roboforum.ru

Предлагаю собирать в одном месте всё что связано с инерциальными датчиками и их использовании в роботах.

Можно выделить две группы продуктов на рынке
1) отдельные микросхемы гироскоп,акселерометр, компас (в различных комбинациях в одном чипе) часто продаются как готовый модуль (например MinIMU-9 v5 - 15$)
2) готовые модули для навигации (AHRS, Курсовертикаль если верить википедии) например x-IMU Board- £249.00

Отдельные модули стоят дешевле и позволяют самому смешивать данные для получения результата, для многих микросхем есть уже готовые библиотеки для arduino, что сильно упрощает старт (но не решение).

Отельно стоит упомянуть микросхему MPU-6050 и более новые аналоги, хоть это и отдельная микросхема однако она позволяет загрузить "прошивку" DMP и тем самым получить на выходе готовые углы Эйлера, это самый дешёвый вариант "практически готовой" AHRS системы для тех кому бы попроще и подешевле и чтобы хоть как то работало.
Работает всё неплохо кроме курса, курс уплывает, его можно скомпенсировать дополнительным компасом в ардуине (например MPU-9250), в таком варианте получится неплохое решение для шлема.
пример https://github.com/jrowberg/i2cdevlib/b ... onApps41.h

про готовые модули много рассказать не могу т.к. у меня есть только один такой модуль который показывает только курс (yaw), врёт также как и другие датчики.

Выбор датчиков.

Вот здесь post327592.html#p327592
мы с Дмитрием обсуждали различные датчики и их характеристики, и хотя наши мнения по некоторым пунктам не совпадают, они хорошо отражают различный подход к проблеме несовершенности датчиков.

Нужно признать что все датчики врут но с разной силой, поэтому первая задача которую нужно решить - какие датчики выбрать.

Неплохой документ который охватывает ключевые параметры и методики их расчёта

Гироскоп, ключевые параметры:
Full-scale range (dps) - диапазон чувствительности градус/сек.
Этот параметр определяет допустимый диапазон скоростей гироскопа.
Если приложенные скорости выйдут за допустимый диапазон сигнал датчика будет ограничен максимальным значением.

Zero-rate level (V or LSBs) - уровень нулевой скорости в вольтах или последние значащие биты.
Этот параметр означает нулевое значение которое будет показывать гироскоп когда на него не действует никакая угловая скорость.
Этот параметр не зависит от напряжения питания и в идеальном случае должен быть равен опорному напряжению Vref аналогово гироскопа.


Sensitivity (mV/dps or mdps/LSB) - чувствительность (mV/градус/сек) или (мили градус/на бит)
Определяет отношение между 1градус/сек. и изменением аналогового значения (т.е. на сколько mV изменяется сигнал при скорости 1град./сек)
Данный параметр необходим для того чтобы перевести значения показаний гироскопа mV в формат градусы/сек.
Для цифровых гироскопов чувствительность это сколько миллиградусов в одном бите. Т.е. умножая измеренное значение на чувствительность мы получаем значение в градусы/сек.

Sensitivity change vs. temperature (%/°C) - изменение чувствительности в зависимости от температуры (процент/градус Цельсия)
Zero-rate level change vs. temperature (dps/°C): - изменение нулевого значения в зависимости от температуры.

System bandwidth (Hz) - полоса пропускания сигнала (фильтр нижних частот), т.е. какую максимальную частоту изменения угловой скорости может измерить датчик.
В цифровых гироскопах есть специальный регистр который позволяет задавать параметры фильтра.
или вот такое описание
Frequency response is often represented as “bandwidth” in specification tables for IMUs and gyroscopes. As a performance parameter, it represents the frequency at which the output magnitude drops to about 70% (–3 dB) of the actual magnitude of motion that the sensor is experiencing. In some cases, bandwidth may also be defined by the frequency at which the output response lags the actual motion by 90 degrees (for a 2-pole system). Both of these metrics can directly impact an important stability criterion for a control loop: unity-gain phase margin—the difference between the actual phase angle of the loop response and –180° at a loop gain of 1. Understanding the frequency response of the feedback sensor is a key factor in optimizing the trade-off between stability assurance and system response. In addition to managing stability criteria, the frequency response also has a direct impact on vibration rejection and establishing a sampling strategy that allows all critical transient information on an inertial platform to be measured.


