Un vieux proverbe dit : « si tu ne sais pas où tu vas, chaque route t'y mènera. » Aussi vrai que cela puisse être, il n'est plus acceptable ou nécessaire d'être maintenu « dans le noir » concernant l'endroit où vous (ou votre produit) vous trouvez et comment vous y êtes arrivés.
Aujourd'hui, les capteurs basés sur les MEMS, souvent associés aux modules GPS, peuvent apporter des réponses étonnement bonnes à ces éternelles questions à un coût moindre, ainsi qu'à une consommation d'énergie et d'espace réduite. En un mot, le défi historiquement formidable de la navigation a été grandement simplifié et est devenu très réalisable pour beaucoup d'applications anciennes, tout en permettant l'arrivée de nouvelles plus novatrices.
Auparavant, la détection électronique de mouvements fiable et abordable et ses divers facteurs étaient difficiles. Les gyroscopes, les compas magnétiques, les cherche-étoiles et les accéléromètres étaient les composants et les sous-systèmes les plus courants, et nécessitaient souvent une assistance manuelle considérable pour la configuration et les calculs. Par conséquent, l'utilisation répandue de la détection électronique de mouvements était limitée aux applications avancées comme les navires, les avions, les missiles et les engins spatiaux. La disponibilité de la détection facile de mouvements pour les drones à bas coût, les véhicules autonomes, ou même l'orientation des smartphones portatifs étaient inconcevable.
Désormais, les capteurs basés sur les MEMS simplifient la détermination des mouvements et de l'orientation. Ainsi, cela a changé notre avis sur les avantages de la mesure d'accélération, qui est un paramètre étonnamment révélateur et omniprésent.
Notez que les accéléromètres basés sur les MEMS sont très différents des versions de taille micro du gyroscope à toupie vendu comme jouet mais également utilisé dans les systèmes de guidage précis ; à la place, les unités MEMS utilisent des structures de diapason vibrante et les mesures des paramètres changent en raison des mouvements. Gardez également à l'esprit que certaines applications n'ont besoin que de détecter une position ou un mouvement relatif, puisqu'elles disposent d'une base de référence fixe (pensez aux bras robotiques d'assemblage dans les usines), tandis que d'autres applications ont besoin de connaître une position absolue (drones et véhicules sans conducteur, par exemple).
Révision des notions de base
Le terme « détection de mouvements » englobe en réalité toute une gamme de spécificités et d'objectifs. Les paramètres fondamentaux représentent la hiérarchie des trois vecteurs de position, de vélocité et d'accélération. La physique de base définit la vélocité comme la dérivée de temps (taux de changement) de la position x (v = dx/dt), et l'accélération comme la dérivée de temps de la vélocité v (a = dv/dt).
Les actions complémentaires sont également vraies, bien entendu. La vélocité est l'intégrale de temps de l'accélération, tandis que la position est l'intégrale de temps de la vélocité. En principe, si vous connaissez l'une des trois et mesurez les intervalles de temps, vous pouvez intégrer et dériver pour trouver les autres. (Vous devez toujours connaître votre point de départ pour la véritable navigation, bien entendu, même si vous déterminez une ou plusieurs des trois autres.)
Certains systèmes reposent uniquement sur les accéléromètres de précision conjointement avec l'intégration analogique ou numérique pour déterminer la vélocité et la position. Le problème est que même les toutes petites erreurs dans le signal d'accélération détecté dues aux imperfections ou bruits du transducteur peuvent entraîner des erreurs plus importantes et inacceptables dans les résultats, que ce soit dans l'intégration ou la dérivation. Par conséquent, de nombreux systèmes choisissent d'utiliser une combinaison de capteurs pour déterminer de manière indépendante ces paramètres critiques.
