وبلاگ شرکت در مورد ST LIS3DH 3- محور MEMS شتاب سنج با رابط I2C / SPI برای برنامه های کاربردی بدون سرنشین

Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. ST را تامین و بازیافت می کندLIS3DHشتاب سنج MEMS سه محوره، مجهز به رابط های I²C/SPI، مناسب برای کاربردهای پهپاد.

STLIS3DHیک شتاب‌سنج خطی MEMS سه محوره بسیار کم مصرف و با کارایی بالا است که توسط STMicroelectronics راه‌اندازی شده است. این سنسور متعلق به نسل جدیدی از سنسورهای اینرسی در مقیاس نانو است که یک معماری حسگر MEMS اثبات شده را با واحد پردازش سیگنال دیجیتال ادغام می کند، به صورت استاندارد با رابط های ارتباطی I²C/SPI دوگانه عرضه می شود و مزایای کلیدی مانند دقت تشخیص بالا، محدوده دینامیکی گسترده، مصرف انرژی کم و مقاومت در برابر لرزش قوی را ارائه می دهد. این کاملاً برای سنجش وضعیت، تشخیص حرکت، جبران وضعیت و حفاظت از ایمنی در پهپادهای کوچک درجه یک مصرف‌کننده و صنعتی مناسب است، و آن را به یک جزء اصلی حسگر برای سیستم‌های کنترل پرواز هواپیمای بدون سرنشین سبک وزن و مقرون به صرفه تبدیل می‌کند.

منLIS3DHپارامترهای اصلی عملکرد سخت افزار

LIS3DH به طور خاص برای سناریوهای تشخیص حرکت پویا بهینه شده است و با شرایط پرواز پیچیده هواپیماهای بدون سرنشین سازگار است. پارامترهای عملکرد اصلی آن به طور جامع الزامات تشخیص وضعیت پرواز هواپیمای بدون سرنشین را پوشش می دهد و تعادلی از ثبات و عملی را ارائه می دهد.

راLIS3DHاز چهار محدوده اندازه گیری قابل تنظیم پویا پشتیبانی می کند: ± 2 گرم، ± 4 گرم، 8 ± گرم و ± 16 گرم، که می تواند به طور انعطاف پذیر مطابق با سناریوی پرواز پهپاد تغییر کند: برای شناور معمولی و پرواز ثابت، از تنظیم ± 2 گرم با دقت بالا برای اطمینان از دقت تشخیص نگرش استفاده می شود. برای مانورهای با سرعت بالا، غواصی، غلت زدن و دیگر سناریوهای پرواز شدید، برای جلوگیری از اشباع و اعوجاج داده‌ها، به محدوده وسیع‌تری بروید و به طور کامل با تمام حالت‌های حرکتی پهپاد تحت هر شرایط عملیاتی سازگار شوید. نرخ داده خروجی آن را می توان به طور انعطاف پذیر در محدوده 1 هرتز تا 5.3 کیلوهرتز پیکربندی کرد. حالت کم سرعت الزامات کالیبراسیون وضعیت ثابت را برآورده می کند، در حالی که حالت سرعت بالا می تواند دقیقاً تغییرات آنی در وضعیت پهپاد را ثبت کند و نیازهای به روز رسانی های کنترل پرواز با فرکانس بالا را برآورده کند.

از نظر مصرف برق و پایداری،LIS3DHویژگی های حالت های عملکرد چند مرحله ای بسیار کم مصرف. حالت خواب و حالت عملکرد کم مصرف به طور قابل توجهی مصرف انرژی از منبع تغذیه هواپیمای بدون سرنشین را کاهش می دهد، به طور موثر استقامت پرواز را افزایش می دهد و آن را برای دستگاه های پهپاد کوچک با باتری های لیتیومی مناسب می کند. این دستگاه دارای توابع خودآزمایی داخلی، مکانیسم‌های جبران دما و الگوریتم‌های فیلتر ضد لرزش است که به طور موثر سر و صدای تشخیص ناشی از ارتعاشات موتور و اختلالات جریان هوا در طول پرواز پهپاد را سرکوب می‌کند و از خروجی داده‌های شتاب سه محوره پایدار اطمینان می‌دهد و مسائلی مانند رانش داده و قرائت‌های جعلی را حذف می‌کند. علاوه بر این، طراحی بسته میکرو آن جمع و جور و بسیار سبک وزن است و هیچ بار اضافی به بدنه هواپیمای بدون سرنشین اضافه نمی کند و با گرایش به سمت طراحی پهپاد سبک وزن همسو می شود.

II. مزایای کلیدی دو رابط I2C/SPI

راLIS3DHبه طور استاندارد با دو رابط ارتباطی دیجیتال جهانی - I2C و SPI - عرضه می شود و با بردهای اصلی کنترل کننده پرواز هواپیماهای بدون سرنشین (مانند STM32، ESP32 و AT32) سازگار است. می‌توان آن را با سیستم‌های کنترل پرواز با معماری‌های سخت‌افزاری مختلف تطبیق داد، که انعطاف‌پذیری سازگاری دستگاه را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و نیازهای مختلف سیم‌کشی، سرعت داده و توسعه پهپادها را برآورده می‌کند.