Rate noise density (dps/√ Hz)
Этот параметр определяет разрешение которое можно получить от гироскопа при текущей полосе пропускания.
Большая полоса пропускания приводит к большей величине шума и уменьшению разрешения.
Этот параметр эквивалент (angular random walk in (degree/√hour.))

В общем в документе представленном выше очень хвалят L3G4200D и в доказательство приводят вот такой график


Шум гироскопов определяют (характеризуют) по кривой дисперсии Аллана.

Не все производители предоставляют такую кривую для своих чипов, но большинство тех кто претендует на звание качественного и точного продукта предоставляют как минимум параметр Rate noise density (dps/√Hz, град/сек/√Гц)


Таблица шумов гироскопов от разных производителей:
L3G4200D - шум(Gyro) noise density - 0,03 (град/сек/√Гц)
iNEMO-M1 - шум(G) 0,03
L3GD20 - шум(G) - неизвестен
L3GD20H - шум(G) - 0.011
LSM6DS33 - шум(G) - 0,007 (установлен в MinIMU-9 v5) [$16]
LSM6DS33H - шум(G) - 0,006
BMI160 - шум(G) - 0.014 °/s/√Hz [$3.5]
BMX55 - шум(G): 0.014 °/s/√Hz
BMX160 -шум(G) - 0.008 °/s/ √Hz
ADIS16135 -шум(G) - 0.0122 °/s/ √Hz [$499.00]
ADIS16136 -шум(G) - неизвестно (судя по цене между 0.0122 и 0.00357) [$649.00]
ADIS16137 -шум(G) - 0.00357 °/s/ √Hz [$689.00]
ITG-3701 -шум(G) - 0.02 °/s/ √Hz (но широкий диапазон +-4000°/s)
ICG-20330 -шум(G) - 0.005 °/s/ √Hz (позиционируется как для optical image stabilizatio)
IAM-20680 -шум(G) - 0.008 °/s/ √Hz (+-2000°/s)

мне интересно кто что думает по этому поводу?

зы
где брал параметры
http://www.analog.com/ru/products/mems/ ... stems.html
http://www.st.com/content/st_com/en/pro ... tId=SC1448
https://www.bosch-sensortec.com/bst/pro ... lspalte_77
https://www.invensense.com/products/mot ... /itg-3701/


Теория:

Тут что-то тишина, поэтому решил высказать лично мнение что тема интересная и нужная.
Некоторое время назад потратил день на разборки какой же IMU взять, но так и не выбрал.
А тут сразу хороший совет (это я про MinIMU), вполне доступный (с оговоркой что на ebay есть только третья версия).

[самоудалилось]

Тема сложная и не попсовая поэтому тут вряд ли будут толпы народа.

От себя ещё немного добавлю.
Компания invensense (разработчик MPU-6050 и других датчиков) позиционирует себя как "самая первая ..."
очень часто в рекламе звучит эта фраза, создаётся впечатление что другие компании сильно отстают от invensense.

При этом invensense ведёт себя очень "нагло", документацию без регистрации не дают, DMP долгое время была закрыта (её доставали из прошивок андроида) сейчас вроде как доступна для скачивание и есть пример как интегрировать DMP (Embedded Motion), но прошивка предоставляется в бинарном виде (HEX) и некоторые модули для работы с ней тоже в скомпилированном виде для разных архитектур в том числе ARM m2,m3
Если проводить аналогии из мира PC то эта компания что то типа nvidia.

