Sensore di inclinazione con correzione del giroscopio - ci abbiamo preso la mano

TWK contribuisce con la fusione dei sensori con un giroscopio e offre sensori di inclinazione con correzione del giroscopio.

Qualcosa si muove - ma se possibile non in modo tale che si verifichino perturbazioni in un processo operativo e certamente non incidenti. TWK fornisce un contributo con l'aiuto della fusione dei sensori con un giroscopio e offre sensori di inclinazione con correzione del giroscopio. Gyros viene dal greco e significa rotazione - quindi ha a che fare con i movimenti di rotazione. Si tratta di una combinazione intelligente di segnali di misura per produrre un segnale di uscita corretto che visualizza esattamente l'angolo di misura - anche in condizioni operative avverse.

Qual è il compito?

Ebbene: Si tratta di misurare l'inclinazione. Un metodo economico e tuttavia valido è quello di utilizzare a questo scopo i cosiddetti sensori MEMS. Questi chip elettronici sono piccoli e consistono di strutture elettroniche e micromeccaniche, cioè oltre ai consueti circuiti microelettronici ci sono anche strutture meccanicamente mobili nei chip. Queste strutture si deflettono quando la forza g della terra agisce su di esse. Allo stesso tempo cambiano le capacità (condensatori) formate da queste strutture. Queste vengono misurate e si calcola un angolo di inclinazione e di uscita.

Se, tuttavia, questa cella MEMS è soggetta ad altre accelerazioni oltre a quella dovuta alla gravità - sia che si tratti di vibrazioni che di accelerazione in un veicolo - anche queste strutture MEMS vengono spostate e viene emesso un valore di inclinazione falsificato. Il controllore collegato può reagire in modo errato e può verificarsi un incidente - ad esempio con una macchina mobile: gru mobili, pompe per calcestruzzo, carrelli elevatori a forca, ecc.

Ora entra in gioco il giroscopio. Si tratta di un sensore di velocità di rotazione, anche in tecnologia MEMS. Tuttavia, le strutture micromeccaniche sono progettate in modo tale che le velocità angolari (°/s) siano misurate ed emesse come segnale di uscita. Esso misura quindi le variazioni di un angolo di inclinazione e non l'angolo di inclinazione stesso quando il giroscopio MEMS ruota attorno al proprio asse o ad un asse esteso. Il vantaggio è che le accelerazioni lineari sopra menzionate, che interferiscono con il sensore MEMS dell'accelerometro, non influenzano il sensore MEMS del giroscopio in quanto non rappresentano la rotazione.

Quindi, come si possono combinare questi due sensori per formare un sistema di misura dell'inclinazione insensibile alle interferenze?

Con la fusione dei dati del sensore e il filtro Kalman! La soluzione è di fondere entrambi i segnali di misura e di ottimizzarli utilizzando un filtro specifico - il filtro Kalman. Questa tecnologia di filtro permette di calcolare, correggere e predeterminare il valore di misura da emettere, cioè di determinarlo in anticipo per un breve periodo di tempo. Ciò è necessario perché l'accelerometro non è in grado di fornire un valore di misura esatto dell'inclinazione quando si verificano accelerazioni dinamiche interferenti. Al contrario, si usa un algoritmo ricorsivo in tempo reale (<1 ms cycle time) per stimare prima i prossimi valori di uscita basati sui valori misurati precedenti e poi ottimizzarli costantemente con l'aiuto di nuovi valori misurati reali. Affinché il segnale del sensore di velocità di rotazione possa essere aggiunto, deve prima essere integrato nel tempo. Infine, si utilizzano una serie di parametri per ottimizzare al meglio il sistema, per smussare i valori misurati e, se necessario, per adattarli alle condizioni specifiche dell'applicazione. Tutti i tipi di simulazioni e misurazioni relative all'applicazione a TWK dimostrano che il sistema di fusione del sensore funziona in modo preciso ed affidabile e consente velocità di aggiornamento notevolmente inferiori a 1 ms - non da ultimo grazie ad una programmazione intelligente e "salvaspazio" nel controllore.

L'immagine (filtro Kalman) mostra una misura di variazione dell'inclinazione con componenti di disturbo (rosso). Una semplice media di oltre 1000 valori (verde) dei dati di accelerazione pura può attenuare le vibrazioni moderate, ma causa un notevole ritardo (~1 s). La combinazione di entrambi i sensori tramite il filtro Kalman (blu) porta ad un comportamento quasi ideale.

Questo sistema di sensori garantisce un utilizzo sicuro e che evita i rischi non solo per le macchine mobili, ma anche durante il funzionamento di motori, pompe idrauliche o altre azioni che generano forti vibrazioni. Esso misura in modo più preciso e veloce rispetto ai sensori precedenti ed è largamente insensibile alle accelerazioni interferenti e, in aggiunta, anche alla deflessione dell'inclinazione laterale. Questi sensori sono molto adatti per applicazioni con requisiti dinamici, dove gli angoli di inclinazione precisi devono comunque essere continuamente rilevati e trasmessi ad un sistema di controllo.

Dove possono essere utilizzati?

Un buon esempio per l'impiego dei sensori fusi sono le pompe mobili per calcestruzzo. Questi veicoli si dirigono verso un cantiere edile, sono allineati - cioè il sottocarro è posizionato orizzontalmente - e il braccio con il tronco è allungato. Il sottocarro e il braccio sono dotati di sensori di inclinazione - finora tutto va bene. Tuttavia, quando la pompa per calcestruzzo eroga il calcestruzzo, gli impatti sono brevi ma forti. Le accelerazioni che si verificano disturbano la misurazione dell'inclinazione. Il segnale del giroscopio è "zero" nonostante l'accelerazione lineare che interferisce. L'algoritmo di calcolo riconosce quindi che non vi è alcuna variazione di inclinazione e mantiene il valore di inclinazione precedente, che ora è soggetto a forti fluttuazioni sul lato MEMS. Se l'inclinazione cambia esattamente al momento dell'interferenza, il giroscopio emette una variazione in °/s con un integrale non zero. Entrambi i valori sono considerati dal filtro Kalman e vengono utilizzati per generare un utile valore di pendenza.

I sensori combinati hanno un campo di temperatura di funzionamento da -40° a +85° C e misurano angoli di inclinazione fino a ±100° con una risoluzione di 0,01° e una precisione nel campo di ±0,1°. Il tempo di risposta è di 0,1 s. Può essere misurato su uno o due assi. La robusta custodia in alluminio con classe di protezione IP67 è in grado di resistere senza problemi anche a condizioni ambientali avverse. Sono possibili classi di protezione fino a IP69K.