PROJEKT

Předmět: BROB

Rešerše - snímače inerciální navigace

Vypracoval: Karel Flídr (125420), Pavel Sodomka (125636)

Dne: 13. 4. 2012

2

Obsah:

1 Zadání..............................................................................................................................3 2 Inerciální navigace............................................................................................................4 Inerciální snímače....................................................................................................................5 3 Akcelerometry .................................................................................................................5

3.1 Se seismickou hmotou .............................................................................................6 3.1.1 Piezoelektrické akcelerometry..........................................................................6 3.1.2 Piezorezistivní akcelerometry...........................................................................8

3.2 MEMS Akcelerometry ............................................................................................9 3.2.1 Technologie MEMS.........................................................................................9 3.2.2 MEMS akcelerometry s proměnnou kapacitou...............................................10

3.3 Další......................................................................................................................14 3.4 Akcelerometr ADXL202E.....................................................................................15 3.5 ANALOG DEVICES, INC. A iMEMS TECHNOLOGIE .....................................16 3.6 STRUKTURA AKCELEROMETRU ADXL202E ................................................17 3.7 ZAPOJENÍ A POUŽITÍ AKCELEROMETRU ADXL202E .................................19 3.8 Akcelerometr LIS3LV02DQ .................................................................................20

4 Gyroskopy.....................................................................................................................22 4.1.1 Mechanický gyroskop (Gyroteodolit).............................................................22 4.1.2 Kvantový gyroskop........................................................................................23 4.1.3 Jaderný gyroskop...........................................................................................23 4.1.4 MEMS gyroskopy .........................................................................................23 4.1.5 Optické gyroskopy.........................................................................................25

5 Magnetometry................................................................................................................27 5.1 Magnetické pole Země ..........................................................................................28 5.2 Mechanický kompas ..............................................................................................29 5.3 Indukční kompas ...................................................................................................30 5.4 Hallův kompas.......................................................................................................32 5.5 Magnetorezistivní kompas .....................................................................................34 5.6 Magnetometr KMZ51............................................................................................34

6 Literatura.......................................................................................................................36

3

1 Zadání

Popište základní principy snímačů pro inerciální navigaci. Proveďte průzkum současného

trhu s těmito snímači. Zaměřte se jak na snímače založené na jednom elementárním principu,

tak i na snímače kombinující několik těchto elementárních principů. Rešerše by měla obsahovat

seznam výrobců zabývajících se touto oblastí, příklady jednotlivých nabízených snímačů a jejich

odlišnosti od ostatních. Rešerše by také měla zahrnovat komplexní moduly inerciální navigace s

pokročilým zpracováním dat.

4

2 Inerciální navigace

Metoda zvaná inerciální navigace (inertial navigation) používá tzv. inerciálních senzorů,

jako jsou gyroskopy a akcelerometry pro měření rychlosti pohybu vozidla a následné pozice,

přičemž primární měřenou veličinou je zpravidla zrychlení. Celý princip tedy spočívá v efektu,

že známe-li startovní pozici objektu a zaznamenáme-li změny zrychlení ve všech osách, které

jsou pro měření podstatné, jsme schopni vypočítat současnou rychlost a pozici. Princip metody

je jednoduchý, ale praktická realizace je velmi obtížná, protože s integrací užitečného signálu je

integrována i chyba [3].

Každý volný objekt ve vesmíru má šest stupňů volnosti. Jsou to tři lineární stupně volnosti (x,

y, z), které udávají pozici a tři stupně volnosti rotace (Θ,ψ ,ϕ ), které specifikují polohu

objektu. Pokud je známo těchto šest proměnných, známe polohu, kde se objekt nachází. Pokud

jsou tyto údaje monitorovány po určitou dobu, tak je možné určit dráhu a rychlost pohybu

objektu. Tento způsob navigace se velmi často používá například pro navigaci raket a nazývá

se inerciální navigace [5].

Tato technologie byla patentována v roce 1910 v Německu a později používána k navigaci

raket V–1 a V-2. Ze zrychlení je možné poměrně jednoduše pomocí integrací získat rychlost a

další integrací pozice. Problém integrace je v tom, že je integrováno nejen zrychlení objektu,

ale i všechny chyby vznikající při měření zrychlení. Dnes se používá v ponorkách, tancích,

letadlech a balistických střelách. Nevýhodou inerciální navigace je vysoká cena , způsobená

použitím drahých „konvenčních“ akcelerometrů a gyroskopů. Problém ceny je ale možné

vyřešit použitím relativně levných snímačů vyráběných MEMS technologií [4].

Existují dva základní přístupy k inerciální navigaci. První z nich používá kardanový systém,

který využívá gyroskopicky stabilizovanou platformu pro vyvážení senzorů s předdefinovaným

referenčním rámem. Jejich výhodou je to, že na ně působí menší síly a je snadnější vypočítat

aktuální pozici. Mají nižší spotřebu energie a nižší cenu. Bezkardanový inerciální navigační

systém používá plošinu pevně spojenou s vozidlem a levné inerciální senzory, tedy

akcelerometry a gyroskopy v podobě integrovaných obvodů, což způsobuje příklon především

k této technologii [4].

5

Inerciální snímače

3 Akcelerometry

Akcelerometry jsou v dnešní době velmi používané snímače. Primární veličinou, kterou

akcelerometry snímají je zrychlení. Akcelerometry jsou schopny měřit zrychlení jak dynamické

(síla působící na snímač v pohybu), tak gravitační (působení gravitace). Základní rozdělení

akcelerometrů je na akcelerometry se seismickou hmotou a s proměnou kapacitou, které

využívají technologie MEMS. Druhé rozdělení lze provést podle toho, kolik mají citlivých os,

tedy na jednoosé, dvouosé, tříosé. Tyto senzory mohou měřit od velmi nízkých hodnot g a

dokáží vydržet nárazově i 1000g (Shock Survival). Napájecí napětí se pohybuje většinou od 3

do 24 V. Oblasti, ve kterých se akcelerometry využívají, lze rozdělit do třech skupin:

Samočinné aplikace : airbagy, detekce překlopení, detekce odpojení přívodu paliva,

detekce nárazu, kontrola zavěšení, dynamimická kontrola vozidla, brzdové systémy,

bezpečnost cestujících.

Péče o zdraví a fitness aplikace: rehabilitační přístroje, měření rozsahu tělesného

pohybu, pedometry, ergonomická zařízení, zařízení pro sportovní lékařství, sportovní

diagnostické systémy.

Průmyslové a zákaznické aplikace: detekce pádu, ochrana HDD, MP3 přehrávače,

přenosná elektronika, E- kompasy, stabilizace obrazu, robotika, vstupní zařízení pro

virtuální realitu, bezpečnostní zařízení, navigace, dead reckonig pro GPS, černé

skříňky, kontrola lodní přepravy, akustika, kontrola rovnováhy přístrojů, kontrola

opotřebení ložisek, monitorování seismické aktivity.

6

Obr. 3.1 Způsoby použití akcelerometrů

Rozdělení akcelometrů : Piezoelektrické akcelerometry využívají piezoelektrický krystal, který generuje náboj

úměrný působící síle, která při zrychlení působí na každý objekt.

Piezoresistivní akcelerometry využívají mikrokřemíkovou mechanickou strukturu, kde

zrychlení odpovídá změně odporu.

MEMS Akcelerometry využívají mikrokřemíkovou mechanickou strukturu, kde

zrychlení odpovídá změně kapacity.

