Объект исследования

Объектом исследования является инерциальный измерительный блок (ИИБ) Atomic IMU 6 DOF (6 Degrees of Freedom Atomic Inertial Measurement Unit SEN-09812 фирмы Sparkfun Electronics, Inc) [16]. Внешний вид ИИБ в состоянии поставки представлен на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Внешний вид ИИБ Atomic IMU 6 DOF в состоянии поставки

ИИБ Atomic IMU 6 DOF обеспечивает измерение по трем взаимно ортогональным осям трех составляющих кажущегося ускорения и трех составляющих угловой скорости, преобразование этих данных в 10-разрядный двоичный код и передачу кодов либо по проводному UART интерфейсу, либо без проводов по радиоканалу с дополнительным XBee приемо-передатчиком. В данном лабораторном практикуме задействована беспроводная конфигурация с использованием радиоканала для передачи данных.

ИИБ Atomic IMU 6 DOF использует следующие датчики:

- один микромеханический трехкомпонентный акселерометр MMA7361L с переключаемым диапазоном ±1, 5g или ±6g [11];

- три микромеханических одноосных датчика угловой скорости LISY300AL с диапазоном ±300˚ /c [17].

Микромеханический трехосный акселерометр MMA7361L детально описан в главе 1. Сводка механических характеристик микромеханического одноосного ДУС LISY300AL дана в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Механические характеристики при напряжении питания 3, 3В, температуре окружающей среды 25º C за исключением указанного в примечаниях (прим. 1)

Параметр	Условия испытаний	Мин.	Типич- ное значение (прим. 2)	Макс.	Размер-ность
Диапазон измерения			±300		˚ /с
Масштабный коэффициент			3, 3		мВ/˚ /с
Изменение масштабного коэффициента с изменением температуры	от минус 40˚ С до +85˚ С				%
Уровень нулевой угловой скорости (прим. 3)			1, 65		В
Изменение уровня нулевой угловой скорости с изменением температуры	от минус 40˚ С до +85˚ С				˚ /с
Нелинейность (прим. 4)	Наибольшее отклонение от прямой линии		±0, 8		% от полного диапазона измерения
Полоса пропускания на уровне -3дБ (прим. 3, 5)					Гц
Плотность шума			0, 1		˚ /с/√ Гц
Изменение напряжения на выходе при самотестировании (прим. 6)			+300		мВ
Время включения	до установления ±5˚ /с				мс
Резонансная частота чувствительного элемента			4, 5		КГц
Диапазон рабочих температур		-40		+85	˚ С
Масса					мг

Примечания:

1. Продукция на производстве калибруется при 3, 3В. При возможном изменении напряжения питания параметры указаны в данной таблице.

2. Типичные значения не гарантируются.

3. Продукция способна чувствовать угловую скорость от постоянной величины до назначенной полосы пропускания.

4. Гарантируется конструкцией.

5. Выбранный пользователем внешний конденсатор .

6. «Изменение напряжения на выходе при самотестировании» определяется как разность Vout(при Vst=лог.1)-Vout(при Vst=лог.0).

Акселерометр и гироскопы применены в соответствии с рекомендациями изготовителей, предусматривающих наличие развязок по питанию и фильтров на выходах датчиков. И акселерометр, и гироскопы имеют внутреннюю температурную компенсацию.

Основные параметры ИИБ:

- напряжение питания – постоянное напряжение в диапазоне от 3, 4В до 10В;

- потребляемый ток – 24мА при наличии проводного интерфейса (75мА при наличии XBee приемо-передатчика);

- габариты 47х37х25мм;

- гироскоп LYSI300AL – назначенная аппаратно полоса пропускания составляет 88Гц, номинальная цена единицы младшего разряда 0, 977(˚ /с)/ед.мл.разр.;

- акселерометр MMA7361L – назначенная аппаратно полоса пропускания составляет по осям X и Y 350Гц, по оси Z 150Гц; номинальная цена единицы младшего разряда 0, 00403g/ед.мл.разр. при диапазоне ±1, 5g и 0, 0161g/ед.мл.разр. при диапазоне ±6g.

Расположение осей чувствительности ИИБ дано в виде пиктограммы на верхней поверхности печатной платы:

- ось X параллельна короткой стороне печатной платы;

- ось Y параллельна длинной стороне печатной платы;

- ось Z перпендикулярна плоскости печатной платы.

