وبلاگ شرکت در مورد ST L3GD20 جيروسکوپ سه محوره کم مصرف با خروجی دیجیتال I2C/SPI برای پهپادها

Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. ST را تامین و بازیافت می کندL3GD20ژیروسکوپ سه محوره کم مصرف، دارای خروجی دیجیتال I2C/SPI، مناسب برای کاربردهای پهپاد.

STL3GD20یک ژیروسکوپ دیجیتال سه محوره MEMS با کارایی بالا و کم مصرف است که به طور خاص برای کاربردهایی مانند تشخیص حرکت و وضعیت، ناوبری اینرسی و کنترل تثبیت پویا طراحی شده است. این دستگاه یک واحد سنجش سرعت زاویه ای سه محوره با دقت بالا را ادغام می کند و دارای یک رابط دیجیتال دوگانه I²C/SPI است. مزایای کلیدی مانند مصرف برق قابل کنترل، محدوده اندازه گیری قابل تنظیم، پایداری بالا و رانش دمای پایین را ارائه می دهد. این کاملاً برای برآورد نگرش و نیازهای کنترل تثبیت پرواز انواع مختلف پهپادها، از جمله مولتی روتورها، هواپیماهای بال ثابت، پهپادهای کوچک کشاورزی و هواپیماهای بدون سرنشین مسابقه ای مناسب است، و آن را به یک جزء سنسور اصلی کلاسیک برای سیستم های کنترل پرواز هواپیماهای بدون سرنشین تبدیل می کند.

I. بررسی اجمالی هستهL3GD20

راL3GD20یک سنسور سرعت زاویه ای MEMS سه محوره کاملاً یکپارچه است که قادر است به طور همزمان سرعت زاویه ای چرخشی را در امتداد محورهای X، Y و Z تشخیص دهد. این دستگاه دارای یک واحد تبدیل ADC با دقت بالا 16 بیتی است که سیگنال های حرکتی آنالوگ را به خروجی دیجیتال با وضوح بالا تبدیل می کند و نیاز به مدارهای تبدیل آنالوگ به دیجیتال اضافی را از بین می برد و در نتیجه طراحی سخت افزار کنترل پرواز را ساده می کند. این دستگاه از یک بسته فشرده LGA استفاده می کند که اندازه کوچک و بسیار مقاوم در برابر لرزش است و الزامات طراحی سخت افزاری برای پهپادهای سبک وزن و کوچک را برآورده می کند. همچنین از عملکرد پایدار در طیف وسیعی از دمای -40 درجه سانتیگراد تا +85 درجه سانتیگراد پشتیبانی می کند و آن را قادر می سازد با شرایط پرواز پهپاد مانند ارتفاعات بالا، دماهای شدید و جریان های پیچیده هوا مقابله کند.

راL3GD20مزیت کلیدی آن در حالت های عملکرد کم مصرف چند سطحی آن نهفته است. همراه با پیکربندی رابط دیجیتالی انعطاف‌پذیر، الزامات نمونه‌برداری موقعیت با فرکانس بالا را در طول پرواز با سرعت بالا برآورده می‌کند، در حالی که نیازهای استقامت کم را در حالت‌های شناور و آماده به کار نیز برآورده می‌کند، در نتیجه عملکرد پرواز را با استقامت متعادل می‌کند.

II. پارامترهای اصلی عملکردL3GD20

پارامترهای سخت افزاریL3GD20به طور خاص برای برآورده کردن کامل الزامات اصلی برای دقت، سرعت و پایداری در سنجش نگرش پهپاد بهینه‌سازی شده‌اند. پارامترهای کلیدی به شرح زیر است:

- محدوده تشخیص قابل تنظیم: از جابجایی بین سه محدوده سرعت زاویه ای — ± 250 dps، ± dps 500 و ± 2000 dps — برای جا دادن مدل های مختلف پهپاد پشتیبانی می کند. برد پایین الزامات تشخیص با دقت بالا برای شناور شدن پایدار و پرواز آهسته در پهپادهای عکاسی هوایی را برآورده می کند، در حالی که برد بالا برای تشخیص سریع انحراف وضعیت در هواپیماهای بدون سرنشین مسابقه و پهپادهای مانور با سرعت بالا مناسب است.

- خروجی نمونه برداری با دقت بالا: دارای وضوح خروجی دیجیتال داخلی 16 بیتی، با تراکم نویز با سرعت زاویه ای تا 0.011 درجه بر ثانیه/√Hz و پایداری عالی در برابر صفر. این می تواند تغییرات جزئی در نگرش پهپاد، از جمله گام، چرخش و انحراف را به دقت ثبت کند و از داده های دقیق برای تنظیم PID کنترلر پرواز پشتیبانی کند.