Il y a plus que les trois facteurs dans la détection de mouvements. Selon l'application, un sous-système de détection de mouvements peut également inclure des gyroscopes à un axe ou plusieurs axes ou un compas électronique pour déterminer l'orientation, et un GPS pour déterminer la position (mais notez que les signaux GPS ne sont pas toujours disponibles). Un système de mouvements basé sur un gyroscope, qui inclut un trio d'accéléromètres et de gyroscopes orthogonaux (pour les axes x, y et z), est souvent appelé une unité de mesure inertielle (IMU) car elle détermine l'orientation et l'accélération sans référence externe ou signal reçu (Figure 1).
Figure 1 : l'architecture IMU classique est totalement autonome et comprend un accéléromètre et un gyroscope pour chaque axe, afin qu'elle puisse déterminer entièrement le mouvement et l'orientation sans avoir besoin de référence externe comme le GPS, l'observation (étoiles ou repères), ou les balises de géolocalisation (signal radio).
Elle constitue la solution adaptée pour les applications comme les véhicules sous-marins, les véhicules dans les tunnels ou les engins spatiaux, pour lesquels le GPS et le champ magnétique de la Terre peuvent être indisponibles ou trop imprécis. Même s'ils sont disponibles, une IMU peut être utilisée conjointement avec un autre sous-système de détection de mouvements pour obtenir des résultats croisés.
Il existe beaucoup d'applications de détection de mouvements qui n'ont pas besoin de toutes les capacités d'une IMU ou de la mesure de la distance, de la vélocité et de l'accélération. Par exemple, un capteur d'airbag a simplement besoin de mesurer l'accélération, pour déterminer si un changement soudain de la vitesse du véhicule indique un accident. Les informations concernant la position de la voiture et comment elle est arrivée là sont inutiles ; de la même façon, la détection des vibrations pour la machine tournante n'a besoin que d'un accéléromètre pour détecter les vibrations excessives et les défaillances possibles des roulements ; et un verrouillage de survitesse d'un véhicule n'a besoin que de mesurer ce paramètre, et n'a pas besoin de connaître la position ou l'accélération.
Les capteurs de mouvements couvrent les paramètres d'intérêt
Le compas magnétique à aiguille rotative est l'un des plus vieux outils de navigation. Il est relativement précis, ne nécessite pas d'électricité et est assez fiable. Pourtant, il n'est pas compatible avec les systèmes électroniques, et la calibration ou la compensation des erreurs dues à des objets métalliques environnants est difficile.
Il existe un équivalent électronique au compas magnétique : le compas fluxgate. Il utilise un cœur magnétique entouré de bobine de fil, et cette bobine est stimulée par un courant alternatif qui provoque des changements connus dans le champ magnétique du cœur et le signal de sortie. N'importe quel champ magnétique externe pourrait entraîner des déviations par rapport aux changements attendus ; ces déviations peuvent être détectées et amplifiées pour sentir les forces du champ avec une grande précision.
Alors que le concept du compas fluxgate est évidemment plus complexe que de détecter l'aiguille d'un compas ou son équivalent, il ne dispose pas de parties mobiles, est petit mais sensible, et peut être disposé de manière à minimiser les effets des champs externes rayonnant dus aux objets environnants. Il exige une interface électrique quelque peu inhabituelle, et le DRV421 de Texas Instruments est conçu pour cette classe d'application (Figure 2). Il associe un capteur de compas fluxgate, un conditionnement du signal et un pilote à bobine de compensation dans un IC simple, donnant une précision de détection supérieure à 0,1 pour cent. Pour maintenir la linéarité (un autre paramètre de performance critique), l'IC simplifie la tâche de minimisation du couplage croisé entre le capteur du compas fluxgate lui-même et la bobine de compensation externe, ainsi que les émissions indésirables provenant de la propre excitation du compas fluxgate.
Figure 2 : l'IC DRV421 de Texas Instruments fournit une détection du champ magnétique précise et sans contact dans un paquet de 4 × 4 mm, via sa combinaison de capteur de compas fluxgate, de conditionnement du signal et de pilote à bobine de compensation. (Source : Texas Instruments)
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Les voitures d'aujourd'hui utilisent des accéléromètres pour davantage que le simple déploiement des airbags ; ils sont utilisés dans le cadre du système de détection/prévention contre les retournements, pour les alarmes contre le vol (lorsque la voiture est bousculée ou soulevée) ; ainsi que la stabilisation et l'assouplissement de la conduite. Les unités à un axe comme le Freescale MMA2201KEG (Figure 3) font partie des séries d'accéléromètres MEMS qui incluent un conditionnement du signal, un filtre passe-bas 4 pôles et une compensation de température pour des performances améliorées. L'offset zéro-g, l'échelle complète et la fréquence de coupure du filtre sont configurés en usine et donc ne nécessitent aucun appareil actif ou passif externe, tandis qu'une capacité d'auto-test complète vérifie la fonctionnalité du système. L'IC fonctionne sous 5 V et possède un niveau de sensibilité nominal de 50 mV/g.
Figure 3 : le Freescale MMA2201KEG est un accéléromètre de base à un axe avec sortie analogique de 50 mV/g sur une portée de ±40 g, et est bien adapté à l'accélération de non-navigation et aux applications de mouvements. (Source : Semi-conducteur Freescale)
Les applications d'accéléromètres comme cet appareil minuscule d'une portée de ±40 g, hébergé dans un paquet SOIC 7,5 × 10 mm à 16 broches, dépasse les situations évidentes d'airbags ou de navigation. Il peut être utilisé pour la surveillance et l'enregistrement des vibrations, le contrôle d'appliance, la protection de disque dur d'ordinateur (lorsque l'accélération tombe soudainement à zéro, le disque chute et ses têtes doivent être rétractées immédiatement), les souris et manettes d'ordinateur, les appareils de réalité virtuelle et même les produits de diagnostic sportif, pour n'en citer que quelques-unes des façons dont l'accélération à un axe peut quantifier ce qui était évident et difficile à mesurer.
Un gyroscope IC représentatif montre en quoi la technologie MEMS a radicalement transformé l'approche de gyroscope à « rotor tournant ». Le gyroscope à faible puissance ADIS16250 d' Analog Devices (Figure 4) est un système complet de mesure de vitesse angulaire qui fournit des données de capteurs numériques 14 bits calibrés en usine à un processeur via un port d'interface série SPI simple. La plage de l'appareil peut être numériquement configurée sur trois valeurs différentes : ±80°/sec, ±160°/sec et ±320°/sec. Il a besoin d'une alimentation de 5 V simple, est proposé dans un paquet LGA 11 mm × 11 mm × 5,5 mm et offre une résistance aux chocs de 2000 g même sous tension.
Figure 4 : le gyroscope à faible puissance ADIS16250 d' Analog Devices est un appareil MEMS avec convertisseur A/D interne offrant une résolution de 14 bits et un port SPI pour simplifier l'interface vers le processeur du système, ainsi que d'autres caractéristiques qui améliorent sa fonctionnalité. (Source : Analog Devices)
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Il est destiné à un large éventail d'applications liées aux mouvements comme le contrôle de l'instrumentation, le contrôle et la stabilisation de la plateforme, la navigation et la robotique. Comme beaucoup de circuits intégrés MEMS résistants aux mouvements, il est disponible avec des performances de plage de température étendue et respecte des spécifications automobiles strictes pour la robustesse, ce qui englobe la température, les vibrations, les chocs thermiques et les transitoires de tension.
La détection d'attributs liés aux mouvements (la vitesse, la direction, la position et l'accélération) a toujours été un problème, exigeant d'importants capteurs complexes et énergivores. Cette situation a changé radicalement avec la disponibilité des capteurs basés sur les MEMS comme des accéléromètres et des gyroscopes ainsi qu'un circuit d'interface de haute performance qui peuvent compenser les défaillances des capteurs. Par conséquent, les ingénieurs systèmes peuvent désormais traiter de nombreuses nouvelles idées d'applications et d'opportunités de conception.