3.1 Se seismickou hmotou

3.1.1 Piezoelektrické akcelerometry

Piezoelektrické akcelerometry využívají piezoelektrický materiál - krystal, který

generuje náboj úměrný mechanickému namáhání způsobenému silou působící na tento krystal.

Velikost působící síly je dána velikostí zrychlení a hmotností seismické hmoty podle

Newtonova zákona. Vnitřní elektronika senzoru potom konvertuje náboj na napěťový výstup s

nízkou impedancí. Jednoduchá konstrukce umožňuje připojit přístroj na jednoduchý

7

vyhodnocovací obvod. Tyto snímače nemohou být použity pro měření konstantního zrychlení,

protože nedokážou měřit frekvence nižší než 0.1 Hz.

Princip spočívá v tom, že jedna strana piezoelektrického krystalu je pevně připevněna k

základně senzoru a k protilehlé straně krystalu je připevněna seismická hmota. Jestliže je

akcelerometr vystaven zrychlení a (vibracím, akceleraci, otřesům), působí seismická hmota na

krystal silou, jejíž velikost je dána součinem zrychlení a hmotnosti seismické hmoty. Síla, která

působí na krystal, způsobuje generování elektrického náboje na výstupu senzoru.

Piezoelektrický efekt tak generuje na výstupu náboj q, úměrný působící síle. Protože seismická

hmota má konstantní hmotnost, výstupní signál v podobě náboje je úměrný akceleraci senzoru.

Pokud je akcelerometr pevně upevněn k testovanému objektu, měří i jeho zrychlení.

Akcelerometr charakterizuje nábojová citlivost a napěťová citlivost (Obr. 3.2.1).

Obr. 3.2.1 Fyzikální princip piezoelektrického akcelerometru se základními výpočty

Piezoelektrické akcelerometry, které se používají pro měření vibrací, nárazů a nepřímé

měření rychlostí, mají mírně rozlišné konstrukce. Tyto konstrukce zlepšují požadované

vlastnosti na úkor jiných:

Smykový mód – pro senzory se zvýšenou odolností na vliv teploty a parazitní vibrace

pouzdra;

Ohybový mód – pro měření seismické aktivity;

Kompresní mód – základní provedení pro průmyslové akcelerometry.

Piezoelektrické akcelerometry patří mezi senzory výrobně jednodušší konstrukce, které jsou

známé a vyrábějí se již delší dobu. Jejich výroba je jednoduchá, nevýhodou jsou větší rozměry.

8

3.1.2 Piezorezistivní akcelerometry

Piezorezistivní akcelerometr je senzor, který využívá piezorezistivní materiál místo

piezoelektrického krystalu a jeho prostřednictvím převádí sílu od seismické hmoty na změnu

odporu. V integrovaných piezorezistivních akcelerometrech se využívá sítě leptaných měřících

piezorezistivních snímačů zapojených do Wheatstonova můstku. Piezorezistivní akcelerometry

mají výhodu proti piezoelektrickým v tom, že mohou měřit i konstantní zrychlení, to znamená

frekvenci změn od 0Hz. Dnes nejpoužívanější princip, využívaný v integrovaných

akcelerometrech, byl objeven již v roce 1979. Je založen na použití ohybu jednoho

konzolového nosníku z piezorezistivního křemíkového materiálu vlivem působícího zrychlení.

Ohybem se mění odpor, který je měřen. Piezorezistivní akcelerometry mají tyto vlastnosti :

Malá velikost, netečné pouzdro, snadná společná integrace senzoru a elektroniky

Citlivost na zrychlení menší než jedna setina gravitačního zrychlení

Velká šířka pásma, velká přesnost, lineární výstup, nízká cena

Stabilní výstup přes celý rozsah výstupních teplot

Senzor by měl být citlivý pouze na požadovanou složku zrychlení

Princip snímače spočívá v tom, že hmota piezorezistivního akcelometru je v podstatě zátěž

na pružině. Když se rám snímače pohne, hmota má tendenci setrvávat v klidu až do doby, kdy

napjatá pružina předá dostatek síly hmotě k pohybu. Síla působící na pružinu je úměrná

deformaci, která je dále přímo úměrná měřenému zrychlení. Od akcelerometru se očekává, že

bude citlivý pouze na zrychlení v požadovaném směru. Tato podmínka je prakticky velmi těžce

splnitelná a proto akcelerometr, měří parazitně i zrychlení v ostatních osách. Tato nežádoucí

citlivost se označuje jako křížová citlivost (cross-sensitivity). Je vyjádřena poměrem citlivosti v

ostatních směrech vůči směru měřenému. Křížová citlivost způsobuje chybu měření.

9

Obr. 3.2.2 Vnitřní struktura piezorezistivního akcelerometru

U piezorezistivních akcelerometrů se využívají takové koncepty, jako jsou například

vícenosníkové a samotestující struktury ve spojení se společnou integrací s řídícími a

vyhodnocovacími obvody. Piezorezistivní akcelerometry se díky svým vlastnostem hojně

využívají. Výhodou je spodní hranice měřitelnosti blízká nule a vysoká citlivost. Nevýhodou

pak je významná závislost výstupu na teplotě, kterou je však možné částečně kompenzovat

samočinným testováním.

3.2 MEMS Akcelerometry

3.2.1 Technologie MEMS

Technologie MEMS je v podstatě spojení integrovaných obvodů, mechanických

elementů, senzorů, akčních členů, řídící a vyhodnocovací elektroniky na jeden křemíkový

substrát prostřednictvím různých výrobních technologií. Zatímco elektronické části jsou

10

vyráběny "tradičními" technologiemi typu CMOS, Bipolar nebo BiCMOS, mikromechanické

části jsou zhotovovány prostřednictvím technologií různého selektivního leptání, nebo

implementováním nových vrstev. Přínosem technologie MEMS je především zmenšení

rozměrů, nízká spotřeba snímačů vyráběných pomocí této technologie.

Obr. 3.3.1 Křemíková pružina vyrobená technologií MEMS a porovnání některých

mechanických MEMS komponent s roztočem.

Pomocí technologie MEMS lze vytvářet miniaturní až mikroskopické systémy o rozměrech

několika milimetrů až mikrometrů, složené ze snímačů, převodníků, elektrických obvodů a

aktuátorů, které tvoří MEMS zařízení.

Mezi výhody MEMS zařízení patří malé rozměry, nízká spotřeba, vysoká mechanická

odolnost, kompaktnost, nízká cena při velkých sériích. V současnosti jsou používány tři

způsoby výroby MEMS struktur - před vlastním procesem CMOS, v jeho průběhu nebo až po

dokončení tohoto procesu. Celý výrobní proces se obvykle skládá ze sekvence operací, při

kterých se postupně formují požadované mechanické struktury, jako jsou nosníky, ozubená

kolečka, ložiska, tyčky apod.

Technologie MEMS se používá například na výrobu prvků, které nachází uplatnění v

automobilovém průmyslu, medicíně optoelektronice a dalších průmyslových i neprůmyslových

aplikacích. Vzájemné interakce mechanické pohyblivé struktury a vyhodnocovací digitální a

analogové elektroniky používají například akcelerometry, gyroskopy, oscilátory, rezonátory,

optoelektronické přepínače a další zařízení.

3.2.2 MEMS akcelerometry s proměnnou kapacitou

Princip činnosti MEMS akcelerometrů je založen na změně kapacity vnitřního

proměnného integrovaného kondenzátoru, vlivem působící síly vzniklé zrychlením pouzdra

11

senzoru. Struktura obvodu obsahuje polykřemíkový mikromechanický senzor a technologií

BiMOS integrované obvody pro zpracování signálu ze senzoru. Struktura senzoru umožňuje

měřit kladná i záporná, gravitační i dynamická zrychlení.

