Xsens MTi 10-series 3-shadow

Инерциальные модули компании Xsens: математические алгоритмы совместно с современными МЭМС-технологиями как надежное решение задач ориентации и навигации

PDF версия
Инерциальные датчики и системы на их базе являются ключевым элементом при решении задач управления, стабилизации, навигации и отслеживания движения воздушных, наземных, морских и подземных объектов. Бесплатформенная инерциальная навигационная система, или система ориентации, состоит из инерциального измерительного блока (IMU), предоставляющего первичные данные об угловой скорости и линейном ускорении, и блока обработки информации с датчиков, где происходит интегрирование, преобразование и обработка данных с последующей выдачей информации об углах ориентации, скорости или положении, которые требуются для построения системы управления подвижным объектом.

Решение указанных задач осложняется неидеальностью датчиков и системы в целом, что приводит к возникновению ошибок, имеющих различный характер, в том числе ошибок, вызванных внешними воздействиями — вибрациями из-за двигателей и исполнительных механизмов или из-за взаимодействия с окружающей средой, изменениями температуры, длительными ускорениями и магнитными возмущениями.

Последние достижения в области технологии микроэлектромеханических систем (MEMS) позволяют разработать недорогие (<$1–100 за ось) и компактные (от <0,02–0,2 см3) акселерометры и гироскопы. Ошибки, присущие этим компонентам, существенно затрудняют построение навигационных систем с использованием IMU только на основе MEMS-датчиков для упомянутых применений. Для увеличения точности и надежности оценки отслеживания чрезвычайно важно, чтобы сигналы IMU на основе MEMS комбинировались с измерениями от вспомогательных датчиков, таких как магнитометр, барометрический высотомер и глобальная спутниковая навигационная система (GNSS), а также с моделями движения, специфичными для конкретных подвижных объектов. Компания Xsens, обладающая многолетним опытом разработки алгоритмов, создала алгоритм слияния датчиков Xsens estimation engine (XEE), который позволяет использовать преимущества различных вспомогательных измерений датчиков и оптимально сочетать их для получения надежных оценок отслеживания.

Линейка модулей MTi

Рис. 1. Линейка модулей MTi

Инерциальные модули Xsens имеют название MTi и удовлетворяют требованиям, существующим в различных областях применения. На рис. 1 изображена линейка модулей MTi, а в таблице 1 представлен перечень моделей в каждой из линеек с указанием функционала. Основой модуля является инерциальный измерительный блок IMU на основе MEMS-датчиков, объединенный с триадой магнитометров в легком (11 г для OEM-версии) миниатюрном (<15 см3) корпусе с энергопотреблением 480–650 мВт (для MTi 100‑й серии). Конструкция модуля и датчиков в сочетании с алгоритмами обработки сигналов обеспечивает устойчивость к вибрациям в диапазоне как минимум до 400 Гц (для MTi 100‑й серии), а также выдачу данных с высокой частотой (2 кГц) и низкой задержкой передачи данных (<2 мс). Серия продуктов MTi разработана с учетом требований, диктуемых существующими применениями.

Таблица 1. Перечень моделей в каждой из линеек модулей MTi с указанием функционала

Модель

MTi 1-series

MTi 600-series

MTi 10-series

MTi 100-series

IMU

MTi-1 IMU

MTi-610 IMU

MTi-10 IMU

MTi-100 IMU

VRU

MTi-2 VRU

MTi-620 VRU

MTi-20 VRU

MTi-200 VRU

AHRS

MTi-3 AHRS

MTi-630 AHRS

MTi-630R AHRS

MTi-30 AHRS

MTi-300 AHRS

GNSS/INS

MTi-7 GNSS/INS

MTi-670 GNSS/INS

MTi-670G GNSS/INS

MTi-G-710 GNSS/INS

GNSS/INS (RTK)

MTi-680 RTK GNSS/INS

MTi-680G RTK GNSS/INS

В рамках каждой серии MTi компания Xsens предлагает несколько вариантов продукции. Каждый вариант предоставляет различные функциональные возможности. На рис. 2 и в таблице 1 пояснена классификация модулей MTi по функционалу.

