自動化機械や自動車ナビゲーションなどの多くのアプリケーションでは、デバイスの動作状態の検出を支援するために慣性センサーが必要です。この記事では、ADIが導入した慣性センサーと関連ソリューションのアプリケーションと開発について説明します。
慣性センサーは重要な精度と安全メカニズムを提供します
製造、農業、物流、エネルギー、自動車、無人航空機のいずれの業界でも、さまざまなセンサー検出によって機械の自動化を実現し、リソースの効率、機器の精度、安全性を大幅に向上させることができます。
現在、市場にはさまざまなセンサーがあり、温度、光学、化学、ガス、振動を感知できるセンサーなど、環境を感知するためのコンテキストセンサーと、慣性センサー、GPS、磁力計、気圧計、測距センサーなど、位置決めのための位置センサーに分類できます。コンテキストセンサーと位置センサーを組み合わせることで、完全なInternet of Moving Things（IoMT）アプリケーション環境を形成できます。
IoMTアプリケーションでは、位置決めが重要な役割を果たします。正確な位置を指摘したり、正確な位置決めを維持したりするために、高精度慣性センサー（または慣性計測ユニット、IMU）が大きな役割を果たします。モビリティが重要なアプリケーションでは、コンテキスト センサーによってキャプチャされたデータの地理的位置を特定する必要があります。IoMTはコンテキスト データと位置データを同時に融合できるため、データ分析の価値とメリットが大幅に向上します。
この記事で取り上げる慣性センサーは、主に物体の加速度、傾き、衝撃、振動、回転、多自由度 (DoF) の動きを検出および測定するために使用され、ナビゲーション、方向、およびモーション キャリア制御を解決するための重要なコンポーネントです。GPS信号がブロックされて不正確な位置決めやナビゲーションにつながるインテリジェント マシンのほとんどでは、慣性センサーが2つの主な役割を果たします。1つはデバイスの安定化と指向、もう1つはナビゲーションと誘導です。アンテナ、クレーン プラットフォーム、建設用ブレード、農機具、無人航空機のカメラなどのコンポーネントの信頼性の高い指向角度を維持し、過酷な環境で重要な精度や安全メカニズムを提供します。
コストと効率のバランスをとる産業用慣性センサー
現在、市販されている慣性センサーは、通常、微小電気機械システム (MEMS) 構造を採用しています。しかし、コスト削減を主な目的とする特定のMEMS構造では、シリコン ウェーハの品質が低下し、プラスチックでパッケージ化された消費者向け製品を使用するなど、設計においてパフォーマンスが犠牲になることが多く、これがMEMS構造のパフォーマンスに大きな悪影響を及ぼします。
MEMSデバイスから正確で安定した情報を抽出するには、シリコン ウェーハの面積と厚さによって決まる高い信号対雑音比が必要です。さらに、シリコン ウェーハへのストレスを最小限に抑えるために、適切なデバイス パッケージングとシステム ハウジングを選択する必要があります。最初にセンサーを定義する際に最終用途のパフォーマンス要件を念頭に置き、シリコン チップ、統合、パッケージング、テスト、およびキャリブレーションの方法を最適化すれば、複雑な環境でも元のパフォーマンスを維持し、コストを最小限に抑えることができます。
近年、センサーレベルを区別する際のノイズの役割は減少しています。実際には、産業用MEMS IMUと消費者向けIMUを比較すると、どちらもノイズ性能が優れています。ただし、消費者向けデバイスは、振動や位置合わせを考慮して設計または調整されていません。チップ設計方法やデバイス固有のキャリブレーションによって精度を向上させるには高いコストが必要ですが、産業用デバイスではより優れたバランスが実現されます。消費者向け製品の耐久性の低さによるその他の潜在的なエラー原因を考慮しない場合、両者のパフォーマンスの差は少なくとも20倍になります。
コスト効率の高い慣性計測ユニット
ADIは、高精度慣性センシング アプリケーションにおける顧客のニーズを満たすために、3軸ジャイロ スコープと3軸加速度計で構成される高精度MEMS IMUADIS16505を導入しました。ADIS16505の各慣性センサーには、動的パフォーマンスを最適化する信号調整機能が組み込まれています。各センサーの感度、バイアス、アライメント、直線加速度（ジャイロスコープのバイアス）、および打撃点（加速度計の位置）は、工場での校正によって実証できます。校正温度範囲は -40℃ ～ +85℃ です。そのため、各センサーにはさまざまな条件下で正確なセンサー測定を提供するための動的補正式が備わっています。
