وبلاگ شرکت در مورد ST LIS3DE سرعت سنج دیجیتال سه محور با رابط سریال I2C / SPI برای هواپیماهای بدون سرنشین

شرکت شنژن مینگجیادا الکترونیکس با مسئولیت محدود، شتاب‌سنج دیجیتال سه محوره ST LIS3DE را تامین و بازیافت می‌کند که دارای رابط‌های سریال I2C/SPI است و برای پهپادها مناسب است. شتاب‌سنج MEMS دیجیتال سه محوره فوق کم مصرف و با کارایی بالا است که توسط STMicroelectronics عرضه شده است. این محصول که بخشی از خط تولید سنسورهای MEMS نانوسایز ST است، تشخیص شتاب سه محوره با دقت بالا، خروجی داده انعطاف‌پذیر و رابط‌های ارتباطی سریال دوگانه را ادغام می‌کند و به طور خاص برای کاربردهای سنجش حرکت تعبیه شده سبک، کم مصرف و بسیار پایدار طراحی شده است. با مزایای کلیدی مانند بسته‌بندی فشرده، محدوده اندازه‌گیری قابل تنظیم گسترده، مصرف برق فوق‌العاده کم در حالت آماده به کار و رابط‌های دیجیتال دو منظوره I2C/SPI، این سنسور به طور گسترده با سیستم‌های سنجش وضعیت، تشخیص حرکت، اصلاح وضعیت و حفاظت ایمنی برای پهپادهای مصرفی و صنعتی سطح ورودی سازگار است و آن را به یکی از گزینه‌های برتر برای واحدهای اندازه‌گیری اینرسی (IMU) پهپاد تبدیل می‌کند.

I. نمای کلی هسته و مشخصات اساسیLIS3DE با استفاده از فناوری پیشرفته ریزماشین‌کاری سیلیکونی (SiMfM) ساخته شده است و یک واحد سنجش خازنی، مدار شرطی‌سازی سیگنال با دقت بالا، ADC پرسرعت ۱۲ بیتی، ماژول فیلترینگ دیجیتال و موتور وقفه قابل برنامه‌ریزی را ادغام می‌کند. این دستگاه می‌تواند داده‌های شتاب خطی را در زمان واقعی در امتداد محورهای X، Y و Z جمع‌آوری کند و تغییرات وضعیت حرکت دستگاه مانند کج شدن وضعیت، حرکت خطی، لرزش و ضربه و سقوط آزاد را به دقت ثبت کند. در مقایسه با شتاب‌سنج‌های سنتی، این دستگاه خروجی سیگنال آنالوگ را حذف کرده و پردازش سیگنال کاملاً دیجیتال را ارائه می‌دهد و به طور موثر تداخل الکترومغناطیسی را در محیط‌های پرواز پهپاد کاهش داده و پایداری جمع‌آوری داده را افزایش می‌دهد.

LIS3DE

II. مشخصات فنی کلیدی

۱. رابط I2C: بهترین انتخاب برای پهپادهای سبک و فشردهLIS3DE

به طور دقیق برای برآورده کردن الزامات سنجش پرواز پهپاد تنظیم شده است. پارامترهای اصلی آن که در زیر فهرست شده‌اند، سناریوهای کاربردی برای پهپادهای عکاسی هوایی سطح ورودی، مسابقه‌ای و بازرسی را پوشش می‌دهند:

- نرخ خروجی داده: از ۱ هرتز تا ۵ کیلوهرتز قابل تنظیم برنامه‌ریزی است. حالت کم سرعت الزامات کالیبراسیون وضعیت ایستا و آماده به کار فوق کم مصرف را برآورده می‌کند، در حالی که حالت پر سرعت از محاسبه وضعیت در زمان واقعی در طول پرواز با سرعت بالا با پاسخ پویا و بدون تاخیر پشتیبانی می‌کند.

- دقت تشخیص و وضوح: ADC داخلی ۱۲ بیتی (مبدل آنالوگ به دیجیتال) وضوح بسیار بالایی را در محدوده‌های پایین ارائه می‌دهد و امکان ثبت دقیق حتی کوچکترین کجی‌های پهپاد و لرزش‌های ضعیف را برای اطمینان از دقت در تنظیم دقیق وضعیت فراهم می‌کند.

- رابط‌های ارتباطی: رابط‌های دوگانه استاندارد - I2C (حالت پر سرعت) و SPI (پر سرعت فول-دوبلکس). رابط I2C سیم‌کشی ساده‌ای دارد و منابع سخت‌افزاری را حفظ می‌کند و آن را برای پهپادهای سبک و فشرده مناسب می‌سازد؛ رابط SPI نرخ انتقال داده بالاتری و مقاومت قوی‌تری در برابر تداخل ارائه می‌دهد و آن را برای پهپادهای مسابقه‌ای پر سرعت و بازرسی صنعتی مناسب می‌سازد.

