Quelque chose bouge - mais si possible pas de telle manière qu'il y ait des perturbations dans une séquence opérationnelle et certainement pas des accidents. TWK apporte sa contribution par la fusion de capteurs avec un gyroscope et propose des capteurs d'inclinaison avec correction gyroscopique. Gyros vient du grec et signifie rotation - il s'agit donc de mouvements de rotation. C'est la combinaison intelligente de signaux de mesure et d'un signal de sortie corrigé qui affiche avec précision l'angle de mesure, même dans des conditions de fonctionnement défavorables.
Quelle est la tâche ?
C'est une question de mesure d'inclinaison. Une méthode peu coûteuse et néanmoins bonne est d'utiliser des capteurs dits MEMS. Ces puces électroniques sont petites et se composent de structures électroniques et micromécaniques, c'est-à-dire qu'en plus des circuits microélectroniques habituels, des structures mécaniques mobiles sont également présentes dans les puces. Ces structures se déforment lorsque la force g de la Terre agit sur elles. En même temps, les condensateurs formés par ces structures changent. Celles-ci sont mesurées et un angle d'inclinaison est calculé et produit.
Cependant, si cette cellule MEMS est exposée à des accélérations autres que l'accélération due à la gravité - qu'il s'agisse de vibrations ou d'accélérations dans un véhicule - ces structures MEMS sont également déplacées et une valeur d'inclinaison falsifiée est sortie. Le régulateur raccordé peut réagir de manière incorrecte et provoquer un accident - par exemple avec une machine mobile : grues mobiles, pompes à béton, chariots élévateurs à fourche, etc. Les structures MEMS sont également déplacées et une valeur d'inclinaison falsifiée est sortie.
Maintenant, le gyroscope entre en jeu. C'est un capteur de vitesse de rotation, également en technologie MEMS. Cependant, les structures micromécaniques sont conçues de telle sorte que les vitesses angulaires (°/s) sont mesurées et délivrées comme signal de sortie. Il mesure donc les changements d'angle d'inclinaison et non l'angle d'inclinaison lui-même lorsque le gyroscope MEMS tourne autour de son propre axe ou d'un axe étendu. L'avantage est que les accélérations linéaires mentionnées ci-dessus, qui interfèrent avec le capteur MEMS d'accélération, n'affectent pas le capteur MEMS du gyroscope car elles ne représentent pas une rotation.
Quelque chose bouge - mais si possible pas de telle manière qu'il y ait des perturbations dans une séquence opérationnelle et certainement pas des accidents. TWK apporte sa contribution par la fusion de capteurs avec un gyroscope et propose des capteurs d'inclinaison avec correction gyroscopique. Gyros vient du grec et signifie rotation - il s'agit donc de mouvements de rotation. C'est la combinaison intelligente de signaux de mesure et d'un signal de sortie corrigé qui affiche avec précision l'angle de mesure, même dans des conditions de fonctionnement défavorables.
Quelle est la tâche ?
C'est une question de mesure d'inclinaison. Une méthode peu coûteuse et néanmoins bonne est d'utiliser des capteurs dits MEMS. Ces puces électroniques sont petites et se composent de structures électroniques et micromécaniques, c'est-à-dire qu'en plus des circuits microélectroniques habituels, des structures mécaniques mobiles sont également présentes dans les puces. Ces structures se déforment lorsque la force g de la Terre agit sur elles. En même temps, les condensateurs formés par ces structures changent. Celles-ci sont mesurées et un angle d'inclinaison est calculé et produit.
Cependant, si cette cellule MEMS est exposée à des accélérations autres que l'accélération due à la gravité - qu'il s'agisse de vibrations ou d'accélérations dans un véhicule - ces structures MEMS sont également déplacées et une valeur d'inclinaison falsifiée est sortie. Le régulateur raccordé peut réagir de manière incorrecte et provoquer un accident - par exemple avec une machine mobile : grues mobiles, pompes à béton, chariots élévateurs à fourche, etc. Les structures MEMS sont également déplacées et une valeur d'inclinaison falsifiée est sortie.