Но с другой стороны видно что они прикладывают много усилий чтобы выжать из своих чипов максимум , в Motion Driver 6.0 заявлена автокалибровка гиро,акселя и компаса в том числе и вовремя работы.
Motion Driver 6.0 Features
This is a quick overview on the MD6 features.
DMP Features:
o 3/6 Axis Low Power Quaternions
o Tap, Orientation, and Pedometer Gesture Detections
MPL Algorithms:
o Run Time Gyro Calibration
o Run Time Gyro Temperature Compensation
o Run Time Compass Calibration
o Run Time Magnetic Disturbance Rejection
o 3/6/9 Axis Sensor Fusion
Я пока не пробовал но если всё так как заявлено то это реально круто и в случае с роботом должно дать очень хорошие результаты, например если робот не двигается алгоритм будет компенсировать дрейф гиро и показания будут оставаться стабильными, а как они калибруют компас на ходу для меня загадка.

Пожалуй если требуется просто готовый модуль и максимально качественный софт то решения от invensense выигрывают.

В случае с STM вам придётся самим реализовывать алгоритм AHRS и разбираться в тонкостях работы гироскопа акселя и компаса.

В случае с аналоговыми чипами от Analog devices вам ещё и аналоговую часть придётся реализовывать самим, а это очень не просто.

Если посмотреть на параметры шума можно выделить три класса точности
0.03
0.01
< 0.008

Замечательно то что в классе < 0.008 появились недорогие чипы <$10 от STM и bosh по идее их показания должны быть стабильнее чем у предыдущего поколения и это должно быть видно невооруженным глазом.

Добавлено спустя 1 час 53 минуты 51 секунду:
зарегистрировался у invensense, скачал Motion Driver 6.12
там заявлены следующие прикольные фишки

Gyro Calibration (Fast No Motion)
Run-time calibration routine. Once a no motion state is detected the gyro
calibration will trigger. Calibration will complete within .5 seconds of no
motion state detection.

Gyro Temperature Compensation
After each gyro calibration, the MPL will record the internal temperature.
After several data points the MPL will be able to build a multi-point
temperature slope for the gyro and apply it along with the calibration biases.
This will compensate for gyro drift due to temperature.

Compass Calibration
Run-time hard iron compass calibration for MPU9150 and MPU9250. MPL
reads and builds the magnetic field environment around the device. Once
enough data is present the compass offset can be applied and 9-axis
quaternions can be generated.
If you are in an environment with unstable magnetic field the compass will
not get calibrated. If compass is not calibrated the quaternions will only use
6-axis.
Figure 8 motions on the device will quicken the calibration.

Mag Disturbance Rejection
After calibration the MPL library will keep track of the magnetic field and if
there is an anomy detected, the MPL library will reject the compass data
and switch back to 6-axis fusion.
After a magnetic disturbance is detected, the MPL library will continue to
check the compass data every 5 seconds. At each check if the disturbance
is no longer there, it will switch back to 9-axis fusion...otherwise it will
continue to reject the data.

сначала удивился как они калибруют компас в реалтайме, потом понял, судя по фразе "Figure 8 motions on the device will quicken the calibration."
они реализовали детектирование особого жеста, когда его видят включают стандартную калибровку hard iron, т.е. поиск параметров эллипса и натягивание его на шар.
короче полезно для шлемов (и не только),чтобы юзер без напряга откалибровал под текущие магнитные условия.

Добавлено спустя 6 минут:
Кстати, не всё они реализуют в прошивке DMP (которая загружается в сенсор),
часть они реализуют на стороне внешнего микроконтроллера в виде предкомпелированной библиотеки MPL, функции которой нужно дёргать чтобы получить дополнительный функционал.

Измерение угловой скорости при помощи МЭМС-гироскопа

МЭМС-гироскоп, используемый в системе Seekur, выдает показания о скорости вращения относительно вертикальной оси (по углу рыскания), которая в навигационной системе координат робота ориентирована по нормали к поверхности земли. Математически выражение для определения относительного курса (формула 1) представляет собой простое интегрирование измеренной угловой скорости по фиксированному интервалу времени (от t1 до t2):
Формула

Одно из ключевых достоинств этого подхода заключается в том, что, будучи прикрепленным к раме робота, гироскоп измеряет реальное движение аппарата независимо от величины передаточного отношения, люфта, геометрии шины или целостности контакта с поверхностью. В то же время оценка курса зависит от погрешности датчика, которая, в свою очередь, является функцией следующих параметров: погрешности смещения нуля, шума, стабильности и чувствительности.

Как показывает формула 2, систематическая (постоянная) погрешность смещения нуля, ωBE, преобразуется в скорость дрейфа оценки направления:
Формула

Погрешности смещения нуля подразделяются на две категории: систематическую и погрешность, зависящую от условий применения. Система Seekur оценивает систематические погрешности смещения нуля, когда она находится в статическом положении. Для этого необходимо, чтобы навигационный компьютер мог распознавать моменты, когда запросы на изменение положения не отрабатываются. В данном случае процедура оценки смещения и обновления поправочного коэффициента упрощается. Точность этой процедуры зависит от шума датчика и количества времени, доступного для сбора данных и оценивания погрешности. Взаимосвязь между точностью оценки смещения нуля и временем усреднения помогает установить кривая дисперсии Аллана (рис. 5). График соответствует ADIS16265 — МЭМС-гироскопу семейства iSensor, аналогичному тому, что используется в системе Seekur, и позволяет определить оптимальное время интегрирования показаний гироскопа. Для системы Seekur погрешность смещения на уровне ниже 0,01°/с может быть получена при времени усреднения более 20 с, а оптимальная оценка достигается при интервале усреднения около 100 с.
Кривая дисперсии Аллана

Рис. 5. Кривая дисперсии Аллана

Дисперсия Аллана также позволяет оценить оптимальный интервал интегрирования (τ = t2–t1). Минимальное значение этой кривой обычно принимают за величину стабильности смещения нуля в установившихся условиях. Оптимальные оценки направления достигаются при выборе интервала интегрирования, τ, равного точке на оси абсцисс, которая соответствует этому минимальному значению для используемого в системе гироскопа.

Погрешности, зависящие от условий применения, такие как температурный коэффициент смещения, также влияют на показатели системы. Они определяют то, как часто робот должен останавливаться для обновления корректирующего коэффициента смещения. Использование предварительно откалиброванных датчиков помогает справиться с большинством типовых источников погрешностей, таких как изменения температуры и напряжения питания.

Так, например, замена ADIS16060 на предварительно откалиброванный датчик ADIS16265 может привести к увеличению габаритов, стоимости и энергопотребления, но в то же время дает улучшение температурной стабильности в 18 раз. При изменении температуры на 2 °C максимальное смещение ADIS1606 составляет 0,22°/с, а максимальное смещение ADIS16265 — всего 0,012°/с.

Погрешность чувствительности пропорциональна реальному изменению направления, как показывает формула:
Формула

Погрешность чувствительности многих коммерческих МЭМС-датчиков составляет от ±5% до более ±20%, и для ее минимизации необходима калибровка. Предварительно откалиброванные МЭМС-гироскопы, такие как ADIS16265 и ADIS16135, обладают погрешностью чувствительности менее ±1%, а в контролируемых условиях она еще ниже.
Возможное развитие системы

В следующем поколении роботов, подобных системе Seekur, можно заменить гироскопы полностью интегрированными МЭМС-датчиками с шестью степенями свободы. Подход с измерением только по углу рыскания полезен, однако наш мир не является плоским, и во многих существующих системах или системах будущего для учета рельефа поверхности и дополнительного повышения точности могут быть использованы интегрированные МЭМС-модули.

http://www.kit-e.ru/articles/sensor/2012_1_48.php


Инструкция по калибровке adis16260 (кривая дисперсии представлена выше)
чтобы получить текущее значение смещения нуля нужно усреднять в течение 150 секунд!

коллеги, подскажите достаточно ли по характеристикам гироскопа внутри макро сборки ti.com/sensortag для анализа характера движения 3D принтера (скорости до 500мм/с ускорения до 3000 мм/с*с)
дока http://www.ti.com/lit/ug/tidu862/tidu862.pdf
И как оттуда инфу вытаскивать? оригинальные прошивки отправляют по блютуз инфу, но мне кажется это очень неспешный канал передачи данных

там установлен гиро, аксель, магнетометр MPU-9250 по ускорениям вы пролазите

есть примеры от IT http://processors.wiki.ti.com/index.php ... er's_Guide
а есть вот такой проект https://github.com/energia/Energia

только как именно вы собрались делать анализ движения? что вас интересует?

хочу прикрутить эту сборку к каретке и попробовать погонять механику с разными скоростями и ускорениями, а так же колебательные движения на предмет поиска резонансной частоты, дабы ее в прошивке исключить.

в таком случае сырых данных акселя и гиро будет достаточно, нужно простое логгирование,
потом обработать в любом матлабе.

с тем же успехом можно купить на ебее плату MPU6050 подключить к ардуине и гнать бинарные данные по USB, до 2Мбод тянет
только не все резонансные частоты будет хорошо видно, гиро и аксель имеют встроенные ФНЧ

Определение угла наклона акселерометром

linvinus писал(а):Так, например, замена ADIS16060 на предварительно откалиброванный датчик ADIS16265 может привести к увеличению габаритов, стоимости и энергопотребления, но в то же время дает улучшение температурной стабильности в 18 раз.

Смотрю, тебе все больше адисы начинают нравиться
Почитал твою переписку "мы с Дмитрием обсуждали". Умный чуваг этот Дмитрий. Много здравых мыслей

setar писал(а):коллеги, подскажите достаточно ли по характеристикам гироскопа внутри макро сборки ti.com/sensortag для анализа характера движения 3D принтера

Тебе только акселерометры нужны. Я бы взял какой-нибудь дорогой от аналог девиц. Для анализа вибраций можно использовать аксель с аналоговым выходом и осцилл, будет нагляднее...
Еще можно поставить пару акселей с разным диапазоном g. С узким диапазоном - для измерений расстояний (кста, зачем?). С широким - вибрации, ударные ускорения. Он будет более высокочастотный.
Про логи, думаю, можно забыть, там частоты семплирования очень высокие.

Добавлено спустя 1 минуту 41 секунду:
Надо гуглить "измерение вибраций акселерометрами", вот одна из первых ссылок:
http://impuls-vibro.ru/privilni_vibor_aclelerometra.html

Смотрю, тебе все больше адисы начинают нравиться

это не мои слова, я часть статьи привёл.

аналоговыедевицы не нравятся ценой, кроме того если посмотреть по шумам то появились недорогие приборы <$20 с сопоставимыми шумами <0.008,см первый пост

Я не фанат apple но наличие вот такого приложения это большой плюс, к сожалению для андроида аналога нет.


вот так легко инерциальные системы навигации применяются в быту. (я про измерение расстояния - как рулетка- посредством встроенных mems сенсоров)
Для андроида вроде как был аналог SuperRuler но я не смог найти его в маркете.

кстати в iphone 6 установлен MP67B это вроде как специализированный датчик от InvenSense на основе MPU-6500

linvinus писал(а):аналоговыедевицы не нравятся ценой, кроме того если посмотреть по шумам то появились недорогие приборы <$20 с сопоставимыми шумами <0.008,см первый пост

Чтоб сравнивать цены, надо сравнивать все характеристики Шум - не единственный ответственный параметр гироскопа...

просто многие вообще о таких мелочах как шум, не задумываются, я когда первые датчики покупал опирался на отзывы тех кто смог запустить AHRS и поделился этим с народом, т.е. по роликам на youtube =)

сейчас я предлагаю подходить более научно, в конечном итоге хочется понять почему следует взять именно этот датчик а не другой, и какой результат можно ожидать.

я помню вашу позицию - всё что ниже $50 - хлам.
Но и задачи могут быть разными, кому то нужна навигация на расстоянии сотен метров, а кому то и единиц метров достаточно.