Obr. 3.3.2 Nalevo je zobrazena struktura senzoru bez působení zrychlení, napravo je

struktura snímače při působení zrychlení.

Vlastní integrovaný senzor (Obr. 3.3.2) je tvořen mikromechanickou strukturou (nosník,

pružiny, pevné úchyty), vytvořenou na povrchu křemíkového monokrystalu. Křemíkové

pružiny umožňují pohyb celé mechanické struktury po povrchu monokrystalu a zároveň kladou

mechanický odpor proti síle vzniklé zrychlením. Prohnutí a deformace takovéto struktury je

převedeno na změnu kapacity kondenzátorů v diferenčním zapojení.

Kondenzátory jsou složeny ze dvou pevných desek a prostřední desky pevně spojené s

deformujícím se nosníkem. Takto realizované dva kondenzátory tvoří dělič pro dva

obdélníkový signály stejné amplitudy vzájemně posunuté ve fázi o 180°, které budí jeho pevné

desky. Zrychlením působícím na senzor, dojde k posunutí prostřední desky a tím dojde ke

změně dělícího poměru (Obr. 3.3.2). Na výstupu se objeví obdélníkový signál o amplitudě

úměrné hodnotě zrychlení a fázi, která nese informaci o směru pohybu nosníku, tedy o směru

působícího zrychlení.

Konkrétní akcelerometry

Všechny senzory jsou produkty společnosti Analog Devices a patří do skupiny MEMS

akcelerometrů s proměnnou kapacitou.

12

ADXL 202

Akcelerometr ADXL 202 je levný, energeticky nenáročný, dvouosý akcelerometr, který

je schopný měřit jak dynamické, tak gravitační zrychlení. Jeho výstupem je digitální signál,

jehož pracovní cyklus (poměr šířky pulsu k periodě) je úměrný zrychlení. Tyto signály mohou

být měřeny přímo mikroprocesorem bez použití A/D převodníku.

Obr. 3.2.2.1 Technické údaje snímače ADXL 202

Šířka pásma snímače může být nastavena pomocí kondenzátorů Cx a Cy v rozsahu 0.01Hz až

5 kHz. Matematická závislost mezi kapacitou a šířkou pásma je dána následujícím vztahem:

)),()32(2(1

3 yxxCkF dB

(3.1)

C(x,y) představuje velikost obou kondenzátorů v mikrofaradech. Samotné měření pomocí

mikroprocesoru pak spočívá v měření obou časů 1 T a 2 T , které jsou ohraničeny dvěma

vzestupnými a jednou sestupnou hranou (Obr. 3.2.2.2).

Obr. 3.2.2.2 Pulzně šířková

Délka impulsu T1 je úměrná působícímu zrychlení. Perioda T2 je během měření konstantní, ale

lze ji měnit hodnotou externího připojeného rezistoru Rset v rozmezí 0.5ms až 10ms.

Nominální hodnota délky T1 je 50% T2 pro působící zrychlení 0 g.

13

ADXL 203

Akcelerometr ADXL 203 představuje jednoduché řešení, umožňující rychlé výpočty. Je

integrován v 8-pinovém pouzdře, dva piny jsou použity pro napájení (COM a Vs) dva jako

výstup napětí, která odpovídají měřeným napětím (X výstup, Yvýstup) a jeden pin je použit

pro ověření funkčnosti snímače. Spojitá šířka pásma jednotlivých os je nastavována kapacitou

kondenzátorů Cy a Cx připojenými na X výstup a Y výstup.

Obr. 3-2-3 Technické údaje snímače ADXL 203

ADXL 330

Je velmi podobný typu ADXL203, od kterého se liší měřením ve všech třech osách a

nižší přesností.

14

Obr. 3.2.2.4 Technické údaje snímače ADXL 330

3.3 Další

Na dnešním trhu je k dostání několik druhů akcelerometrů fungujících na různých

principech a vyráběnými různými technologiemi výroby, které jsme shrnuli výše. Kapacitní

snímání pohybu narozdíl od piezoodporového nebo piezoelektrického má několik výhod k

nimž patří teplotní stabilita, opakovatelnost, CMOS obvodová kompatibilita a schopnost

měření zrychlení o nízké frekvenci. Z těchto důvodů také většina akcelerometrů vyráběných

technologií bulk MM (slepení senzoru a elektronického obvodu) přešly na kapacitní snímání

pohybu. U těchto akcelerometrů došlo ke zlepšení mnoha parametrů, přesto mezi limitující

faktory stále patří omezení jen na jednu osu snímání, nízká rezonanční frekvence a cena.

Až kombinace kapacitního snímání a sufrace MM (mikromechanická) technologie výroby

přinesla výborné parametry za přijatelnou cenu. Existují dva základní přístupy k sufrace MM

výrobní technologii. Motorola vyrábí dvou-čipovým způsobem. Samotný senzor vyrábí

technologií sufrace MM a takto vyrobený senzor je zapouzdřen a drátovými propojkami spojen

s čipem pro úpravu signálu. Analog Devices používá technologii kdy senzor i obvody pro

úpravu signálů jsou integrovány na jediném čipu. Tato technologie je nazývána iMEMS

(integrované mikro-elektromechanické systémy) a příkladem této technologie je akcelerometr

ADXL202.

Samostatnou kapitolou jsou pak s ADXL202E pinově kompatibilní tepelné konkureční

digitální akcelerometry vyráběné MEMS technologií firmou MEMSIC. Tyto akcelerometry

15

mají přibližně stejné parametry i cenu a díky tomu že fungují na zcela odlišném principu

dosahují mnohonásobně větší odolnosti proti nárazům (až 50.000g). Jsou určeny pro měření

zrychlení s frekvencí do 100 resp. 400 Hz. Akcelerometry nevyužívají pohyblivé části, resp.

seismickou hmotnost m. Uvnitř ve středu akcelerometru je odporový materiál, který ohřívá

vzduch jenž ve svém okolí vytváří teplotní gradient. Pokud na akcelerometr nepůsobí zrychlení

zaznamenávají kolem odporového materiálu symetricky umístěné teplotní čidla stejnou teplotu.

Při působení zrychlení dojde k naměření diferenční teploty mezi jednotlivými čidly, která je

úměrná zrychlení.

Motorola vyrábí klasické jednoosé kapacitní MEMS akcelerometry s digitálním výstupem. Typ

1260D má rozsah rozsah ±1,5g úrovní šumu 500mg / √Hz. Typ 1270D má rozsah rozsah

±2,5g úrovní šumu 700mg / √Hz. ADLX202E má tedy lepší úroveň šumu, což je důležitý

parametr akcelerometru pro použití jako senzor pro navigaci.

Firma !STMicroelectronics vyrábí typ LIS2L02AQ, dvouosý akcelerometr s pouze

analogovým výstupem, rozsah ±2g a s úrovní šumu 50mg / √Hz. Nižší úroveň šumu však

nekompenzuje absenci digitálního výstupu u toho akcelerometru. Mezi další firmy na poli

akcelerometrů patří např. DELPHI, Kionix, !ICSensors, Honeywell.

Mezi další mnohem dražší akceleromerty patří např. elektromechanické a rezonanční

akcelerometry. Kromě pro nás nepřijatelně vysoké ceny mají elektromechanické akcelerometry

navíc příliš velké rozměry.