Maintenant, le gyroscope entre en jeu. C'est un capteur de vitesse de rotation, également en technologie MEMS. Cependant, les structures micromécaniques sont conçues de telle sorte que les vitesses angulaires (°/s) sont mesurées et délivrées comme signal de sortie. Il mesure donc les changements d'angle d'inclinaison et non l'angle d'inclinaison lui-même lorsque le gyroscope MEMS tourne autour de son propre axe ou d'un axe étendu. L'avantage est que les accélérations linéaires mentionnées ci-dessus, qui interfèrent avec le capteur MEMS d'accélération, n'affectent pas le capteur MEMS du gyroscope car elles ne représentent pas une rotation.
Comment combiner ces deux capteurs pour former un système de mesure d'inclinaison insensible aux interférences ?
Avec fusion des données des capteurs et filtre de Kalman ! La solution consiste à fusionner les deux signaux de mesure et à les optimiser à l'aide d'un filtre spécifique, le filtre de Kalman. Cette technique de filtrage permet de calculer, de corriger et de prédire la valeur de mesure à sortir, c'est-à-dire de la déterminer peu de temps à l'avance. Ceci est nécessaire car le capteur d'accélération ne peut pas fournir une lecture exacte de l'inclinaison lorsque des accélérations de perturbations dynamiques se produisent. Les valeurs de sortie suivantes sont d'abord estimées en temps réel (<1 ms temps de cycle) à l'aide d'un algorithme récursif sur la base des valeurs mesurées précédentes et optimisées en continu à l'aide de nouvelles valeurs de mesure réelles. Pour que le signal du capteur de vitesse de rotation puisse être ajouté, il doit d'abord être intégré dans le temps. Enfin, une série de paramètres permet d'optimiser au mieux le système, de lisser les valeurs mesurées et, si nécessaire, de les adapter aux conditions spécifiques de l'application. Toutes les simulations et mesures possibles liées à l'application chez TWK montrent que le système de fusion-capteur fonctionne avec précision et fiabilité et permet des cadences de mise à jour nettement inférieures à 1 ms - notamment grâce à une programmation intelligente et " peu encombrante " dans le contrôleur.
L'image (filtre de Kalman) montre une mesure de changement d'inclinaison avec des composantes d'interférence (rouge). Une simple moyenne de plus de 1000 valeurs (en vert) des données d'accélération pures peut lisser les vibrations modérées, mais provoque un retard sensible (~1 s). La combinaison des deux capteurs via le filtre Kalman (bleu) conduit à un comportement presque idéal.
Ce système de capteurs garantit non seulement un fonctionnement sûr et sans danger pour les machines mobiles, mais aussi pendant le fonctionnement des moteurs, des pompes hydrauliques ou d'autres actions qui génèrent de fortes vibrations. Il mesure avec plus de précision et de rapidité que les capteurs précédents et est largement insensible aux accélérations parasites ainsi qu'aux déformations transversales. Ces capteurs sont très bien adaptés aux applications avec des exigences dynamiques où des angles d'inclinaison précis doivent être mesurés en continu et transmis à un système de contrôle.
Où peuvent-ils être utilisés ?
Les pompes à béton mobiles sont un bon exemple de l'utilisation de capteurs fusionnés. Ces véhicules se rendent sur un chantier de construction, sont alignés - c'est-à-dire que le train de roulement est réglé horizontalement - et la flèche avec le coffre est allongée. Le train de roulement et la flèche sont équipés de capteurs d'inclinaison - si tout se passe bien. Mais si la pompe à béton délivre maintenant le béton, il y a des coups courts mais forts. Les accélérations qui se produisent interfèrent avec la mesure de l'inclinaison. Le signal du gyroscope est'zéro' malgré l'accélération de la perturbation linéaire. L'algorithme de calcul reconnaît alors qu'il n'y a pas de changement d'inclinaison et conserve la valeur d'inclinaison précédente, qui est maintenant soumise à de fortes fluctuations du côté des MEMS. Si l'inclinaison change exactement au moment de la perturbation, le gyroscope délivre une variation en °/s dont l'intégrale n'est pas "zéro". Les deux valeurs sont prises en compte par le filtre de Kalman et utilisées à nouveau pour générer une valeur de pente utile.
Les capteurs combinés ont une plage de température de fonctionnement de -40° à +85° C et mesurent des angles d'inclinaison jusqu'à ±100° avec une résolution de 0,01° et une précision dans la plage de ±0,1°. Le temps de réponse est de 0,1 s. Il peut être mesuré avec un ou deux axes. Le boîtier robuste en aluminium résiste même aux conditions environnementales défavorables avec un indice de protection IP67. Des degrés de protection jusqu'à IP69K sont possibles.