1. رابط I2C: انتخاب ترجیحی برای گسترش سبک وزن

رابط I2C از یک حالت ارتباطی دو سیمه استفاده می کند که حداقل منابع پین را روی کنترل کننده اصلی اشغال می کند و سیم کشی ساده ای دارد و در عین حال از زنجیره زنجیره ای چندین دستگاه پشتیبانی می کند. برای پهپادهای کوچک کوچک و سیستم‌های کنترل پرواز که چندین سنسور را یکپارچه می‌کنند،LIS3DHمی تواند گذرگاه I2C را با دستگاه های حسگر مانند ژیروسکوپ، فشارسنج و مغناطیس سنج به اشتراک بگذارد. این امر طراحی مدار سخت‌افزاری را ساده می‌کند، اندازه برد کنترل پرواز را کاهش می‌دهد و هزینه‌های سخت‌افزاری را کاهش می‌دهد و کاملاً الزامات طراحی برای پهپادهای سبک وزن و یکپارچه را برآورده می‌کند. این رابط ارتباط پایدار و مقاومت در برابر تداخل متوسطی را ارائه می دهد، که می تواند نیازهای فرکانس به روز رسانی داده های نگرش را در پهپادهای معمولی تا 100 هرتز برآورده کند.

2. رابط SPI: انتقال با سرعت بالا و با دقت بالا تضمین شده است

رابط SPI از ارتباطات دوطرفه با سرعت بالا با سرعت انتقال داده بسیار فراتر از I2C، تأخیر بسیار کم انتقال داده و مقاومت در برابر تداخل برتر پشتیبانی می کند. برای دستگاه‌هایی که به سرعت واکنش بسیار بالا نیاز دارند - مانند هواپیماهای بدون سرنشین مسابقه، عکس‌برداری هوایی و پهپادهای بازرسی صنعتی - رابط SPI می‌تواند با حداکثر نرخ خروجی 5.3 کیلوهرتز سنسور مطابقت داشته باشد و امکان انتقال بی‌درنگ و بدون تاخیر داده‌های شتاب را فراهم کند. این امر پاسخ‌های تکراری سریع الگوریتم‌های کنترل پرواز را تضمین می‌کند و امکان تصحیح دقیق وضعیت پرواز و جلوگیری از مسائلی مانند تاخیر در وضعیت و انحراف پرواز در طول پرواز با سرعت بالا و چرخش‌های قابل مانور را فراهم می‌کند.

III. سناریوهای کاربردی اصلی برایLIS3DHدر هواپیماهای بدون سرنشین

هسته اصلی کنترل پرواز هواپیماهای بدون سرنشین در تشخیص دقیق وضعیت و وضعیت حرکت بدنه هواپیما نهفته است. با استفاده از قابلیت‌های تشخیص شتاب سه محوره با دقت بالا،LIS3DHمی تواند داده های شتاب خطی را در امتداد محورهای X، Y و Z بدنه هواپیما جمع آوری کند. از طریق محاسبات الگوریتمی، پارامترهای نگرش مانند زوایای زمین و چرخش را استخراج می‌کند و پشتیبانی جامعی از کنترل پرواز پهپاد و حفاظت ایمنی ارائه می‌کند.

1. کنترل تثبیت نگرش پایه

در طول حالت های پرواز اولیه مانند شناور شدن، پرواز در سطح و چرخش،LIS3DHتغییرات در شتاب ناشی از کج شدن و انحراف بدنه هواپیما را در زمان واقعی تشخیص می دهد. همراه با الگوریتم PID کنترل پرواز، سرعت موتور و توان خروجی را در زمان واقعی تنظیم می‌کند تا وضعیت بدنه هواپیما را اصلاح کند و با اختلالات پروازی ناشی از جریان هوا و باد مقابله کند. این امر پرواز پایدار پهپاد را تضمین می‌کند و به طور موثر مسائلی مانند لرزش تصویر در طول عکس‌برداری هوایی و انحراف پرواز را حل می‌کند و به عنوان منبع داده اصلی برای سیستم خودتثبیت پهپاد عمل می‌کند. در مقایسه با سنسورهای سنتی، ویژگی های کم نویز آن به طور قابل توجهی دقت محاسبه نگرش را افزایش می دهد و باعث می شود شناور شدن در ارتفاع پایین و پرواز در نقطه ثابت پایدارتر شود.