- نرخ خروجی بالا: حداکثر نرخ داده خروجی (ODR) تا 800 هرتز، پشتیبانی از به روز رسانی داده های وضعیت با فرکانس بالا، به طور موثر کاهش تأخیر پرواز هواپیماهای بدون سرنشین و جلوگیری از تاخیر و رانش در طول مانورهای با سرعت بالا و اصلاحات نگرش

- محدوده ولتاژ عملیاتی گسترده: ولتاژ عملیاتی 2.2 ولت تا 3.6 ولت، سازگار با سیستم های منبع تغذیه 3.3 ولت که معمولاً در کنترلرهای پرواز هواپیماهای بدون سرنشین استفاده می شود. بدون نیاز به مدار تغییر سطح، سازگاری سخت افزاری عالی را تضمین می کند

- مصرف برق بسیار کم با کنترل سطحی: مصرف جریان در حالت کارکرد معمولی فقط 6.1 میلی آمپر، در حالت خواب 5 میکروآمپر و در حالت آماده به کار 1 میکروآمپر است. از سوئیچینگ پویا پشتیبانی می کند، مصرف انرژی را در حالت آماده به کار و شناور پهپاد به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و در نتیجه طول کلی پرواز را افزایش می دهد.

- حافظه پنهان داده داخلی: دارای حافظه نهان FIFO یکپارچه 32 سطحی است که قادر به بافر کردن داده های وضعیت، کاهش فرکانس خواندن توسط تراشه کنترل اصلی، کاهش بار محاسباتی بر روی کنترلر پرواز MCU و افزایش پایداری عملیاتی سیستم است.

- سازگاری محیطی قوی: دارای طراحی مقاوم در برابر ارتعاش و تداخل با محدوده دمای عملیاتی گسترده، می تواند در برابر ارتعاشات جریان هوا، ارتعاشات بدنه هواپیما و نوسانات دمای خارج از منزل که در طول پرواز هواپیمای بدون سرنشین با آن مواجه می شود مقاومت کند و خروجی داده های پایدار را بدون رانش تضمین کند.

III. مزایای دو رابط دیجیتال I2C/SPI

راL3GD20استاندارد با هر دو رابط ارتباطات دیجیتال جهانی I2C و SPI ارائه می شود که امکان سازگاری با سیستم های کنترل پرواز با معماری های مختلف را فراهم می کند. سازگاری سخت افزاری فوق العاده ای را ارائه می دهد و الزامات طراحی را برای انواع سیستم های کنترل پرواز سبک وزن و با کارایی بالا برآورده می کند.

1. رابط I2C

رابط I2C دارای سیم کشی ساده است و به تعداد کمی پین نیاز دارد که آن را برای طراحی سخت افزاری پهپادهای کوچک و سبک وزن، پهپادهای عکاسی هوایی سطح پایه و هواپیماهای بدون سرنشین درجه یک اسباب بازی مناسب می کند. انتقال داده تنها به دو خط ارتباطی نیاز دارد و گذرگاه را می توان با سایر دستگاه های حسگر مانند شتاب سنج و مغناطیس سنج به اشتراک گذاشت. این کار کابل‌کشی کنترل‌کننده پرواز را ساده می‌کند و فضای PCB را ذخیره می‌کند و با گرایش به سمت هواپیماهای بدون سرنشین کوچک‌تر و سبک‌تر همسو می‌شود و در عین حال الزامات توسعه برای سیستم‌های کنترل پرواز کم‌هزینه و کارآمد را برآورده می‌کند.

2. رابط SPI

رابط SPI سرعت‌های ارتباطی سریع‌تر، مقاومت بیشتر در برابر تداخل و تأخیر کمتر در انتقال داده را ارائه می‌کند، و آن را برای سناریوهایی با تقاضای بالا برای عملکرد و ثبات در زمان واقعی، مانند هواپیماهای بدون سرنشین مسابقه، پهپادهای سمپاشی محصول و پهپادهای کوچک صنعتی مناسب می‌سازد. ارتباطات پرسرعت SPI انتقال پایدار داده‌های وضعیت فرکانس بالا را در 800 هرتز تضمین می‌کند، از از دست رفتن بسته داده‌ها و تأخیر در شرایط پیچیده پرواز جلوگیری می‌کند و پشتیبانی از داده‌ها را در زمان واقعی برای تصحیح نگرش سریع، شناور ثابت ثابت و پرواز مبتنی بر مسیر فراهم می‌کند.

IV. راL3GD20طراحی کم مصرف برای برنامه های پهپاد طراحی شده است

هواپیماهای بدون سرنشین الزامات بسیار سخت گیرانه ای را برای کنترل مصرف برق اعمال می کنند. راL3GD20معماری اثبات شده MEMS کم مصرف STMicroelectronics را در بر می گیرد و از سوئیچینگ پویا بین حالت های عملیاتی چندگانه پشتیبانی می کند، به طور خاص به چالش استقامت پرواز محدود در پهپادها می پردازد.