Po prozkoumání nabídky akcelerometrů musím tedy konstatovat, že pokud máme použít

akcelerometr pro navigaci všesměrového robota, pak je ADXL202E dobrou volbou.

3.4 Akcelerometr ADXL202E

ADXL202E je dvouosý digitální akcelerometr vyráběný iMEMS technologií a je

vylepšenou verzí staršího typu ADXL202AQC/JQC. Mezi jeho základní parametry patří

rozsah ±2g (±20m/s2), nízká spotřeba a cena. ADXL202E je určen jak pro měření

dynamických zrychlení (např. vibrací) tak pro měření statických zrychlení (např. gravitačního

zrychlení).

16

Akcelerometr má jak analogový tak i digitální výstup. Digitálním výstupem akcelerometru pro

každou z navzájem kolmých os je signál jehož střída (poměr mezi šířkou pulsu a periodou

signálu) je lineárně úměrná zrychlení (PWM - Pulse Width Modulated) v dané ose. Tyto

výstupní signály mohou být měřeny přímo čítačem mikroprocesoru, takže není třeba dalších

obvodů (A/D převodník). Perioda PWM signálu je nastavitelné od 0,5 do 10 ms (tj. 0,1 až 2

kHz) pomocí hodnoty externího rezistoru (RSET). Při použití analogového výstupu je možno

použít výstupy XFILT a YFILT nebo můžeme na digitální výstupy připojit filtry a analogový

signál rekonstruovat.

Šířka pásma ADXL202E může být nastavena od 0,01Hz do 6kHz pomocí kondenzátorů CX a

CY. Typická úroveň šumu 200mg / √Hz dovoluje rozpoznání signálů s minimální úrovní 2 mg

při šířce pásma do 60Hz.

ADXL202 je vyroben iMEMS technologií. Integrace mechanicky citlivých částí a

elektronických obvodů pro zpracování signálů na jednom kousku křemíku tak umožňuje

dosáhnout uváděných výhod (cena, parametry, velikost, kvalita a spolehlivost). Výrobce

akcelerometru je firma Analog Devices, Inc.

3.5 ANALOG DEVICES, INC. A iMEMS TECHNOLOGIE

Firma Analog Devices, Inc. (dále jen ADI) je přední výrobce integrovaných obvodů pro

analogové i digitální aplikace v oblasti zpracování signálů. Sídlo firmy se nachází V USA ve

městě Norwood (stát Massachusetts). Firma zaměstnává 8800 lidí a má výrobní závody v USA

(Massachusetts, California, North Carolina), Irsku, na Filipínách, Taiwanu a ve Velké Británii.

ADI je průkopníkem v oblasti mikromechanických integrovaných obvodů (micromachined IC).

V roce 1991 vyrobila první vzorky akcelerometrů technologií iMEMS. S prodejem začala v

roce 1993 a v září roku 2002 oznámila prodej 100 miliontého kusu iMEMS akcelerometru.

Svou vedoucí pozici na poli iMEMS obvodů potvrzuje také její 50% podíl na trhu s

akcelerometry pro airbagy v automobilovém průmyslu, kde iMEMS akcelerometry vyhovují

náročným požadavků na kvalitu a bezpečnost (chybovost výroby čipů se pohybuje v

jednotkách PPM), životnost (minimálně 15 let) a 100% dodržení dodacích lhůt.

17

Důkazem jejího náskoku v oblasti iMEMS je také jediný komerčně dostupný iMEMS

gyroskop. ADI má registrováno více než 50 patentů v oblasti iMEMS a u mnoha dalších čeká

na jejich schválení. Divize Mikromachined Products, Analog Devices má pět set lidí, tři

vývojová centra a tři výrobní místa zaměřená na iMEMS produkty.

Pokrok a velký objem výroby Analog Devices automobilových čidel nárazu pro airbagy

umožnil další slibný vývoj senzorů zrychlení pro jiné aplikace a to především kvůli dobrým

parametrům a nízké ceně. V automobilovém průmyslu patří do těchto jiných oblastí senzory:

bočního nárazu, odbočení, převrácení, stability, navigační, detekce vibrací a přetížení (převoz

křehkých zásilek), pro inerciální brzdové systémy a pro automobilové alarmy. Díky své cenové

výhodnosti, obecné použitelnosti a hotovému řešení snímání pohybu umožňují iMEMS senzory

zrychlení další rozvoj spotřebních a průmyslových aplikací. Zjednodušují, zlepšují a zlevňují

monitorování vibrací u počítačových komponent (pevné disky, základní desky) a u

průmyslových strojů a zařízení, detekci zemětřesení, rozpoznávání pohybu pro zařízení do ruky

(handheld devices), korekci obrazu při náklonu LCD projektorů, systémy chránící přenosné

počítače, automobily a další zařízení proti odcizení. Umožňují také nové použití v oblasti audio

techniky u aktivních subwooferů, v nových generacích chytrých domácích spotřebičů, v

osobních navigačních systémech počítačů nošených na těle, v ovládacích zařízeních pro hráče

počítačových her, v hračkách, v elektronice pro zvýšení bezpečnosti a zdraví a pro trénink

sportovců (krokoměry, monitorování spotřeby kalorií lidským organizmem), v pomůckách pro

výuku na školách, atd.

3.6 STRUKTURA AKCELEROMETRU ADXL202E

Základ samotného senzoru akcelerometru - destička čtvercového tvaru z

polykrystalického křemíku se 40 zuby na každé ze svých čtyř stran tvoří seismickou hmotnost

m. Destička senzoru je zakotvena pružnými prvky ve svých rozích k monokrystalickému

křemíkovému substrátu. Okolo senzoru jsou obvody pro úpravu signálu a výstupní obvody.

Každý z 80 zubů senzoru pro každou z os X a Y představuje střední pohyblivou elektrodu

soustavy stejného počtu diferenčních kapacitních kondenzátorů s proměnnou vzduchovou

mezerou. Pohyblivé elektrody jsou tedy pevně spojeny s destičkou senzoru (seismickou

hmotností m) a pevné elektrody jsou pevně spojeny s podložkou z monokrystalického

křemíkového substrátu. Při působení zrychlení dojde k deformaci pružných prvků a změně

diferenční kapacity kondenzátorů.

18

Kapacita mezi pohybujícím se zubem, který je pevně spojen s destičkou senzoru a jednou

pevnou elektrodou je úměrná ploše překrytí a vzdáleností mezi zubem a elektrodou. Protože

chceme dosáhnout čím jak nejmenšího šumu a čím jak největšího rozlišení senzoru musíme

dosáhnout tak velkou kapacitu jednoho diferenčního kondenzátoru jak je to jen možné.

Rozměry pohyblivých elektrod kondenzátoru jsou však omezeny možnostmi výroby. Výška je

dána přesně a to hodnotou 2 mm, zatímco délka překrytí elektrod je omezené hranicí asi 125

mm. Větší délka zubů (pohyblivé elektrody) není možná, důvodem je hlavně mnohem více

náročnější výroba, což by se velmi nepříznivě promítlo do výsledné ceny.