Пояснение классификации модулей MTi

Рис. 2. Пояснение классификации модулей MTi

Блок чувствительных элементов IMU представляет собой инерциальный измерительный блок, который выдает калиброванную информацию о линейных ускорениях, угловых скоростях поворота, данных о величине магнитного поля по трем осям и барометрического давления (для некоторых вариантов модулей). IMU не предоставляет функцию слияния данных от датчиков для получения оценок по углам ориентации, но имеет возможность вывода данных в виде приращений по углам ∆q и приращений по скорости ∆v.

Гирогоризонт (VRU) позволяет применять алгоритмы, которые используют направление вектора ускорения свободного падения в качестве источника дополнительной информации для расчета и коррекции углов крена и тангажа. По сути, он предоставляет те же данные, что и курсовертикаль (AHRS), за исключением угла рыскания. Оценка угла рыскания в гирогоризонте не имеет привязки к направлению на север, что означает, что угол вычисляется без какой-либо географической/магнитной привязки и коррекции, а лишь за счет интегрирования показаний с гироскопов с возможностью использования функции активной стабилизации по курсу для уменьшения его дрейфа. Для VRU доступен весь функционал IMU.

Курсовертикаль (AHRS) схожа по функционалу с гирогоризонтом и выдает углы крена, тангажа и рыскания с привязкой к направлению на север за счет использования магнитометров. Для AHRS доступен весь функционал VRU и IMU.

Инерциальная навигационная система комплексирована с информацией от спутниковой навигационной системы (GNSS/INS), в том числе с поддержкой кинематики в реальном времени (RTK) для получения сантиметровой точности определения координат. Такие варианты модулей имеют барометр и приемник сигналов GNSS и поправок с базовых станций для увеличения точности методом кинематики в реальном времени (RTK). Они выдают информацию об углах крена, тангажа и рыскания с привязкой к направлению на север, а также информацию о линейном положении объекта и его линейной скорости. Данные модули предоставляют доступ к функционалу IMU, VRU и AHRS.

Каждая из серий модулей MTi отличается друг от друга такими характеристиками, как точность выдаваемой информации об углах ориентации и координатах, габаритами, вариантом исполнения, набором доступных интерфейсов и другими эксплуатационными параметрами. В таблице 2 приведены данные по всем вариантам инерциальных модулей с основными точностными характеристиками, в таблице 3 представлены массовые и геометрические характеристики модулей MTi, в таблицах 4–6 сведены данные о характеристиках гироскопов, акселерометров, барометров, магнитометров, входящих в состав модулей, а также характеристики GNSS-приемников, в таблице 7 приведены эксплуатационные характеристики модулей.

Таблица 2. Основные точностные характеристики модулей MTi

Модуль

Крен/Тангаж

Курс

Алгоритмы
обработки

Координаты
и скорость

статическая

динамическая

MTi 1-series (1-я серия)

MTi-1 IMU

MTi-2 VRU

0,5°

0,8°

AHS

XKF

MTi-3 AHRS

0,5°

0,8°

XKF

MTi-7 GNSS/INS

0,5°

0,5°

1,5°

XKF

1 м; 0,05 м/с

MTi 600-series (600-я серия)

MTi-610 IMU

MTi-620 VRU

0,2°

0,25°

AHS

XKF

MTi-630 AHRS

0,2°

0,25°

XKF

MTi-630R AHRS

0,2°

0,25°

XKF

MTi-670 GNSS/INS

0,2°

0,25°

0,8°

XKF

1 м; 0,05 м/с

MTi-670G GNSS/INS

0,2°

0,25°

0,8°

XKF

1 м; 0,05 м/с

MTi-680 RTK-GNSS/INS

0,2°

0,25°

0,5°

XKF

1 cм; 0,05м/с

MTi-680G RTK-GNSS/INS

0,2°

0,25°

0,5°

XKF

1 cм; 0,05 м/с

MTi 10-series (10-я серия)

MTi-30 AHRS

0,2°

0,5°

XKF

MTi 100-series (100-я серия)

MTi-100 IMU

MTi-200 VRU

0,2°

0,3°

AHS

XEE

MTi-300 AHRS

0,2°

0,3°

XEE

MTi-G-710 GNSS/INS

0,2°

0,3°

0,8°

XEE

1 м; 0,05 м/с

Примечание. AHS — Active Heading Stabilization (активная стабилизация по курсу).