در طول پرواز و مانور با سرعت بالا، دستگاه به حالت عملکرد عادی تغییر می‌کند و داده‌های سرعت زاویه‌ای سه محوره با فرکانس بالا را ارائه می‌دهد تا اطمینان حاصل شود که سیستم کنترل پرواز می‌تواند نگرش را در زمان واقعی محاسبه کند و کنترل دقیقی را انجام دهد. در طول شناور ثابت، حالت آماده به کار در ارتفاع پایین یا حالت های بیکار، می تواند به حالت خواب یا کم مصرف تغییر وضعیت دهد، جریان عملیاتی را به میزان قابل توجهی کاهش داده و مصرف برق را به حداقل می رساند و در عین حال نظارت اولیه نگرش را حفظ می کند. در مقایسه با ژیروسکوپ های سنتی،L3GD20طراحی پلکانی مصرف انرژی، مصرف انرژی کلی پهپاد را تا بیش از 30 درصد کاهش می‌دهد و به طور موثر زمان پرواز پهپادهایی را که در عملیات‌های طولانی‌مدت مانند عکس‌برداری هوایی، بازرسی و حفاظت از محصولات درگیر هستند، افزایش می‌دهد.

V. سناریوهای کاربردی اصلی برای هواپیماهای بدون سرنشین

با استفاده از مزایای جامع دقت بالا، مصرف انرژی کم، پایداری بالا و رابط های جهانی،L3GD20به طور گسترده در سیستم های کنترل پرواز پهپادهای مختلف غیرنظامی و صنعتی کوچک استفاده می شود. سناریوهای اصلی برنامه آن به شرح زیر است:

- پهپادهای عکاسی هوایی مولتی روتور: به طور دقیق تغییرات در زوایای پیچ، چرخش و انحراف هواپیما را تشخیص می دهد. در ارتباط با یک شتاب‌سنج برای دستیابی به محاسبات همجوشی نگرش، تضمین فیلم‌های هوایی پایدار و شناور ثابت، و در عین حال سرکوب ارتعاشات پرواز و رانش

- پهپادهای کوچک کشاورزی: ​​سازگار با شرایط میدانی پیچیده در فضای باز، دامنه دمایی گسترده و مقاومت در برابر ارتعاش آن را قادر می سازد در برابر تداخل جریان هوای میدانی و ارتعاشات عملیاتی مقاومت کند و خروجی پایدار داده های وضعیت را تضمین کند تا مسیرهای پروازی دقیق و پاشش یکنواخت را تضمین کند.

- پهپادهای مسابقه ای و مسیری با موانع: با اندازه گیری دوربرد ± 2000 dps و خروجی با سرعت بالا در 800 هرتز، برای تشخیص وضعیت پرواز در هنگام چرخش با سرعت بالا و مانورهای سریع مناسب است. انتقال داده با تأخیر کم، نیازهای پهپادهای مسابقه‌ای را برای پاسخ گویی فوق سریع برآورده می‌کند

- پهپادهای کوچک بازرسی: مصرف انرژی کم از عملیات بازرسی طولانی مدت در ارتفاع پایین پشتیبانی می کند، در حالی که خروجی داده بسیار پایدار، دقت را در طول مسیرهای کروز در نقطه ثابت و پروازهای مسیر تضمین می کند و آنها را برای شبکه برق، امنیت و سناریوهای بازرسی محیطی مناسب می کند.

- پهپادهای آموزشی و آموزشی: دارای رابط های جهانی، ارزش عالی برای پول و پیکربندی ساده، این پهپادها برای آموزش پهپادهای دانشگاهی و سناریوهای آموزش توسعه تعبیه شده مناسب هستند و دشواری شروع با توسعه کنترل پرواز را کاهش می دهند.

VI. خلاصه ای ازL3GD20مزایای

STL3GD20ژیروسکوپ سه محوره، با پنج ویژگی اصلی خود - تشخیص 16 بیتی با دقت بالا، محدوده قابل تنظیم سه سطحی، دو رابط I2C/SPI، مصرف انرژی بسیار کم و پایداری بالا در طیف وسیعی از دما - کاملاً نیازهای اصلی را برای سنجش وضعیت پهپاد برآورده می کند. با متعادل کردن دقت بالا با مصرف انرژی کم، و همچنین تطبیق پذیری با پایداری، نه تنها مسائل مربوط به دقت ناکافی و رانش بیش از حد معمول در پهپادهای سطح پایه را حل می کند، بلکه از معایب مصرف انرژی بالا و هزینه های بالای مرتبط با سنسورهای پیشرفته نیز جلوگیری می کند. در نتیجه، به یک جزء حسگر اینرسی هسته ای بسیار مقرون به صرفه و بسیار پایدار برای سیستم های کنترل پرواز در پهپادهای کوچک و متوسط ​​تبدیل شده است و راه حل ترجیحی کلاسیک برای سنجش نگرش پهپاد و سیستم های ناوبری اینرسی باقی می ماند.