Pohyblivá destička senzoru je uchycena ve svých rozích polykřemíkovými pružnými prvky a

tím je také kontrolován její pohyb. Tyto pružné prvky a pohyblivá destička senzoru se řídí

fyzikálními zákony, které známe ze střední školy. Síla (F) působící na hmotnost (m) vyvolává

její zrychlení (a), podle druhého Newtonova pohybového zákona se F = m a. Pohyb (x)

omezujících pružných prvků (podle Hookova zákona) je úměrný působící síle, F = k x. Z toho

vyplývá, že x = ( m / k ) a. V této rovnici můžeme ovlivnit pouze dva parametry, hmotnost (m)

a konstantu tlumení (k). Snížení hodnoty konstanty tlumení se jeví jako jednoduchá cesta jak

zvýšit citlivost. Bohužel, jak je obvyklé, nic není zadarmo. Rezonanční frekvence pohyblivé

destičky senzoru je úměrná právě této konstantě tlumení. Navíc větší konstanta tlumení zvyšuje

také odolnost senzoru proti přetížení (schopnost přežít větší „nárazy“). Pokud tedy zanecháme

tlumící konstantu tak velkou jak je to jen možné zůstane nám jediný parametr a tou je

zmiňovaná hmotnost.

Zvětšení hmotnosti však zvětšuje také plochu senzoru. Rozlišení akcelerometru je však

důležitější než jeho malé rozměry. U jiných akcelerometrů (např. ADXL250) bylo použity dvě

samostatné pohyblivé destičky pro každou z os X a Y. U ADXL202 byla navržena nová

struktura. Zuby, které představují X a Y diferenční kondenzátory jsou integrovány podél stran

jediné čtvercové pohyblivé destičky. Toto uspořádání zmenšuje plochu čipu i přestože zvyšuje

rozlišení ADXL202.

Senzor je vyráběn standardní technologií výroby křemíkových integrovaných obvodů a díky

tomu je dostupný za nízkou cenu. Je použito standardní technologie, tedy kombinace vrstev

polykrystalického křemíku a kysličníku (oxide). Poté je použita fotolitografie a selektivně je

vyleptán senzor tvořený 3-rozměrnou strukturou zavěšenou nad podložkou tak, aby se mohl

hýbat ve všech potřebných směrech. V okolí senzoru jsou vytvořeny elektronické obvody.

19

U starších typů akcelerometrů (např. ADXL50) bylo použito měření se zpětnou vazbou.

Výstupní napětí demodulátoru bylo přivedeno na střední pohyblivou elektrodu a vyvolávalo

elektrostatický zpětnovazební silový účinek, vyvažující působení měřeného zrychlení. U

ADXL202 však měřící obvody pracují bez zpětné vazby (otevřená smyčka).

3.7 ZAPOJENÍ A POUŽITÍ AKCELEROMETRU ADXL202E

U ADXL202 jsou pevné elektrody diferenčních kondenzátorů napájeny navzájem

invertovaným obdélníkovým napětím. Působením zrychlení dochází k rozvážení kapacity

diferenčních kondenzátorů což má za následek změnu obdélníkového napětí jehož amplituda je

úměrná zrychlení. K vylepšení signálu a rozpoznání směru zrychlení (kladný nebo záporný)

využívá demodulátor fázově citlivé demodulační techniky.

Výstup demodulátoru řídí stupeň pulsně šířkové modulace (PWM) přes rezistor s hodnotou

32kW. Za tímto rezistorem jsou dostupné pro každou z os vývody (XFILT a YFILT) pro

připojení externích kondenzátorů (CX a CY), které umožňuje nastavit požadovanou šířku

pásma akcelerometru (F-3 dB = 5 mF / C(X,Y)). Tato filtrace pomocí dolní propusti potlačuje

šum a aliasing efekt.

Za touto dolní propustí je analogový signál převeden pomocí pulsně šířkového modulátoru na

digitální. Jedním externím rezistorem RSET je nastavena perioda (T2) na požadovanou

hodnotu od 0,5 ms do 10 ms, T2 = RSET (W) / 125 MW. Zrychlení 0 g odpovídá úroveň

modulace 50 %, hodnotě 1 g odpovídá změna této úrovně modulace o 12,5 %. Hodnotu

zrychlení je možno vypočítat z úrovně modulace, tedy z hodnot T2 (perioda) a T1 (šířka

impulsu). Digitální výstupy XOUT a YOUT připojíme k mikroprocesoru na jeho vstupy

čítač/časovač nebo vstupy pro externí přerušení, což nám umožní měřit mikroprocesorem

hodnoty T1 a T2 a vypočítat hodnotu zrychlení .

Vývod VDD akcelerometru slouží k jeho napájení (3V až 5,25V), vývod COM je společný

vývod pro zem. Mezi vývody VDD a COM je nutné připojit filtrační kondenzátor CDC

(decoupling capacitor) s hodnotou 0,1 mF. V některých případech, hlavně pokud akcelerometr

sdílí napájení s některým digitálním zařízením (např. mikroprocesorem), může docházet k

rušení, které se projeví na výstupu akcelerometru. Na vývodech XFILT a YFILT pak můžeme

20

sledovat pomalé zvlnění napětí. Pokud chceme tento efekt potlačit je možné připojit napájení

přes rezistor s hodnotou 100W (nebo menší) nebo použít malé filtrační feritové jádro.

Můžeme říci že pro použití akcelerometru ADXL202E s digitálním výstupem připojeným na

mikroprocesor je nutné doplnit obvod ještě externími součástkami CX, CY, RSET, CDC a

součástkami, které vyžaduje samotný mikroprocesor (krystal, pull-up rezistory a filtrační

kondenzátory) a dostaneme hardwarovou část pro měření zrychlení resp. vibrací.

Pokud na vstupní vývod přivedeme napájecí napětí VDD, pak začne uvnitř senzoru působit

elektrostatická síla, která simuluje zrychlení a vyvolá změnu úrovně modulace asi o 10%, což

odpovídá zrychlení asi 800mg. Můžeme tak zjistit zda akcelerometr reaguje na zrychlení, tj.

zda nedošlo k jeho poškození (např. slepení pevné elektrody s pohyblivou vlivem velkého

nárazu). Pokud nechceme tento vývod použít, může zůstat nezapojen nebo jej můžeme připojit

k vývodu pro zem – COM.

Na WWW stránkách firmy Analog Devices najdeme mnoho aplikačních listů k akcelerometru

ADXL202 a v nich další informace o použití, výpočtu hodnot externích součástek, aplikační

poznámky, ukázky programového kódu pro nejrůznější mikroprocesory, návod k snížení

spotřeby na minimum atd. Tyto aspekty nebudeme dále rozebírat. Protože však rozlišení a

šířka pásma jsou důležité parametry a u ADXL202 spolu úzce souvisí je nutné se o nich zmínit.

3.8 Akcelerometr LIS3LV02DQ Popis senzoru

LIS3LV02DQ je tříosý lineární akcelerometr s digitálním výstupem vyrobený MEMS

technologií, který obsahuje senzorovou část a rozhraní pro komunikaci senzorové části a okolí

pomocí sériového I2C nebo SPI na jednom integrovaném obvodu. Rozhraní I2C je vyráběno

za pomocí CMOS procesu, který umožní vysokou úroveň integrace designu a jedinečný obvod

který je v továrně seřízen na nejlepší možnou charakteristiku senzoru. LIS3LV02DQ má

uživatelem plně volitelný rozsah ±2g nebo ± 6g a je schopen měření zrychlení v šířce pásma

640 Hz pro všechny osy. Šířka pásma může být upravena podle daného využití v aplikaci.

„Self-test“ umožňuje jednoduše uživateli zjistit funkčnost systému. Zařízení může být

nastaveno ke generování inerciálního „wake-up“ nebo „free-fall“ přerušovacího signálu, když je

překročena naprogramovaná hranice zrychlení v jedné nebo více ze tří os akcelerometru.