ADIS16505は、高精度の多軸慣性センシング技術を産業システムに統合するためのシンプルでコスト効率の高い方法を提供します。特に、個別設計に伴う複雑さと投資の点と比較すると、より有利です。必要な動作テストと調整はすべて工場の生産プロセスで完了しているため、システム統合時間が大幅に短縮されます。ナビゲーション システムでは、直交配置が近いため、慣性座標系の位置合わせが簡単になります。互換性のあるシリアル ペリフェラル インターフェイス (SPI) とレジスタ構造には、データ収集と構成制御のためのデータ通信用のシンプルなインターフェイスがあります。
ADIS16505の3軸デジタルジャイロスコープモデルは、 ± 125° /秒、 ± 500° /秒、および ±2000° /秒、動作バイアス安定性は2.3° /時間（ADIS16505-1）、X軸とY軸の角度ランダムウォークは0.13° /√hr、1σ（ADIS16505-1）、軸間ミスアライメント誤差 ±0.25°。サポートされている3軸デジタル加速度計のダイナミックレンジは ±78.4メートル/秒2動作バイアス安定性は26.5m/秒2 (x軸とy軸)、3軸デルタ角度とデルタ速度出力、プログラム可能な操作と制御、自動および手動バイアス補正制御をサポートします。同期データ取得用のデータ準備インジケーターは、直接、スケール、出力などの外部同期モードをサポートします。内部センサーとフラッシュメモリは、要求に応じて自己テストできます。3.0V～3.6Vの単一電源（VDD）と14,700m/秒の機械的衝撃耐性を備えています。 2動作温度範囲は−40℃～+105℃です。
ADIS16505は、約15 mm × 15 mm × 5 mmのサイズの100ボール ボール グリッド アレイ (BGA) パッケージに収められています。ナビゲーション、安定化および計測、無人および自律走行車、スマート農業および建設機械、工場/産業オートメーション、ロボット工学、仮想/拡張現実、IoMTに使用できます。
ブレークアウトボードと評価キットが開発プロセスを加速
顧客の製品開発プロセスをスピードアップするために、ADIは、各ADIS16505-xBMLZ IMUモデルと組み込みプロセッサ プラットフォーム間のプロトタイプ接続を確立するための便利な方法を提供するADIS16505-x/PCBZブレークアウト ボードを含むさまざまな評価キットも導入しました。各ADIS16505-x/PCBZブレークアウト ボードは、EVAL-ADIS2評価システムのJ1に接続することもできます。
ADIS16505-x/PCBZブレークアウト ボードは、サイズがわずか33.25 mm x 30.75 mmで、便利な16ピン (2x8)、2 mmピッチ コネクタと、各コーナー (4つのコーナー) に直径2.3 mmの取り付け穴を備えており、3つのモデルがあり、さまざまなIMUモデルに対応できます。
さらに、ADIは、iSensor評価製品ファミリの最新メンバーであるEVAL-ADIS-FX3評価ボードを発表しました。このボードはもともと、実験室や特性評価環境で信頼性の高い慣性データを取得するための使いやすいソリューションをユーザーに提供するために設計されました。EVAL-ADIS-FX3は、最大スループットで慣性センサー データをキャプチャし、外部テスト機器に接続し、外部トリガー信号に応答する機能を備えています。
この再構成可能なハードウェア プラットフォームの導入に加えて、ADIは、信頼性の高いセンサー データをキャプチャするカスタム アプリケーションをユーザーが迅速に構築できるようにする強力なAPIを開発しました。さらに、APIには多くの便利な機能が含まれており、設計者は任意の .NET互換環境でセンサーのパフォーマンスを評価できます。
EVAL-ADIS-FX3評価ボードは、フル サンプリング レートでIMUをリアルタイムでサンプリングでき、データ損失がないこと、外部電源が不要であること、USBポートから電源を供給することができることを保証しています。完全にオープンソースのAPI、ファームウェア、評価GUIを備えており、回路図を提供できます。APIには、MATLAB、Python、LabViewをインターフェースするためのラッパー ライブラリが含まれています。この評価ボードは、慣性センシング、ロボット工学、自律運転、プラットフォーム安定性などの分野に適用できます。
結論
慣性センサーは、さまざまな位置決めおよびナビゲーション アプリケーションで幅広く使用できます。コストが削減され、精度が向上するにつれて、市場の需要が高まっています。ADIは、高精度と高集積を特徴とする工場で校正されたMEMS IMUと、製品開発プロセスを迅速化する完全な開発および評価キットを提供しています。これらは、関連アプリケーションにとって最良の選択肢の1つになります。
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