Таблица 3. Массовые и геометрические характеристики модулей MTi

MTi 1-series

MTi 600-series

MTi 10/100-series

MTi-G-710

Без корпуса, OEM

Пластиковый корпус,

OEM

MTi-6xxR, Корпусированный

MTi-6xxG, Корпусированный

Корпусированный

OEM

Корпусированный

Xsens MTi 1-series-shadow

Xsens MTi 600-series 3-shadow

MTi 630R

Xsens MTi-680G-shadow

Xsens MTi 10-series 3-shadow

MTi-OEM

Xsens MTi-G-710-shadow

12,1×12,1×2,55 мм

31,5×28×13 мм

56,5×40,9×24,75 мм, 75 г

56,5×40,9×36,75 мм, 98 г

57×42×23,5 мм, 52 г

37×33×12 мм, 11 г

57×42×23,5 мм, 55 г

под пайку

16-контактный разъем

12-контактный разъем

12-контактный разъем,
4-контактный разъем

9-контактный разъем

16-контактный разъем

9-контактный разъем

Отладочный набор

Отладочный набор

Отладочный набор

модуль MTi, отладочная плата, приемник и антенна, кабель с USB-переходником, шлейф, ПО

модуль MTi, антенна, USB-кабель CA-USB-MTI, ПО

Состав*: модуль MTi на отладочной плате,
приемник и антенна, USB-кабель, ПО

Состав*: модуль MTi, отладочная плата, приемник и антенна,
кабель с USB-переходником, шлейф, ПО

Состав*: модуль MTi, антенна, USB-кабель CA-USB-MTI, ПО

Примечание. *Состав отладочного набора определяется типом модуля.

Таблица 4. Технические характеристики гироскопов и акселерометров, входящих в состав модулей MTi

Характеристики

MTi 1-series

MTi 600-series

MTi 10-series

MTi 100-series

Гироскопы

Акселерометры

Гироскопы

Акселерометры

Гироскопы

Акселерометры

Гироскопы

Акселерометры

Диапазон измерений*

2000 °/с

160 м/с2

2000 °/с

100 м/с2

450 °/с

200 м/с2

450 °/с

200 м/с2

Cмещение нуля

0,2 °/с

0,05 м/с2

0,2 °/с

0,05 м/с2

Стабильность нуля в запуске

10 °/ч

30 мкg

8 °/ч

10 мкg

18 °/ч

15 мкg

10 °/ч

15 мкg

Полоса пропускания (3 дБ)

230 Гц

230 Гц

520 Гц

500 Гц

415 Гц

375 Гц

415 Гц

375 Гц

Плотность шума

0,003 °/с/√Гц

70 мкg/√Гц

0,007 °/с/√Гц

60 мкg/√Гц

0,03 °/с/√Гц

60 мкg/√Гц

0,01 °/с/√Гц

60 мкg/√Гц

Погрешность от g (с калибровкой)

0,001 °/с/g

0,001 °/с/g

0,006 °/с/g

0,003 °/с/g

Неортогональность

0,05°

0,05°

0,05°

0,05°

0,05°

0,05°

0,05°

0,05°

Нелинейность (от полного диапазона)

0,1%

0,5%

0,1%

0,1%

0,03%

0,1%

0,01%

0,1%

Примечание. *Возможны нестандартные диапазоны, по запросу.

Таблица 5. Технические характеристики магнитометров и барометров, входящих в состав модулей MTi

Характеристики

MTi 1-series

MTi 600-series

MTi 10-series

MTi 100-series

Магнитометр

Магнитометр

Барометр

Магнитометр

Магнитометр

Барометр

Диапазон измерений

±8 Гс

±8 Гс

300–1100 гПа

±8 Гс

±8 Гс

300–1100 гПа

Шум (с. к. з.)

0,5 мГс

1 мГс

1,2 Па

0,5 мГс

0,5 мГс

3,6 Па

Нелинейность (от полного диапазона)

0,2%

0,2%

0,2%

0,2%

Разрешающая способность

0,25 мГс

0,25 мГс

5 Па

0,25 мГс

0,25 мГс

8 см (на уровне моря, +15 °С)

Таблица 6. Технические характеристики GNSS-приемников, входящих в состав модулей MTi

 

MTi-G-710 GNSS

MTi-680(G) RTK-GNSS/INS

MTi-670(G) GNSS/INS

Тип приемника

72 channel, GPS/QZSS L1 C/A, GLONASS L10F, BeiDou B1, SBAS L1 C/A :
WAAS, EGNOS, MSAS

184 channel, GPS L1C/A L2C, GLO L1OF L2OF, GAL E1B/C E5b, BDS B1l B2l, QZSS L1C/A L2C

Датум

WGS84

WGS84

Частота обновления

4 Гц

4 Гц

Погрешность определения координат в горизонте

Autonomous: 2,5 м CEP

SBAS: 2 CEP

PVT: 1,5 м CEP

RTK: 1 cм CEP

Погрешность по скорости

0,05 м/с

0,05 м/с

Время готовности (холодный старт)

26 с

24 с

Таблица 7. Эксплуатационные характеристики модулей MTi

Характеристики

MTi 1-series

MTi 600-series

MTi 600-series (6xxR/G)

MTi 10-series

MTi 100-series

Напряжение питания

2,19–3,6 В

4,5–24 В

4,5–34 В или 3,3 В

Потребляемая мощность

<100 мВт (при 3 В)

<1 Вт (тип.)

550 мВт (тип., при 5 В)

660 мВт (тип., при 5 В)

Класс защиты IP

IP00

IP51

IP68

IP67 (для корпусированной версии)

Диапазон рабочих температур

–40…+85 °С

Вибрация и удары

MIL-STD-202-201A/204C/214A

Материал корпуса

нет

PC-ABS

анодированный алюминий

Частота выдачи информации

до 800 Гц

1 кГц, 400 Гц SDI

2 кГц, 400 Гц SDI

до 2 кГц

Запаздывание

< 2 мс

Интерфейсы

I2C/SPI/UART

CAN/RS232/UART

CAN/RS232

RS232/RS422/RS485/UART/USB

Опции синхронизации

SyncIn, PPS

SyncIn, SyncOut, Clock sync

Протоколы

XBus, NMEAin

XBus, ASCII (NMEA), CAN

XBus, ASCII (NMEA), CAN

XBus или ASCII (NMEA)

Модули серии MTi 1‑series — это самые маленькие (12,1×12,1 мм), легкие (<1 г) и наиболее экономичные варианты модулей Xsens в форм-факторе для поверхностного монтажа (SMD), совместимые со стандартом JEDEC PLCC‑28 и выпускаемые крупными партиями для серийного потребления в большом объеме.

Модули серии MTi 600‑series с классом пылевлагозащиты IP51 спроектированы как экономичный и простой в интеграции OEM-компонент с малой массой и габаритами. Модуль можно устанавливать двумя способами: либо кверху ногами непосредственно к ответному разъему на печатной плате, либо установить отдельно, присоединив шлейфом к ответному разъему на печатной плате. Варианты модулей MTI‑630R, MTI‑670G и MTI‑680G с классом пылевлагозащиты IP68 имеют прочный алюминиевый корпус, а модели MTI‑670G и MTI‑680G оснащены встроенным приемником GNSS. Еще одна особенность всей серии MTi 600‑series — наличие интерфейса CAN.

Модули серии MTi 10‑series представляют собой вариант инерциального модуля по доступной цене. Они оснащены прочными корпусами из анодированного алюминия и прочными и надежными разъемами push-pull. Серию MTi‑10 легко узнать по алюминиевому серебристому основанию.

Модули серии MTI 100-series — топовый вариант модулей MTi в прочных алюминиевых корпусах, точность которых превосходит обычные модули на базе MEMS-датчиков благодаря использованию высокоточных гироскопов и уникального оптимизационного фильтра, чьи возможности выходят за рамки стандартных расширенных реализаций фильтра Калмана. Кроме того, производится более точная заводская калибровка, с высокой воспроизводимостью и надежностью. MTi 100‑й серии можно узнать по темно-серому или черному основанию и небольшим отверстиям для барометра на боковой стороне корпуса. MTi-G‑710 оснащен дополнительным разъемом SMA для подключения антенны GNSS.

Вариант применения модулей Xsens в беспилотной сельскохозяйственной технике

Рис. 3. Вариант применения модулей Xsens в беспилотной сельскохозяйственной технике

Все серии модулей MTi поставляются с отладочным программным обеспечением MT Software Suite, которое содержит специально разработанный и простой в применении графический пользовательский интерфейс, а также драйверы для различных операционных систем и позволяет быстро начать работу с модулем. Помимо этого, ПО предлагает множество других полезных инструментов, примеры исходного кода и документацию.