21

LIS3LV02DQ je dostupný v plastické SMD pouzdru a jeho rozsah teplotního použití udává

výrobce od -40°C do +85°C. Tento senzor patří do skupiny produktů vhodných v různých

aplikacích: detekce volného pádu, aktivační pohybová funkce v přenosných terminálech,

zabezpečovací systémy, inerciální navigace, měření vibrací, herní průmysl a zařízení pro

virtuální realitu.

Struktura akcelerometru LIS3LV02DQ

LIS3L02DQ je „low-cost“ senzor v plastické pouzdru Quad Flat No-Lead(QFN) vyráběný

technologií umožňující realizovat pružné silikonové struktury, které jsou připojeny na

podložku v několika bodech nazvaných kotvami a volně se pohybující v rovině paralelní k

substrátu. Z důvodu kompatibility s tradičními pouzdry je citlivá část umístěna na horní část

senzoru, aby se zabránilo blokování pohyblivé části během výrobního procesu plastického

pouzdra. Při aplikaci lineárního zrychlení, zkouškou vychýlením senzorické části z klidové

pozice, dojde k rozvážení kapacitního půl můstku. Toto rozvážení je měřeno za pomoci

nábojové integrace jako odezva na napěťové pulsy z citlivého kapacitoru. Nominální hodnota

kapacitorů v ustálené poloze je v rozmezí několika pF a když působí zrychlení tak maximální

změna kapacity vzroste o 100fF.

obr. 4.5 Blokové schéma senzoru

22

Měřící rozhraní integrovaného obvodu je založeno na standardním CMOS procesu zaručující

vysokou úroveň integrace. Celý měřící řetězec je složen ze zesilovačů s nízkým šumem, které

převádějí nestabilní kapacitu z MEMS senzoru na analogové napětí a tří ΣΔ A/D převodníků,

jeden pro každou osu, které převádějí produkovaný signál na digitální. Převodníky ΣΔ jsou

úzce spojeny s rekonstrukčními filtry, které odstraňují vysoké frekvence šumu při kvantování a

zaručují jeho nízkou hodnotu a velké rozlišení digitálních slov. Nábojový zesilovač a ΣΔ

převodníky jsou provozovány v tomto pořadí na 107.5 kHz a 35.8 kHz. Rozsah dat na výstupu

je závislý při rekontrukci na uživatelem vybraným „decimation faktoru“ a je v rozsahu od 280

Hz do 4480 Hz. K měřeným datům je možné přistupovat pomocí I2C nebo SPI rozhraní, které

činí senzor mimořádně vhodným pro přímé připojení k mikrokontorléru. LIS3L02DQ je

význačný „Data-Ready“ signálem, který indikuje nově dostupná naměřená data s informací o

akceleraci a tak zjednodušuje synchronizaci v digitálním systému. LIS3L02DQ může být také

nakonfigurován ke generování „Wake-up“ signálu přerušení podle naprogramované úrovně

zrychlení v dané ose.

4 Gyroskopy

Gyroskopy jsou snímače, které se používají k stanovení úhlové rychlosti a natočení.

Gyroskopy lze rozdělit dle použitého fyzikálního principu na tyto skupiny :

Mechanické

Kvantové

Jaderné

Elektrické

Optické

4.1.1 Mechanický gyroskop (Gyroteodolit)

Gyroteodolit je přístroj k přímému určování azimutů zvolených směrů. Gyroskop je

těleso tvaru kovového prstence, nebo kovové desky rychle rotující kolem osy na toto těleso

kolmé. Není-li gyroskop ovlivněn vnějšími silami, udržuje jeho rotační osa v prostoru stálý

směr. Pokud je setrvačník umístěn na povrchu Země, je unášen spolu s rotující Zemí, a tím se

23

obecně mění směr jeho rotační osy. Setrvačník na to reaguje tak, že se snaží srovnat svou

rotační osu s rotační osou Země. Stabilizovaný setrvačník svou osou ukazuje k severu a

vytyčuje tak jedno rameno azimutu. Gyroskop na rozdíl od kompasu nereaguje na blízkost

železných předmětů a vysokého napětí.

Obr. 3-4 Klasický mechanický gyroskop

4.1.2 Kvantový gyroskop

Patří mezi zvláštní případy gyroteodolitů, nevyužívá vlastností setrvačné hmoty, ale

vlastností atomových jader.

4.1.3 Jaderný gyroskop

Využívá principu jaderného paramagnetismu látek (voda, organické roztoky, helium,

páry rtuti). Atomy nebo molekuly těchto látek mají v základním stavu magnetický moment

daný spiny (vlastní moment hybnosti) jader. Orientujeme-li magnetické momenty jader

magnetickým polem a potom pole zrušíme, pak nepůsobí-li jiné magnetické pole, zachová si

výsledný magnetický moment po jistou dobu svoji prostorovou orientaci, nezávisle na změny

polohy zařízení obsahujícího látku. Hodnota výsledného magnetického momentu bude v

důsledku relaxace postupně klesat. Proto se pro jaderné gyroskopy volí látky s velkými

relaxačními časy.

4.1.4 MEMS gyroskopy

24

Stejně jako v případě MEMS akcelerometrů obsahují MEMS gyroskopy mimo

samotného snímače i celou škálu vyhodnocovacích, řídicích obvodů a logiky. Výstupní signál

je pak analogový nebo digitální. Rotaci je možné typicky měřit vzhledem k jedné ze tří os z, y,

x . Gyroskopy vyráběné jako integrované MEMS obvody pracující na principu Coriolisovy síly,

umějí měřit pouze v jednom směru, a to je směr kolmý na plochu obvodu. Pro jiné směry je

nutné zajistit správné natočení a umístění součástky.

Coriolisova síla je takzvaná virtuální síla, která působí na libovolný hmotný objekt , či předmět,

který se pohybuje rychlostí vr v soustavě, která rotuje kolem osy úhlovou rychlostí ω.

Coriolisova síla působí na každý hmotný objekt na zemi.

F = mv× ω . (3. 2)

m … hmotnost ( kg )

v … rychlost ( m . s -1 )

ω… úhlová rychlost (rad . s -1 )

Obr. 3.4.4 Příklad funkce struktury snímače gyroskopu při rotaci.

Provedení samotného MEMS snímače vypadá tak, že základ tvoří rezonující struktura

upevněná v rámu, která se vlivem vlastní mechanické rezonance, zde reprezentované

pružinami, pohybuje v uvedeném směru kolmém na směr otáčení (Obr. 3.4.4). Přitom vzniká

Coriolisova síla úměrná úhlové rychlosti otáčení, která stlačí vnější pružiny rámu a způsobí

vzájemný posuv měřících plošek, které mají funkci elektrod vzduchových kondenzátorů.

Výstupem je tedy změna kapacity úměrná úhlové rychlosti. Stejného účinku se pak využívá i v

mechanických gyroskopech. Zde při pohybu objektu, upevněného na pružinách uvnitř rámu,

25

směrem ven, působí na něho Coriolisova síla směrem doleva, při opačném směru pohybu

objektu pak působí směrem doprava. Protože velikost a směr této síly je úměrný i velikosti

úhlové rychlosti a směru otáčení, lze tento systém s úspěchem využít pro jejich měření.

