CAPTEUR D'INCLINAISON AVEC GYROSCOPE
"LA SÉCURITÉ DOIT ÊTRE RESPECTÉE DANS CHAQUE LIGNE DE PROGRAMME."
Au printemps, TWK-Elektronik a annoncé une innovation de produit qui fusionne les capteurs. Hannwelm Steinebach et Felix Steinebach, tous deux directeurs généraux de l'entreprise, nous ont parlé du contexte technique de la "fusion des capteurs".
Dr Hannwelm Steinebach, que pouvez-vous imaginer par fusion de capteurs ?
H. Steinebach : Eh bien : Il s'agit de mesurer l'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 un accident peut se produire.
Quels sont les avantages de cette combinaison de deux capteurs ?
F. Steinebach : 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. Toutes les simulations et mesures orientées application possibles chez TWK montrent que le système de fusion des capteurs fonctionne avec précision et fiabilité.
Quelles sont les applications typiques de ce type de capteur ?
F. Steinebach : Les principales applications sont les machines mobiles : grues mobiles, chariots élévateurs à fourche, etc. 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 - dans la mesure où tout va bien. Mais si la pompe à béton délivre maintenant le béton, il y a des coups courts mais forts.
H. Steinebach : 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.
Est-il difficile de développer un tel capteur ? Existe-t-il des obstacles plus importants que le développement d'un capteur "conventionnel" ?
H. Steinebach : La partie principale du développement dans de tels cas est les mathématiques. Vous devez adapter les deux signaux du capteur - composés de l'inclinaison et de la vitesse de rotation - l'un à l'autre et les combiner en un seul signal d'inclinaison corrigé - on pourrait aussi dire un bon -. Nous avons opté pour les mathématiques du filtre de Kalman, dont la théorie doit bien sûr être étudiée et comprise pour que quelque chose de raisonnable puisse être réalisé.
Quel est le rôle du logiciel ? Les données doivent être fusionnées et traitées : Comment cela se produit-il ?
H. Steinebach : Il y a un point important dont vous parlez ici : Le logiciel - aussi appelé firmware - joue un rôle considérable. Beaucoup de logiciels doivent être écrits en rapport avec les mathématiques que je viens de mentionner, ce qui est aussi un défi pour les programmeurs. Le traitement des données des deux capteurs dans le régulateur doit également être effectué rapidement. On veut avoir un système en temps réel qui réagit rapidement. Nous travaillons avec des matrices multidimensionnelles qui sont constamment ajustées et corrigées les unes par rapport aux autres afin, selon la théorie du filtre de Kalman, d'obtenir finalement un signal de sortie qui peut être utilisé dans presque toutes les situations. Un autre aspect important est la mise en œuvre de la technologie de sécurité, car nous développons également des capteurs de sécurité certifiés. Pour parler franchement, il faut en tenir compte dans chaque ligne de programme.
Puisque le logiciel est si important : Dans quelle mesure est-il difficile pour vous, en tant que fabricant de capteurs, de mettre en place ou d'acquérir le savoir-faire informatique nécessaire ?
F. Steinebach : Depuis des décennies que nous construisons des capteurs avec un haut niveau de développement et de production, TWK a atteint un niveau de savoir-faire extraordinairement élevé en matière de développement matériel et logiciel. Nous pouvons accomplir ces tâches nous-mêmes - comme c'est maintenant le cas avec la fusion de capteurs. Notre expérience est transmise des "anciens serviteurs" aux nouveaux employés et les nouveaux employés apportent naturellement de nouvelles perspectives et idées avec eux, de sorte que nous sommes très bien positionnés et que nous n'avons pas besoin de recourir à des forges logicielles externes. Cela fonctionne très bien - également en ce qui concerne la technologie de sécurité déjà mentionnée.
Quelles tendances avez-vous identifiées dans la technologie des capteurs des machines mobiles ?
H. Steinebach : Nous observons une tendance vers de plus en plus de capteurs "intelligents". Cela signifie que les capteurs individuels ne délivrent pas seulement leurs signaux de sortie, mais qu'ils disposent également de fonctions supplémentaires, telles que la compensation des vibrations parasites ou des contacts de commutation supplémentaires qui commutent lorsque les valeurs limites sont atteintes, par exemple l'angle de rotation maximum. Les signaux de vitesse et d'accélération sont déjà générés dans le capteur rotatif, les signaux de sortie sont disponibles en 250 cycles μs, mot clé PROFIdrive et bien plus encore. Enfin, nous disposons désormais de toute une série de capteurs d'accélération dotés de nombreuses fonctions qui détectent les vibrations sur les machines et augmentent la sécurité et la longévité des machines mobiles à ce stade. Il s'agit là d'un large éventail.