2. تشخیص حالت حرکت و تصحیح مسیر

در طول کروز پهپاد، پرواز مسیر و مانور،LIS3DHبه طور دقیق پارامترهای حرکت پویا مانند شتاب، کاهش سرعت، شیب و غلت را ثبت می کند و بازخوردی در زمان واقعی از وضعیت حرکت بدنه هواپیما ارائه می دهد. سیستم کنترل پرواز از داده‌های حسگر برای تصحیح مسیر پرواز در زمان واقعی استفاده می‌کند و اطمینان حاصل می‌کند که پهپاد دقیقاً در مسیر از پیش تعیین‌شده پرواز می‌کند. این برای سناریوهای عملیاتی که نیاز به کنترل دقیق مسیر دارند، مانند عکسبرداری هوایی و نقشه برداری، بازرسی خطوط برق و حفاظت از محصولات کشاورزی مناسب است. بعلاوه، محدوده اندازه گیری گسترده سنسور مانورهای با شدت بالا را در خود جای می دهد - مانند صعود و فرود سریع و چرخش های تیز - در نتیجه از از دست رفتن داده ها جلوگیری می کند.

3. حفاظت از سقوط و اقدامات ایمنی

راLIS3DHاز یک تابع ماشه وقفه آستانه شتاب قابل تنظیم پشتیبانی می کند، که اجازه می دهد آستانه های شتاب غیرعادی از طریق ثبات های پیکربندی تنظیم شوند. در صورت بروز موقعیت‌های ناگهانی مانند سقوط کنترل‌نشده، برخورد یا تصادف، داده‌های شتاب سه‌محور دستخوش تغییر آنی می‌شوند. سنسور به سرعت سیگنال وقفه ای را ایجاد می کند که به پردازنده اصلی کنترلر پرواز باز می گردد. کنترل کننده اصلی می تواند بلافاصله منطق حفاظت اضطراری را اجرا کند، مانند قفل کردن سریع موتورها و قطع برق، در نتیجه احتمال آسیب به بدنه هواپیما و پروانه ها را کاهش می دهد. در عین حال، می‌توان آن را همراه با ثبت خطای پرواز برای ارائه پشتیبانی از داده‌ها برای تشخیص عیب بعدی مورد استفاده قرار داد و ایمنی پرواز پهپاد را به طور قابل توجهی افزایش داد.

4. ناوبری اینرسی کمکی و کالیبراسیون نگرش

در سناریوهایی که سیگنال GPS یا سیگنال های ماهواره ای ضعیف وجود ندارد (پرواز در فضای داخلی، بازرسی بین ساختمان ها، عملیات در ارتفاع کم در جنگل های انبوه)،LIS3DHمی توان آن را با یک ژیروسکوپ ترکیب کرد و یک واحد اندازه گیری اینرسی (IMU) را تشکیل داد. با استفاده از داده‌های شتاب برای جبران خطای رانش یکپارچه ژیروسکوپ، به ناوبری نگرش اینرسی با دقت بالا دست می‌یابد و عملکرد پایدار پهپاد را در محیط‌های بدون سیگنال تضمین می‌کند. علاوه بر این، سنسور کالیبراسیون حالت خودکار را هنگام روشن شدن انجام می دهد و به سرعت صفحه مرجع افقی بدنه هواپیما را شناسایی می کند تا خطاهای اندازه گیری ناشی از انحرافات نصب را حذف کند و دقت کنترل پرواز را افزایش دهد.

IV. خلاصه ای ازLIS3DHمزایای استفاده از پهپادها

در مقایسه با شتاب‌سنج‌های مشابه MEMS، STLIS3DHمزایای جامع قابل توجهی در برنامه های پهپاد ارائه می دهد. در مرحله اول، سازگاری با دو رابط نیاز به یکپارچگی سبک وزن با انتقال داده با سرعت بالا را متعادل می کند و آن را برای همه دسته های راه حل های سخت افزاری پهپاد مناسب می کند. ثانیا، محدوده اندازه گیری گسترده و دقت بالا قابل تنظیم آن، همه شرایط عملیاتی، از شناور استاتیک تا مانورهای پویا را پوشش می دهد. ثالثاً، طراحی بسیار کم مصرف انرژی آن به طور موثر مصرف انرژی کلی پهپاد را کاهش می دهد و در نتیجه استقامت پرواز را افزایش می دهد. چهارم، پایداری و مقاومت بالای آن در برابر تداخل، آن را برای محیط‌های پروازی پیچیده مانند محیط‌هایی که شامل ارتعاشات پهپاد و اختلالات جریان هوا هستند، مناسب می‌سازد. پنجم، ارزش بسیار خوبی برای پول ارائه می دهد و توسعه آن آسان است. با درایورهای رسمی جامع و پیکربندی رجیستر ساده، می توان آن را به سرعت با سیستم های کنترل پرواز مختلف تطبیق داد و چرخه های توسعه محصول را به طور قابل توجهی کوتاه کرد.

به لطف این چندین مزیت اصلی، STLIS3DHبه طور گسترده ای در دستگاه های مختلف، از جمله پهپادهای عکاسی هوایی درجه یک مصرف کننده، هواپیماهای بدون سرنشین مسابقه، هواپیماهای بدون سرنشین کوچک بازرسی صنعتی و پهپادهای آموزشی استفاده شده است. این راه حل شتاب سنج سه محوره مقرون به صرفه و بسیار قابل اعتماد برای سیستم های سنجش اینرسی در کنترل پرواز هواپیماهای بدون سرنشین ترجیحی است.