند و ژیروسکوپ نیز اطلاعات جهت مرجع یا تغییرات بسیار آهسته زاویه را نمی تواند احساس کند. با ترکیب اطلاعات 2 سنسور شتاب سنج و ژیروسکوپ توسط فیلتر های ترکیبی یا Kalman می توان با دقت خوبی جهت فضایی سنسور را تشخیص داد. زاویه در فضا با 2 عدد تعیین می شود و باید 2 بردار مرجع در دسترس باشد. بنابراین می توان از بردار میدان مغناطیسی زمین(قطب نما) نیز برای اصلاح اطلاعات جهت استفاده کرد.

ساختار شتاب سنج های MEMS Capacitive (Differential and single) Piezoelectric Piezoresistive Thermal Quantum tunneling Optical

ساختار ژیروسکوپ های MEMS Vibrating structure Piezoelectric Plate Absolute Angle

چند نمونه ماژول IMU MPU6050: شامل شتاب سنج و ژیروسکوپ 3 محوره ADC 16 بیتی داخلی DMP داخلی (Digital Motion Processor) همراه با فیلتر های ترکیبی قیمت بازار حدود 11000 تومان ADXL345: شتاب سنج 3 محوره ADC 13 بیتی بدون DMP قیمت حدود 12000 تومان دقت اندازه گیری هر دو تقریبا یکسان است ولی بازه اندازه گیری MPU بیشتر است.

پرسش MEMS ها چه نوع حسگر هایی هستند؟یک نمونه مثال بزند. چند نمونه پارامتر قابل اندازه گیری به طور مستقیم یا غیر مستقم توسط شتاب سنج را نام ببرید. تفاوت شتاب سنج و ژیروسکوپ چیست؟ چند کابرد IMU (شتاب سنج+ژیروسکوپ) را نام ببرید. نحوه عملکرد شتاب سنج های خازنی را به طور خلاصه توضیح دهید.