Вариант применения модулей Xsens в беспилотных летательных аппаратах

Рис. 4. Вариант применения модулей Xsens в беспилотных летательных аппаратах

В завершение описания модулей Xsens хотелось бы немного подробней коснуться областей применения этих устройств (рис. 3–6), так как их количество растет с каждым годом. В настоящее время проводится много исследований и разработок в сфере автономных наземных транспортных средств и систем помощи водителю. Причем список применений обширен: начиная от автономных грузовиков и легковых автомобилей и поездов до мобильных роботов и автоматизированных систем для 3D-съемки. Особо следует выделить решения для складских помещений и логистики, в которых взят курс на максимальную автоматизацию и переход к «Индустрии 4.0», где отслеживание движения играет важную роль. Уже сейчас здесь используется робототехника, автономные транспортные средства, сенсорные технологии и «Интернет вещей» (IoT). Устройства, предлагаемые компанией Xsens, могут быть использованы в любой из этих областей, поскольку удовлетворяют всем специфическим требованиям при решении задач ориентации и навигации для объектов вне и внутри помещения, а также под землей. Например, гирогоризонт (VRU) обеспечивает вывод данных по крену, тангажу и курсу без привязки к магнитному полю Земли, что делает его оптимальным решением для использования в условиях с высокими магнитными возмущениями в закрытых помещениях и подземных складах. Или, например, модули MTi 600‑й серии, поддерживающие интерфейс CAN, а также оснащенные приемником GNSS, что делает их незаменимыми для использования в автомобильных системах.

Вариант применения модулей Xsens в морской тематике

Рис. 5. Вариант применения модулей Xsens в морской тематике

Классическими вариантами являются авиационные и морские применения. Авиационные применения включают системы управления беспилотными дронами, например для обследования территории или перемещения грузов, а также системы стабилизации камер, в том числе для киноиндустрии. В морских применениях базовыми являются задачи, связанные с управлением движением морских судов и беспилотных дронов, причем на территории портов это становится особо сложной задачей из-за необходимости учитывать большое количество различных факторов, включая сильно изменяющееся движение воды и воздуха. Перечень задач для морских применений, где требуется получать данные об углах ориентации и координатах объекта, весьма обширен и не ограничивается указанными примерами: сюда можно отнести и управление автономными подводными аппаратами, и решение задачи поддержания положения судна в условиях течения, и задачу стабилизации углового положения платформы для камер или антенн, и определение направления течения на поверхности и на глубине, и картографирование морского дна с высокой степенью детализации, и системы наблюдения в порту и на судах. Для всех указанных задач надежность и точность имеют первостепенное значение, но помимо этого, как правило, существуют требования по низкому энергопотреблению, высокоскоростной обработке и выдаче информации, малой массе и габаритам. Надежное аппаратное и программное обеспечение модулей MTi наряду с фильтрами, обеспечивающими защиту от магнитных искажений, и широкий выбор вариантов модулей по эксплуатационным характеристикам делают решения от Xsens более чем подходящими для указанных применений. В дополнение к упомянутым применениям, где могут эксплуатироваться инерциальные модули компании Xsens, следует упомянуть такие сферы, как сельское и лесное хозяйство, автомобильные испытания, добыча полезных ископаемых, цифровое картографирование и геодезия.

Вариант применения модулей Xsens для подводных аппаратов

Рис. 6. Вариант применения модулей Xsens для подводных аппаратов

Благодаря богатому функционалу различных серий модулей MTi, их точностным и эксплуатационным характеристикам, решения компании Xsens перекрывают большое количество требований в той или иной области применения. А наличие удобного программного обеспечения и квалифицированная техническая поддержка позволяют инженерам-разработчикам получить надежное решение с минимальными затратами времени и ресурсов на интеграцию модулей MTi в разрабатываемую систему.

Литература
  1. Vydhyanathan A., Bellusci G. The Next Generation Xsens Motion Trackers for Industrial Applications. Xsens White Paper, 2018.
  2. Пономарёв Ю. А. Инерциальные модули компании Xsens: объединение последних достижений науки в миниатюрном формате // Компоненты и технологии 2017. №7
  3. IEEE Standard for inertial systems terminology, IEEEStd 1559-2009. 2009.
  4. base.xsens.com/s/?language=en_US
  5. xsens.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *