Chytré zariadenia v priemysle (6)

Aplikácie inerciálnych navigačných jednotiek.
Chytré zariadenia v priemysle (6)

V priemysle rovnako ako v mnohých iných aplikáciách určených pre chytré zariadenia je často dôležité sledovanie orientácie, pohybu a polohy zariadení. Na mikroúrovni hovoríme o kombinácii rôznych fyzikálnych veličín vrátane lineárnej akcelerácie, uhlového zrýchlenia, magnetizmu a podobne. Veľká väčšina chytrých zariadení, ako je všeobecne známe, disponuje vo veľkej miere zabudovanými senzormi pohybu, vibrácií či polohy, čo má nesmierny význam v mnohých oblastiach od herného priemyslu až po sledovanie porúch zložitých systémov. Interné senzory zariadení (napr. smartfónov, smart hodiniek) sú však väčšinou vhodné pre tie oblasti, kde sa nevyžaduje vysoká presnosť a rozsah senzora, odolnosť proti šumu a stabilná vzorkovacia frekvencia. Práve v takýchto oblastiach je nevyhnutné používať externé senzorické bloky, pri ktorých vieme zabezpečiť požadovanú kvalitu merania.

Inerciálna navigačná jednotka

Inerciálna navigačná jednotka (Inertial measurement unit, IMU) je elektronické zariadenie na meranie pohybu (zrýchlenia, rotácie, zmeny magnetického poľa) či iných fyzikálnych veličín. V súčasnosti sa tieto zariadenia vyrábajú v mnohých vyhotoveniach a veľkostiach s rôznymi spôsobmi komunikácie a napájania. IMU predstavuje kombináciu rôznych senzorov predovšetkým akcelerometra, gyroskopu a magnetometra. Z hardvérového hľadiska ide o senzory MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Tvorí ich mikro (<1 mm) elektromechanický systém, ktorý kombinuje na malých veľkostiach (rádovo 50um) mechanický systém s elektrickým. Pohyby v mechanickom systéme spôsobujú zmeny merateľných elektrických veličín.

Akcelerometer je technické zariadenie na meranie zrýchlenia. Senzory sú realizované systémom MEMS. V senzore je umiestnený objekt s minimálnou hmotnosťou medzi dvomi rovnobežnými vodičmi na silikónovom základe. Hmota je pružne pripevnená k rámu senzora. To vytvára dva miniatúrne vzduchové kondenzátory medzi hmotou a každým z vodičov. Pri pohybe senzora dôjde k posunu hmoty, čo spôsobí merateľnú zmenu kapacity kondenzátora. Túto zmenu následne vyhodnocuje elektronika a výsledkom je zmena akcelerácie. Okrem už opísaného kapacitného akcelerometra MEMS sa používa aj akcelerometer pracujúci v piezoelektrickom systéme. Ide o tri platničky umiestnené nad sebou. Stredná je pohyblivo pripojená k dvom krajným. Každý pohyb tejto strednej platničky, ktorý je spôsobený pohybom celého senzora, vyvolá zmenu odporu na pružnom prichytení. Táto zmena je vyhodnotená ako zmena zrýchlenia [1]. Treba však konštatovať, že akcelerometer je ovplyvnený aj gravitačným zrýchlením Zeme. Zariadenie v pokoji bude vykazovať zrýchlenie cca 9,8 m/s2 vo vertikálnom smere.

Gyroskop je senzor určený na meranie rotácie zariadenia – jeho uhlovej rýchlosti. Podobne ako pri akcelerometroch ide o senzory MEMS. Gyroskop je teda podobne tvorený objektom s malou hmotnosťou umiestneným v ráme, ktorý je flexibilne pripevnený k obalu. Tento objekt sa však na rozdiel od akcelerometra cielene periodicky pohybuje – dochádza k mechanickej rezonancii. Je dôležité, aby bol tento pohyb kolmý na smer snímania senzora. Rám s týmto pohybujúcim sa objektom je potom flexibilne pripevnený k obalu senzora. Pri rotácii dochádza k posunu celého rámu a tento posun je vyhodnotený podobne ako pri akcelerometri. Na obr. 9 vidíme štruktúru gyroskopov od spoločnosti STMictroelectronics.

Výstupom gyroskopu je uhlová rýchlosť v stupňoch za sekundu. Aby sme pochopili fungovanie gyroskopu, predstavíme ešte fungovanie historických „gyroskopov“, založených na rýchlo rotujúcom kolese umiestnenom v ráme, ktorý sa pohyboval v troch osiach. Pohyb rámu neovplyvňuje smer rotácie kolesa, rotuje v smere, v ktorom bolo roztočene. Takýto princíp sa dá jednoducho simulovať na kolese bicykla.

Magnetometer je senzor na meranie magnetického poľa. Rovnako ako predchádzajúce senzory, aj magnetometer je postavený na technológii MEMS. Hojne sa používa pri vyhodnocovaní zmien orientácie. Tento senzor je však citlivý na vonkajšie rušenia, preto sa väčšinou používa v kombinácii s gyroskopom či akcelerometrom. Vonkajšie rušenie magnetometra môžu predstavovať permanentné magnety, dočasné magnetické pole vytvorené v okolí vodičov s premenlivým elektrickým poľom a pod. [4].

Všeobecné využitie IMU

Hlavné využitie IMU už roky nachádzajú v navigácii, riadení a určovaní polohy dopravných prostriedkov, a to predovšetkým v leteckej a námornej doprave. V mnohých oblastiach je použitie IMU doplnené o signál z GPS alebo GLONASS. Bližšie sa pozrieme na využitie IMU v kombinácii so signálom GPS pri navigácii malého leteckého zariadenia – drona. Trh s týmito zariadeniami sa v posledných pár rokoch zniekoľkonásobil a našlo sa mnoho nových využití pre tieto zariadenia. Jednou z dôležitých vlastností týchto zariadení je, že prejavujú istú mieru samostatnosti pri stabilizácii a pohybe vo vzduchu. Helikoptéry (drony s rôznym počtom rotorov) vyžadujú na rozdiel od klasických lietadiel neustálu reguláciu na udržanie stability vo vzduchu. Na základe [5] sa zameriame na opis štvorrotorovej helikoptéry. Helikoptéra je riadená iba zmenou rýchlosti jednotlivých rotorov. Zariadenie je poháňané štyrmi rotormi, pričom dva protiľahlé sa otáčajú v smere a zvyšné dva proti smeru hodinových ručičiek. Vďaka tomuto rozloženiu rotácií je celková rotácia zariadenia pri rovnakých otáčkach všetkých rotorov nulová. Rotácia okolo vertikálnej osi z je dosiahnutá zvýšením otáčok v smere hodinových ručičiek a znížením proti ich smeru – a naopak pre rotáciu do druhej strany. Horizontálne pohyby sa dosahujú zmenou rýchlosti susediacich rotorov. Opisovaný systém využíva signál zo snímačov GPS na určenie polohy v rámci sústavy súradníc WGS-84 a barometrického snímača na určenie výšky a magnetometre na stabilizáciu vozidla.

Ďalšou širokou škálou využitia senzorov je detekcia poškodení pomocou vibrácií (vibrodiagnostika). V tejto oblasti je v poslednom období mnoho nových poznatkov a venuje sa jej široká škála prác. Poškodenie sa v týchto prácach definuje ako udalosť, ktorá ovplyvní okamžitú alebo budúcu funkčnosť zariadenia. Hlavnou myšlienkou, z ktorej vychádzajú systémy na detekciu porúch na základe vibrácií, je, že vibrácie zariadenia sú ovplyvnené jeho fyzickou štruktúrou. Preto môžeme predpokladať, že zmena vo fyzickej štruktúre, napr. poškodenie spojov, strata hmotnosti (súčasti) alebo zmena odporu, vedie k zmene vibrácií daného zariadenia [5]. Na sledovanie týchto prejavov možno použiť niektorý zo senzorov IMU, predovšetkým akcelerometer. Dôvodom, prečo uplatnenie takej jednoduchej myšlienky v praxi trvá dlhý čas, je, že analýza údajov nie je jednoduchá. Porucha je väčšinou lokálna udalosť na určitej časti stroja, ktorá ovplyvňuje najmä vyššiu frekvenciu signálov (čo treba zohľadniť pri výbere vhodných typov senzorov). Tiež amplitúda týchto „poruchových“ signálov nie je vysoká a často bývajú odfiltrované ako šum. Práve sledovanie zmien rezonančnej frekvencie patrí medzi najčastejší spôsob detekcie poruchy [6].

IMU v nositeľných zariadeniach

IMU možno v podobných komerčných produktoch jednoducho a neinvazívne pripevniť aj k ľudskému telu, čo otvára ďalšie možnosti ich využitia. Bežne sa vyskytujú v nositeľných zariadeniach, ako sú chytré hodinky, chytré telefóny či fitness náramky. S ich využitím možno sledovať pohyby človeka po prevádzke podniku, aktivity s cieľom detekcie zranenia či v rekreačnej oblasti pri sledovaní efektivity fitness tréningu [7]. Ďalšou oblasťou je využitie zariadení v medicíne, kde možno odhalením zmeny vzoru pohybu, trasy alebo iných zmien v pohyboch odhaliť niektoré z vážnych, najmä neurologických ochorení [4]. Konkrétnym možnostiam a doterajším výsledkom v tejto oblasti venujeme samostatný príspevok.

Používané zariadenia

Na trhu je dostupné veľké množstvo lacných zariadení. Veľmi lacné a jednoduché zariadenie so širokým využitím s označením Sensor Tag CC2650 ponúka spoločnosť Texas Instrument. Toto zariadenie komunikuje pomocou Bluetooth Low energy a poskytuje širokú škálu senzorov: teplotný, infračervený, senzor vlhkosti, barometer, optický senzor, senzor intenzity svetla a kompletný deväťosový IMU (trojosový akcelerometer, trojosový gyroskop, trojosový magnetometer). Priamo od výrobcu možno získať ukážkovú aplikáciu pre iOS aj android. Pri výbere tohto zariadenia treba dať pozor na maximálnu frekvenciu akcelerometra iba 10 Hz, čo spôsobuje, že zariadenie nie je vhodné pre rýchle procesy. Frekvenciu možno zvýšiť úpravou firmvéru až na 100 Hz, avšak tento postup výrobca neodporúča.

Z množstva ďalších ponúkaných zariadení vyberáme profesionálne zariadenia BMIXXX od spoločnosti Bosch. Ide o čipy s veľkosťou 1 x 4,5 x 3 mm určené na použitie v zariadeniach virtuálnej/rozšírenej reality, navigácie, herných aplikácií a podobne. V ponuke je mnoho podobných zariadení, ktoré je vhodné vybrať podľa požiadaviek projektu.

Zdroje

[1] Introduction to MEMS Accelerometers. PCB Piezotronics, Inc. [online]. 2018. Dostupné na: https://www.pcb.com/Resources/Technical-information/mems-accelerometers.

[2] Vojáček, A.: Integrované MEMS GYROSKOPY. 2009.

[3] Greenslade, T. B. Jr.: Gyroscopic Control of Hovercraft. Phys. Teach., 1993, 31, 4 – 5.

[4] Šatala, P. – Gašpar, V. – Butka P.: Využitie smart a nositeľných zariadení pri sledovaní motorických symptómov Parkinsonovej choroby. 12th Workshop on Inteligent and Knowledge oriented Technologies. Košice 2017.

[5] Wendel, J. – Meister, O. – Schlaile, Ch. – Trommer, G.: An integrated GPS/MEMS-IMU navigation system for an autonomous helicopter. In: Aerospace Science and Technology, 2006, 10, pp. 527 – 533.

[6] Doebling, S. W. – Farrar, Ch. R. – Prime, M. B.: A summary review of vibration-based damage identification methods. Los Alamos National Laboratory, NM.

[7] Filippeschi, A. – Schmitz, N. – Miezal, M. a kol.: Survey of Motion Tracking Methods Based on Inertial Sensors: A Focus on Upper Limb Human Motion. MDPI Sensors 2017, pp. 1 257 – 1 297.

Poďakovanie

Táto séria článkov vznikla vďaka realizácii projektov podporených Kultúrno-edukačnou grantovou agentúrou Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu SR a Slovenskej akadémie vied pod číslom 05TUKE-4/2017 a Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-16-0213.

Ing. Pavol Šatala
pavol.satala@tuke.sk

Ing. Vladimír Gašpar, PhD.
vladimir.gaspar@tuke.sk

doc. Ing. Peter Butka, PhD.
peter.butka@tuke.sk

Technická Univerzita v Košiciach
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra kybernetiky a umelej inteligencie
– Oddelenie hospodárskej informatiky
Laboratórium chytrých technológií
Vysokoškolská 4, 042 00 Košice
http://kkui.fei.tuke.sk/chi/smart