Упрощенная блок-схема ИИБ представлена на рис 3.2 [8]. Питание ИИБ осуществляется от внешнего литий полимерного (Li-Po) аккумулятора номинальной емкостью 500мА·ч с номинальным напряжением от 4, 2В до 3, 7В. Аккумулятор подключается к линейному стабилизатору напряжения 3, 3В с помощью разъема и выключателя ПИТАНИЕ (POWER). О наличии питания сигнализирует светодиод ПИТАНИЕ красного цвета. Стабилизированное напряжение с выхода линейного стабилизатора поступает на микропроцессор, три микросхемы ДУС, одну микросхему трехкомпонентного акселерометра и другие устройства инерциального измерительного блока. Аналоговые сигналы инерциальных датчиков в виде положительного напряжения постоянного тока поступают на входы шести 10-разрядных АЦП микропроцессора. В качестве опорного напряжения АЦП микропроцессора используется то же напряжение 3, 3В с выхода линейного стабилизатора. Работа микропроцессора тактируется кварцевым резонатором с частотой 10МГц.

Рис. 3.2. Упрощенная блок-схема ИИБ Atomic IMU 6 DOF

Цифровая информация инерциальных датчиков в виде UART интерфейса поступает на приемо-передающий модуль (XBee 1mW Chip Antenna series 1 WRL-08664) (рис. 3.3). Приемо-передающий модуль устанавливается непосредственно на ИИБ в двухрядный штыревой разъем (рис. 3.4).

Аналогичный приемо-передающий модуль устанавливается в двухрядный штыревой разъем в устройство XBee Explorer USB (рис. 3.5), которое осуществляет прием, преобразование поступающей информации и ввод данных в персональный компьютер по стандартному кабелю через USB-порт (рис. 3.6).

Рис. 3.3. Приемо-передающий модуль XBee 1mW Chip Antenna series 1 WRL-08664: слева – вид сверху, справа – вид снизу.

Рис. 3.4. ИИБ с установленным приемо-передающим модулем

Рис. 3.5. Устройство связи с персональным компьютером XBee Explorer USB в состоянии поставки

Рис. 3.6. Устройство связи с персональным компьютером XBee Explorer USB вместе с приемо-передающим модулем и кабелем USB

Радиоканал связи ИИБ с компьютером обеспечивает устойчивую радиосвязь на частоте 2, 4ГГц в одной комнате или вне помещения на удалении до 100м и является двунаправленным:

- от персонального компьютера в ИИБ поступают команды управления и данные начальной установки;

- от ИИБ в персональный компьютер поступает информация от инерциальных датчиков.

Мощность приемо-передатчиков 1мВт безопасна для работающих с ними людей.

В ИИБ применен микропроцессор Atmel ATMega168TM, имеющий следующие ресурсы:

- флеш-память 16Кб;

- СППЗУ 0, 5Кб;

- ОЗУ 1024бит;

- максимальное значение тактовой частоты 20МГц;

- ввод/вывод (I/O) сигналов логического уровня – 23 канала;

- количество 10-битных АЦП – 8 каналов;

- выход ШИМ – 3 канала;

- таймер 16 бит – 1 канал;

- таймер 8 бит – 2 канала;

- интерфейсы RTC, SPI, UART, TWI, ISP.

Аппаратная начальная инициализация микропроцессора может быть осуществлена кнопкой УСТАНОВКА. О работе микропроцессора в разных режимах сигнализирует светодиод СОСТОЯНИЕ.

Перед проведением работ с ИИБ на персональном компьютере должна быть установлена терминальная программа. Терминальная программа взаимодействует с программным обеспечением ИИБ, которое поставляется в загруженном виде в микропроцессор вместе с ИИБ.

Терминальная программа позволяет осуществить настройку параметров обмена по радиоканалу. Стандартные параметры настройки: скорость обмена 115200бод, формат - 8 бит, проверка на четность – N, стоповых битов – 1, управление потоком – N.

После установки параметров обмена при нажатии на клавиатуре клавиши < Пробел> на дисплей персонального компьютера выводится экранное меню 6 DOF Atomic IMU: