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Capteur d'inclinaison avec correction gyroscopique
La TWK apporte une contribution par le biais de la fusion de capteurs avec un gyroscope et propose des capteurs d'inclinaison avec correction gyroscopique.
Quelque chose bouge - mais si possible pas de telle manière que des perturbations dans un processus d'exploitation se produisent et certainement pas des accidents. La TWK apporte une contribution à l'aide de la fusion de capteurs avec un gyroscope et propose des capteurs d'inclinaison avec correction gyroscopique. Gyros vient du grec et signifie rotation - il s'agit donc de mouvements de rotation. Il s'agit d'une combinaison intelligente de signaux de mesure pour produire un signal de sortie corrigé qui affiche exactement l'angle de mesure - même dans des conditions de fonctionnement défavorables.
Quelle est la tâche à accomplir ?
Eh bien : il s'agit de la mesure de l'inclinaison. Une méthode peu coûteuse et pourtant bonne consiste à utiliser à cette fin des capteurs dits MEMS. Ces puces électroniques sont petites et se composent de structures électroniques et micromécaniques, c'est-à-dire qu'en plus des circuits microélectroniques habituels, il y a aussi des structures mécaniquement mobiles dans les puces. Ces structures dévient lorsque la force g de la terre agit sur elles. Dans le même temps, les capacités (condensateurs) formées par ces structures changent. Ces derniers sont mesurés et un angle d'inclinaison est calculé et produit.
Si, toutefois, cette cellule MEMS est soumise à d'autres accélérations en plus de l'accélération due à la gravité - que ce soit à cause de vibrations ou de l'accélération d'un véhicule - ces structures MEMS sont également déplacées et une valeur d'inclinaison falsifiée est émise. Le contrôleur connecté peut réagir incorrectement et un accident peut se produire - par exemple avec une machine mobile : grues mobiles, pompes à béton, chariots élévateurs, etc.
C'est là que le gyroscope entre en jeu. Il s'agit d'un capteur de vitesse angulaire, également en technologie MEMS. Cependant, les structures micromécaniques sont conçues de telle sorte que les vitesses angulaires (°/s) sont mesurées et délivrées sous forme de signal de sortie. Il mesure donc les changements d'un angle d'inclinaison et non l'angle d'inclinaison lui-même lorsque le gyroscope MEMS tourne autour de son propre axe ou d'un axe étendu. L'avantage est que les accélérations linéaires mentionnées ci-dessus, qui interfèrent avec le capteur MEMS de l'accéléromètre, n'affectent pas le capteur MEMS du gyroscope car elles ne représentent pas la rotation.
Comment ces deux capteurs peuvent-ils maintenant être combinés pour former un système de mesure de l'inclinaison insensible aux interférences ?
Avec la fusion des données des capteurs et le filtre de Kalman ! La solution consiste à combiner les deux signaux de mesure et à les optimiser au moyen d'un filtre spécifique - le filtre de Kalman. Cette technologie de filtrage permet de calculer, de corriger et de prédéterminer la valeur mesurée à sortir, c'est-à-dire de la déterminer à l'avance pendant une courte période. Cela est nécessaire car l'accéléromètre ne peut pas fournir une valeur de mesure exacte de l'inclinaison lorsque des accélérations dynamiques parasites se produisent. Au lieu de cela, un algorithme récursif est utilisé en temps réel (temps de cycle <1 ms) pour estimer d'abord les valeurs de sortie suivantes sur la base des valeurs mesurées précédentes et ensuite les optimiser constamment à l'aide de nouvelles valeurs réelles mesurées. Pour que le signal du capteur de vitesse de rotation puisse être ajouté, il doit d'abord être intégré dans le temps. Enfin, une série de paramètres sont utilisés pour optimiser au mieux le système, pour lisser les valeurs mesurées et, si nécessaire, pour les adapter aux conditions spécifiques de l'application. Toutes sortes de simulations et de mesures liées à l'application à la TWK montrent que le système de fusion de capteurs fonctionne de manière précise et fiable et permet des taux de mise à jour nettement inférieurs à 1 ms - notamment grâce à une programmation intelligente et peu encombrante dans le contrôleur.
Sur l'image (filtre de Kalman), vous pouvez voir une mesure de changement de pente avec des composantes de perturbation (rouge). Une simple moyenne de plus de 1000 valeurs (en vert) des données d'accélération pures peut lisser des vibrations modérées, mais provoque un retard sensible (~1 s). La combinaison des deux capteurs via le filtre de Kalman (bleu) conduit à un comportement presque idéal.
Ce système de capteurs garantit une utilisation sûre et sans danger non seulement pour les machines mobiles, mais aussi lors du fonctionnement des moteurs, des pompes hydrauliques ou d'autres actions qui génèrent de fortes vibrations. Il mesure plus précisément et plus rapidement que les capteurs précédents et est largement insensible aux accélérations parasites et, en outre, à la déviation de l'inclinaison latérale. Ces capteurs sont très bien adaptés aux applications ayant des exigences dynamiques, où des angles d'inclinaison précis doivent néanmoins être détectés en permanence et transmis à un système de contrôle.
Où peut-on les utiliser ?
Les pompes à béton mobiles sont un bon exemple de l'utilisation des capteurs fusionnés. Ces véhicules se rendent sur un chantier, sont alignés - c'est-à-dire que le train de roulement est placé horizontalement - et la flèche avec le tronc est allongée. Le train de roulement et la flèche sont équipés de capteurs d'inclinaison - jusqu'à présent, tout va bien. Cependant, lorsque la pompe à béton refoule le béton, il y a des impacts courts mais forts. Les accélérations qui se produisent perturbent la mesure de l'inclinaison. Le signal du gyroscope est "zéro" malgré l'accélération linéaire interférente. L'algorithme de calcul reconnaît alors qu'il n'y a pas de changement d'inclinaison et conserve la valeur d'inclinaison précédente, qui est maintenant soumise à de fortes fluctuations du côté des MEMS. Si la pente change exactement au moment de la perturbation, le gyroscope produit une variation en °/s avec une intégrale non nulle. Les deux valeurs sont prises en compte par le filtre de Kalman et sont utilisées pour générer une valeur de pente utile.
Les capteurs combinés ont une plage de température de fonctionnement de -40° à +85° C et mesurent des angles d'inclinaison jusqu'à ±100° avec une résolution de 0,01° et une précision de l'ordre de ±0,1°. Le temps de réponse est de 0,1 s. Il peut être mesuré sur un ou deux axes. Le boîtier robuste en aluminium avec un indice de protection IP67 peut supporter sans problème des conditions environnementales même défavorables. Des classes de protection allant jusqu'à IP69K sont possibles.