- مصرف برق: از حالت‌های عملیاتی فوق کم مصرف چند سطحی، حالت خواب و مکانیزم‌های بیدارباش پشتیبانی می‌کند. مصرف برق عملیاتی بسیار کم است، با مصرف برق آماده به کار در سطح میکروآمپر، که به طور موثر مصرف برق کلی سنسورهای روی برد پهپاد را کاهش داده و عمر باتری را افزایش می‌دهد.

- پیکربندی عملکردی: دارای کانال‌های وقفه دوگانه مستقل داخلی است که از محرک‌های رویداد قابل برنامه‌ریزی مانند تشخیص سقوط آزاد، بیدارباش حرکت، تشخیص کج شدن وضعیت و تشخیص ضربه/لرزش پشتیبانی می‌کند. این‌ها را می‌توان مستقیماً به پین‌های وقفه کنترل‌کننده اصلی پهپاد متصل کرد تا پاسخ‌های سریع و ایمن را فعال کند.

- طراحی قابلیت اطمینان: دارای قابلیت‌های خودآزمایی داخلی است که امکان بررسی وضعیت سنسور را در طول خودآزمایی روشن شدن پهپاد و بین پروازها فراهم می‌کند تا عیوب را به سرعت شناسایی کند؛ مقاومت عالی در برابر لرزش و انحراف دما را ارائه می‌دهد و آن را برای محیط‌های پرواز در فضای باز با دماهای شدید و اختلالات پیچیده جریان هوا مناسب می‌سازد.

- ابعاد بسته‌بندی: بسته‌بندی فوق فشرده سطحی؛ کوچک و بسیار سبک، بار اضافی به بدنه پهپاد اضافه نمی‌کند و الزامات طراحی سبک وزن پهپادهای عکاسی هوایی میکرو و پهپادهای مسابقه‌ای FPV را برآورده می‌کند.

III. مزایای رابط دوگانه I2C/SPI برای کاربردهای پهپاد

LIS3DE

به طور استاندارد با دو رابط دیجیتال صنعتی عرضه می‌شود که ویژگی‌های کلیدی آن سازگاری با معماری‌های مختلف سخت‌افزار پهپاد را امکان‌پذیر می‌سازد. هر رابط برای سناریوهای خاصی مناسب است و امکان انتخاب انعطاف‌پذیر را فراهم می‌کند:

۱. رابط I2C: بهترین انتخاب برای پهپادهای سبک و فشرده۲. رابط SPI: راه‌حل پر سرعت و با قابلیت اطمینان بالا برای کاربردهای پهپاد

رابط SPI از حالت ارتباطی پر سرعت فول-دوبلکس با نرخ انتقال داده بسیار بیشتر از I2C استفاده می‌کند. این رابط تأخیر انتقال داده کمتری و مقاومت قوی‌تری در برابر تداخل الکترومغناطیسی ارائه می‌دهد و الزامات زمان واقعی بسیار بالای عملیات پهپاد مانند پرواز با سرعت بالا، مانورهای وضعیت سریع و اجتناب از موانع پویا را برآورده می‌کند. برای پهپادهای مسابقه‌ای، پهپادهای بازرسی در فضای باز و پهپادهای صنعتی کوچک که در محیط‌هایی با جریان هوای پیچیده یا تداخل الکترومغناطیسی از موتورها کار می‌کنند، رابط SPI انتقال مداوم و پایدار داده‌های شتاب سه محوره را تضمین می‌کند - بدون از دست دادن بسته یا تأخیر - و پشتیبانی داده قابل اعتماد را برای محاسبات الگوریتم کنترل پرواز در زمان واقعی فراهم می‌کند.

IV. سناریوهای کاربردی اصلی برای

LIS3DE

در پهپادها

در سیستم‌های کنترل پرواز پهپاد، عمدتاً سه عملکرد اصلی را انجام می‌دهد: تشخیص شتاب خطی، سنجش مرجع وضعیت و نظارت بر وضعیت ایمنی. این دستگاه به عنوان یک واحد سنجش ضروری برای سیستم کنترل پرواز عمل می‌کند. سناریوهای کاربردی خاص به شرح زیر است:

۱. تعادل وضعیت پهپاد و کالیبراسیون شناور ماندنLIS3DE

وضعیت افقی بدنه هواپیما را در زمان واقعی محاسبه می‌کند و داده‌های وضعیت خام را برای الگوریتم PID کنترل پرواز فراهم می‌کند. این به پهپاد در دستیابی به شناور ماندن ثابت، کروز روان و پرواز در مسیر کمک می‌کند، به طور موثر انحراف بدنه هواپیما را سرکوب کرده و پایداری پرواز را بهبود می‌بخشد. در مقایسه با ژیروسکوپ‌ها، شتاب‌سنج‌ها دقت ایستا بالاتری دارند که انحراف ایستا ذاتی ژیروسکوپ‌ها را جبران کرده و امکان کالیبراسیون مکمل داده‌های وضعیت را فراهم می‌کند.

۲. نظارت بر حرکت در زمان واقعی و کنترل مانورLIS3DE

می‌تواند تغییرات در وضعیت‌های مختلف پرواز را در زمان واقعی ثبت کند. به‌روزرسانی‌های داده با سرعت بالا به طور دقیق الزامات پاسخ مانور سریع پهپادهای مسابقه‌ای را برآورده می‌کند و به سیستم کنترل پرواز امکان می‌دهد وضعیت پرواز را به سرعت شناسایی کرده، سرعت موتورها را به سرعت تنظیم کند و حساسیت کنترل و مانورپذیری پرواز پهپاد را بهبود بخشد.

۳. حفاظت ایمنی پرواز و تشخیص خطاLIS3DE

امکان چندین لایه حفاظت ایمنی را برای پهپادها فراهم می‌کند: اول، تشخیص سقوط آزاد - در صورت سقوط تصادفی یا نزول کنترل نشده، سنسور به سرعت یک سیگنال وقفه را فعال می‌کند و به سیستم کنترل پرواز امکان می‌دهد فوراً عملیات اضطراری مانند قطع برق و خاموش کردن پروانه‌ها را اجرا کند و در نتیجه خطر آسیب تجهیزات را کاهش دهد؛ دوم، تشخیص لرزش و ضربه شرایط خطا مانند برخورد پهپاد، تلاطم و لرزش‌های غیرعادی را شناسایی می‌کند و بازخورد به موقع در مورد ناهنجاری‌ها ارائه می‌دهد؛ سوم، بیدارباش بیکار/حرکت به طور خودکار پهپاد را در حالت کم مصرف قرار می‌دهد زمانی که ثابت است و هنگام شروع پرواز به طور خودکار آن را بیدار می‌کند و مدیریت هوشمند مصرف انرژی را امکان‌پذیر می‌سازد.

۴. پردازش ادغام IMU کمکیLIS3DE

اغلب با یک ژیروسکوپ سه محوره و یک مغناطیس‌سنج برای تشکیل یک IMU شش محوره یا نه محوره کم هزینه جفت می‌شود. شتاب‌سنج کالیبراسیون وضعیت ایستا را انجام می‌دهد، در حالی که ژیروسکوپ سرعت زاویه‌ای پویا را نظارت می‌کند. از طریق الگوریتم‌های ادغام داده‌های سنسور، خطاهای تشخیص از سنسورهای منفرد به طور موثر تصحیح می‌شوند و مشکلاتی مانند انحراف دمای ژیروسکوپ و نویز پویا شتاب‌سنج را برطرف می‌کنند. این امر دقت محاسبه وضعیت را در تمام شرایط عملیاتی به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد و از عملکردهای سطح ورودی پهپاد مانند پرواز خودکار، شناور ماندن ثابت و برنامه‌ریزی مسیر پرواز پشتیبانی می‌کند.

V. سازگاری سخت‌افزار پهپاد و ملاحظات طراحی- پیکربندی محدوده پویا: محدوده ±۲g را برای حالت‌های پرواز استاندارد برای بهبود دقت تشخیص پیکربندی کنید؛ برای حالت‌های پرواز مانور و کروز با سرعت بالا به محدوده‌های ±۸g یا ±۱۶g تغییر دهید تا از سرریز و اعوجاج داده جلوگیری شود.

- بهینه‌سازی مصرف برق: سنسور را برای ورود به حالت خواب فوق کم مصرف در طول آماده به کار پهپاد پیکربندی کنید؛ آن را به طور خودکار بیدار کرده و در طول پرواز به حالت عملیاتی عادی تغییر دهید تا عملکرد تشخیص و استقامت پرواز متعادل شود.

- طراحی ضد تداخل: سنسور را از منابع قوی تداخل الکترومغناطیسی مانند موتورهای پهپاد و ESC دور نگه دارید. همراه با فیلترینگ دیجیتال داخلی، این امر تداخل نویز پرواز را بر داده‌های تشخیص سرکوب کرده و پایداری داده را بهبود می‌بخشد.

- خودآزمایی و کالیبراسیون روشن شدن: با استفاده از تابع خودآزمایی دستگاه، سنسور وضعیت عملیاتی و کالیبراسیون نقطه صفر خود را هنگام راه‌اندازی پهپاد بررسی می‌کند و انحرافات اندازه‌گیری ناشی از خطاهای نصب و انحراف دمای محیط را از بین می‌برد.

VI. خلاصه مزایای

LIS3DE

شتاب‌سنج دیجیتال سه محوره ST

LIS3DE