4.1.5 Optické gyroskopy Optické gyroskopy jsou založeny na principu Sagnacova jevu, kdy při rotaci kruhového

vlnovodu úhlovou rychlostí Ω , v němž proti sobě obíhají dva světelné svazky (paprsky), je

obvodová rychlost svazku ve směru Ω zvyšována, a pro opačný směr snižována o hodnotu v =

Ω⋅ R , tj. o obvodovou rychlost rotace vlnovodu. Optické gyroskopy lze rozdělit na dva

druhy:

Laserový - při rotaci dochází na optické dráze inerferometru ke změně frekvence

Vláknový - při rotaci dochází na optické dráze interferometru k fázovému posunu [5]

3.4.6 Gyroskop ADXRS300

Jedná se o iMEMS (integrated micro electro-mechanical system) gyroskop z nabídky

firmy Analog Devices ADXRS300. Jak již jeho název napovídá, jeho rozsah je ±300 °/s. Tento

obvod má integrovaný nejen vlastní snímač, ale i vyhodnocovací a řídící části. Blokové schéma

senzoru je na obrázku 3.4.6. včetně externích součástek. Tyto gyroskopy jsou vyráběny v

BGA pouzdrech s rozměry 7 x 7 x 3 mm. Jádrem obvodu je samotný snímač (Rate Sensor), na

který jsou "navěšeny" rezonanční obvody (Resonator Loop) pro generování pohybu snímače,

obvody zpracování výstupního signálu snímače (Coriolis signal channel), testovací obvody

(Self-test), obvody nábojové pumpy pro generování napětí pro rezonanční obvody, interní

teplotní senzor a obvody referenčního zdroje napětí.

26

obr. 3.4.6 Blokové schéma gyroskopu ADXRS300

Strukturu samotného snímače gyroskopu tvoří dva čtvercové polykřemíkové rámy (inner

frame), každý obsahující rezonanční strukturu (resonating mass) zajišťující nutnou pohybovou

složku k vytvoření Coriolisovy síly (drive direction). Pohyb tohoto pružně upevněného

meandru je zajišťován rezonančními piezoelektrickými budícími obvody, které jej přivedou do

oblasti vlastní mechanické rezonance na frekvenci 14 kHz. Při otáčení součástky kolem jejího

středu je tak působící Coriolisova síla převáděna na změnu kapacity prostřednictvím změny

vzdálenosti mnoha elektrod po stranách snímače (Coriolis Sense Fingers). Struktura je duální z

důvodu potlačení vlivu nežádoucích externích rezonancí a nárazových šoků obvodu, které se

na výstupu obvodu projevují jako nežádoucí šum.

obr. 3.4.6.1 Výstupní napěťová závislost na rotaci gyroskopu

27

Z pohledu elektrických vlastností a rozhraní jsou obvody řady ADXRSxxx vybaveny

analogovým výstupem na pinu RATEOUT, který dává lineární napětí v rozsahu 0.25 až 4.75 V

přímo úměrné měřenému úhlovému zrychlení.

5 Magnetometry

Magnetometry jsou zařízení, která měří velikost a směr magnetického pole. Předmětem

zájmu v robotice pro navigaci jsou ty magnetometry, které jsou schopné měřit magnetické

pole Země (geomagnetické pole). Velikost magnetického pole je charakterizována tzv.

magnetickou indukcí (nazýváno také magnetický indukční tok), které je vyjadřováno v

jednotkách Tesla, alternativními jednotkami jsou Gauss, nebo γ [6].

Geomagnetické pole může být reprezentováno jako magnetický dipól, který je

proměnlivý jak v čase, tak v prostoru. Sklon dipólu je asi o 11° odkloněný od osy

otáčení Země. Rozdíl mezi pravým severem a magnetickým severem je tzv. magnetická

deklinace a liší se jak v čase, tak s geografickou polohou [6].

Magnetometr měřící geomagnetické pole je citlivý na okolní rušivá magnetická pole.

Chyba způsobená těmito rušivými vlivy se nazývá odchylka kompasu. Abychom dostali

správnou hodnotu směru pravého severu, musíme ke změřené hodnotě přičíst kompenzaci

deklinace a také odchylky. Hodnoty magnetické deklinace jsou po celém světě měřeny, aby

byly dostupné pro navigaci. Magnetometry měřící geomagnetické pole Země mohou být

rozděleny do následujících kategorií [6]:

• Mechanický magnetický kompas

• Indukční kompas

• Hallův kompas

• Magnetorezistivní kompas

• Magnetoelastický kompas

28

5.1 Magnetické pole Země Magnetické pole Země je fyzikální veličina, kterou vyhodnocuje kompas k určení

azimutu. Síla tohoto pole není na všech místech Zemského povrchu stejná, pohybuje se mezi

20 μT na geomagnetickém rovníku a 50 μT na geomagnetických pólech. Pro představení

můžeme znázornit magnetické pole Země jako dipól, který je zobrazen na obrázku 3.5.1, jehož

osa kolísá v čase a prostoru (obr. 3.5.1.2) někde kolem 440 kilometrů od středu a 11,5 stupně

od osy rotace naší planety Země. Magnetické siločáry směřují od jižního (south) k severnímu

(north) geomagnetickému pólu. Geomagnetické póly jsou však umístěny kvůli shodnosti s

geografickými póly opačně než póly dipólu.

Obr. 3.5.1

Pro přiblížení jednotlivých termínů používaných v této oblasti je využit obrázek 3.5.1.2

znázorňující jednotlivé složky magnetického pole(horizontální, vertikální), úhly azimut,

declination a inclination. Horizontální osa X (heading direction) ukazuje směrem pohybu. Osa

Y je též horizontální a je kolmá k ose X a též k ose Z, která má směr gravitační síly. Vektor

Heh je též horizontální složka a je kolmá na gravitační sílu a směřuje k magnetickému severu

Země. Složka He zobrazuje celkovou intenzitu a směr magnetického pole Země. Azimut α je

úhel mezi směrem pohybu zařízení a magnetickým severem a je ho možné vypočítat jako

arctan(Hey/Hex), kde Hey je horizontální složka v ose Y a Hex je horizontální složka v ose X.

29

Declination vyjadřuje úhel mezi vektorem složky magnetického pole a směrem ukazujícím

skutečný geografický sever, jeho velikost je závislá na geografické poloze a pohybuje se v

rozmezí ± 25 stupňů. Pro informaci mezi skutečným geografickým severem a směrem pohybu

je třeba k azimutu přičíst velikost úhlu declination. Úhel mezi vektorem magnetického pole

Země a vektorem horizontální složky se nazývá inclination. Inclination je na geomagnetickém

rovníku roven nule a na geomagnetických pólech je roven ± 90 stupňů. Jelikož úhly inclination

a declination se s časem a geografickou polohou mění, jsou vydávány korekční tabulky, které

jsou tisknuty přímo na mapách pro danou polohu[6].

obr. 3.5.1.2 Složky magnetického pole

5.2 Mechanický kompas

Mechanický magnetický kompas je nejdéle používány z výše uvedených zařízení.

Skládá se obvykle ze dvou tyčových magnetů připevněných na disku, který plave ve

vodě nebo v alkoholu. Okolo magnetu je kruh opatřený stupnicí. Celé zařízení je

umístěno ve vhodném obalu [6].

30

5.3 Indukční kompas

Základní princip indukčního kompasu spočívá v řízené změně permeability

magnetického materiálu, čímž se mění pohlcování magnetických indukčních čar

vnějšího magnetického pole. Princip pohlcování magnetických indukčních čar je

znázorněn na obrázku 3.5.3. Permeabilita materiálu se mění excitační cívkou.

Mezi vztahem magnetické indukce a intenzitou magnetického pole platí následující

vztah [6]:

B = µ0µr H (3.5)

kde je

B - magnetická indukce

µ0 - permeabilita vakua

µr - relativní permeabilita

H - intenzita magnetického pole

Obr. 3.5.3 Ovlivňování magnetických indukčních čar materiály s různou permeabilitou.

Zdroj: BORENSTEIN, J., EVERET, H., FENG, L. Where am I? Sensors and

31

Methods for Mobile Robot Positioning [online]. Dostupné na <

ftp://www.eecs.umich.edu/people/johannb/pos96rep.pdf >

Pokud tedy budeme pomocí excitační cívky měnit magnetický indukční tok po

magnetizační křivce materiálu, je zřejmé, že v oblasti saturace bude relativní

permeabilita materiálu nejmenší. V tomto případě nebudou magnetické indukční čáry

vnějšího magnetického pole téměř ovlivněny, jak je znázorněno v pravé části obrázku

3.5.3. Naopak, pokud materiál nebude v oblasti nasycení, bude jeho permeabilita

vyšší. Potom budou indukční čáry vnějšího magnetického pole pohlcovány tímto

materiálem, jak je znázorněno v levé části obrázku 3.5.3. Se změnou permeability se tedy bude

měnit magnetický tok materiálem vyvolaný vnějším magnetickým polem. Tato změna pak

indukuje ve snímací cívce odpovídající elektrické napětí, které je měřeno. Je zřejmé, že v

uspořádání, které je na obrázku 3.5.3.1, by napětí na snímací cívce bylo vyvoláno nejen

změnou magnetického toku vnějšího pole, ale také změnou magnetického toku vyvolaného

excitační cívkou. Proto existují různá uspořádání celé struktury tak, aby vzájemná vazba mezi

excitační cívkou (cívkami) a snímací cívkou byla co nejvíce potlačena [6].

Jedno z možných uspořádání indukčního kompasu je na obrázku 3.5.3.1.

Kompas se skládá ze tří cívek, dvou vnitřních excitačních cívek a vnější snímací cívky.

Vnitřní cívky jsou orientovány v opačném smyslu a změny magnetického pole vyvolané

při změnách permeability se navzájem vyruší a nemají vliv na snímací cívku.

32

Obr. 3.5.3.1. Možné uspořádání indukčního kompasu

Zdroj: BORENSTEIN, J., EVERET, H., FENG, L. Where am I? Sensors and

Methods for Mobile Robot Positioning [online]. Dostupné na <

ftp://www.eecs.umich.edu/people/johannb/pos96rep.pdf

5.4 Hallův kompas Hallův kompas využívá Hallova efektu. Pokud je polovodič protékaný proudem umístěn

do magnetického pole, působí na elektrony tzv. Lorentzova síla. Pro velikost této síly

platí následující vztah [6]:

F = Q(v × B) (3.5.4)

kde je

F - síla

Q - náboj

v – rychlost

33

V důsledku této síly (pokud vektor magnetické indukce nebude rovnoběžný s vektorem

rychlosti elektronů) se elektrony začnou přesunovat k jednomu okraji destičky. Tím vznikne v

destičce nerovnováha náboje, protilehlé okraje budou mít rozdílný potenciál a bude mezi nimi

možno naměřit elektrické napětí. Pokud je proud i magnetické pole konstantní, je i napětí

neměnné. To je dáno vznikem rovnováhy sil v destičce, kde Lorenzovu sílu kompenzuje

opačně orientovaná síla vzniklého elektrického pole. Vzniklé napětí je přes materiálovou

konstantu přímo úměrné Lorenzově síle. Součin velikosti náboje a jeho rychlosti lze vyjádřit

jako proud. Velikost Hallova napětí lze zapsat pomocí následujícího vztahu [7].

Vh= K ⋅I ⋅B ⋅sinθ (3.5.5)

kde je

Vh - Hallovo napětí

K - materiálová konstanta

I – proud

θ - velikost úhlu mezi vektorem magnetické indukce a destičkou polovodiče

Velikost Hallova napětí je velmi malá, např. pro křemík je to asi 30 mikrovoltů při

magnetickém poli jeden Gauss. Je tedy nutné je zesílit vhodným zesilovačem [6].

Současné provedení Hallových magnetometrů má veškerou vyhodnocovací

elektroniku integrovanou na jednom čipu. Snímače se vyrábějí v jednoosém dvouosém,

nebo trojosém provedení. Výstupem může být buď analogový napěťový signál, nebo

digitalizovaný údaj [8].

34

5.5 Magnetorezistivní kompas

Magnetorezistivní magnetometr využívá vlastnosti feromagnetických materiálů, jejichž

odpor je závislý na velikost a směru magnetického pole. Existují dva druhy těchto

senzorů [2]:

• AMR (anizotropic magnetoresistive) senzory

• GMR (giant magnetoresistive) senzory

Pro výrobu kompasů se používají AMR senzory. Mají vysokou citlivost (až 10 krát

větší než Hallův senzor), malou spotřebu energie. Nevýhodou je to, že v silném

magnetickém poli se může změnit jejich charakteristika. Proti tomu se používá

periodické přemagnetování.

5.6 Magnetometr KMZ51 Ke konstrukci elektronických kompasů je ve velké většině především levnějších

kompasů využíváno senzorů, které měří malé magnetické pole Země, resp. jeho horizontální

složku. Jelikož pro určení azimutu je třeba znát horizontální složky pole, jak již bylo zmíněno

výše. Senzory pro měření magnetického pole vyrábí více výrobců v různých provedeních

(integrace více os do jednoho pouzdra) například Philips a Honeywell. KMZ51 je velice citlivý

magnetometr, založený na magnetorezistivním jevu v tenké vrstvě magnetického materiálu

(permalloy). V pouzdře senzoru je umístěn magnerorezistivní Wheatsonův můstek a také

kompenzační a nastavovací (set/reset) cívky. Jedna kompenzační cívka je určena ke

kompenzaci teplotní závislosti. Znaménko citlivosti může být nastaveno nebo měněno pomocí

nastavovací cívky. Pokud byl magnetometr umístěn v silném magnetickém poli, pak můžeme

krátkými proudovými impulsy do kompenzační cívky magnetometr znovu nastavit. Záporné

proudové reset pulsy nastaví senzor na citlivost s opačným znaménkem. Použitím pravidelně

střídajících se flipping pulsů a synchronního zesilovače dosáhneme nezávislosti na offsetu

senzoru a zesilovače.

35

obr.3.5.6 Magnetorezistivní efekt v permalloy

obr 3.5.6.1 Konfigurace můstku

36

6 Literatura [1] ŠOLC, František; Žalud Luděk. Robotika. Brno VUTIUM, 2006, 144 stran

[2] LACHNIT Zdeněk. Inerciální snímače pro zpřesňování orometrie mobilních robotů, Brno 2007, 53 stran [3] BORENSTEIN, J., EVERET, H., FENG, L. Where am I? Sensors and Methods

for Mobile Robot Positioning [online]. c1996 [cit. 2011-03-28].

ftp://www.eecs.umich.edu/people/johannb/pos96rep.pdf

[4] RIPKA, P., ĎAĎO, S.: Senzory a převodníky. Praha: Česká technika –

nakladatelství ČVUT, 2005. 136 s. ISBN 80-01-03123-3.

[5] Honeywell Sensing and Contro

http://rccv.vsb.cz/kurzy_ukazka/d1_02/murc/10.htm