Cercetare: atacul sonor asupra accelerometrelor modifică citirile. Cum să găsești viteza folosind doar accelerometre

În ultimii câțiva ani, senzorii bazați pe sisteme microelectromecanice, așa-numitele MEMS, s-au răspândit în întreaga lume. Popularitatea acestor dispozitive se datorează mai multor motive, dintre care principalele sunt ușurința lor de utilizare, relativ preț scăzut si dimensiuni reduse. Senzorii MEMS au de obicei electronice integrate de procesare a semnalului și nu au piese mobile. Acest lucru determină fiabilitatea lor ridicată și capacitatea de a oferi citiri stabile în condiții destul de dure. mediu inconjurator(schimbări de temperatură, șoc, umiditate, vibrații, interferențe electromagnetice și de înaltă frecvență). Combinația acestor avantaje încurajează producătorii de sisteme să facă acest lucru domenii diverse aplicații (de la aviație și industria auto până la aparate electrocasnice) utilizați anumiți senzori MEMS în dezvoltarea dvs.

Acest articol va analiza senzorii MEMS pentru măsurarea accelerației (accelerometre) și a vitezei unghiulare (giros). Aceste dispozitive sunt utilizate în mod activ în sistemele de control aeronavelor, pentru a asigura siguranța traficului vehiculelor, în mașini agricole, produse cu destinație specială etc. În prezent, există destul de multe soluții diferite pentru implementarea dispozitivelor MEMS. Acestea includ un giroscop MEMS cu o singură axă cu un inel vibrant și un accelerometru capacitiv MEMS cu trei axe.

Senzor de viteză unghiulară MEMS cu o singură axă (giroscop) cu inel de siliciu vibrant

Acest giroscop digital din siliciu este conceput pentru a satisface cerințele de cost redus și eficient energetic pentru sistemele de navigație și ghidare de generație următoare. Este capabil să măsoare viteza unghiulară de până la ± 1,0 є/s și are două moduri de ieșire: semnal analog de tensiune liniar proporțional cu viteza unghiulară și digital prin protocolul SPI®.

Modul de ieșire - analog sau digital - este selectat de utilizator atunci când conectează senzorul la orice placă de sistem. Acasă trăsătură distinctivă Giroscopul este utilizarea tehnologiei cu inele vibratoare echilibrate ca senzor de viteză unghiulară. Acesta este ceea ce asigură funcționarea fiabilă și măsurarea precisă a vitezei de rotație chiar și în condiții de vibrații puternice.

Sunt posibile două configurații principale de giroscop, una dintre ele permite senzorului să măsoare viteza unghiulară de-a lungul unei axe perpendiculare pe planul plăcii de bază, cealaltă îi permite să determine viteza unghiulară de-a lungul unei axe paralele cu planul placa de baza. Combinația giroscoapelor din ambele configurații într-un singur dispozitiv face posibilă obținerea unui sistem inerțial care măsoară viteza unghiulară de-a lungul mai multor axe (orice combinație de înclinare, rostogolire și rotire a aeronavei). Dimensiunile senzorilor ambelor configurații și axa de măsurare a vitezei unghiulare sunt prezentate în Fig. 1.

De regulă, astfel de giroscoape sunt produse în carcase ceramice LCC sigilate care pot fi instalate pe plăcile de bază. Senzorul este format din cinci componente principale:
- senzor MEMS inel de silicon (MEMS-ring),
- baza de silicon (piedestal),
- circuit integrat giroscop (ASIC),
- Baza pachetului,
- capac (Capac).

Senzorul MEMS cu inel de silicon, cip și baza de silicon sunt găzduite într-o parte sigilată a pachetului cu un vid umplut parțial cu azot. Acest lucru oferă avantaje semnificative față de senzorii care vin în carcase din plastic, care au anumite limitări de sensibilitate în funcție de nivelul de umiditate.

Senzor MEMS inel de silicon

Diametrul inelului din silicon MEMS este de 3 mm, grosimea – 65 microni. Este produs prin gravarea ionică reactivă profundă a structurilor de siliciu în vrac pe plachete de 5 inchi. Inelul este susținut în spațiul liber de opt perechi de spițe simetrice, care emană dintr-un butuc solid cu diametrul de 1 mm. în centrul inelului.

Procesul de gravare cu siliciu volumetric și tehnologia unică de fabricare a inelului oferă proprietăți geometrice bune necesare pentru echilibrul precis și stabilitatea termică a inelului tactil. Spre deosebire de alte giroscoape, nu există discrepanțe mici care creează probleme cu interferența și frecarea. Aceste caracteristici determină în mod semnificativ stabilitatea senzorului la fluctuații de temperatură, vibrații sau șocuri. Un alt avantaj al acestui design este imunitatea sa „înnăscută” la erorile pe care senzorii le pot produce sub influența accelerației sau „sensibilitatea g”.

Actuatoarele de film și traductoarele sunt atașate la suprafața superioară a inelului de siliciu perimetral și sunt conectate la pini de legătură din centrul butucului prin intermediul unor piste de spițe pentru a genera energie electrică. Aceasta activează sau „conduce” perimetrul inelului într-un mod de funcționare de vibrație la nivelul Cos2i la o frecvență de 22 kHz, definind mișcarea radială, care se poate datora mișcării primare a actuatorului sau datorită acțiunii Coriolios. forță pe măsură ce giroscopul se rotește în jurul axei sale de detectare. Există o pereche de unități de mișcare primare, o pereche de traductoare de captare primare și două perechi de traductoare de preluare secundare.

Combinația dintre tehnologia senzorului și opt traductoare secundare de captare îmbunătățește raportul semnal-zgomot al senzorului, rezultând dispozitive cu zgomot redus, cu proprietăți excelente prin deplasarea unghiulară aleatorie a giroscopului, care sunt cheie pentru aplicațiile în aplicațiile de navigație inerțială (de exemplu, stabilitatea îndreptării camerei sau antenei). Circuitul descris poate fi comparat cu o structură de diapază care conține un număr infinit de diapazon integrate într-o singură structură inelă vibrantă de echilibrare. Aceasta oferă cea mai mare stabilitate a măsurătorilor vitezei unghiulare în timp, temperatură, vibrații și șoc pentru giroscoapele MEMS din această clasă.

Butucul din centrul inelului senzor este montat pe o bază cilindrică din silicon cu diametrul de 1 mm, care este conectată la inel și ASIC folosind rășină epoxidică. Cipul giroscopului are dimensiuni de 3x3 mm și este fabricat folosind tehnologia CMOS de 0,35 microni. Senzorul ASIC și MEMS (inelul) sunt separati fizic, dar conectați electric prin fire de aur. În acest sens, într-un astfel de circuit nu există canale interne, ceea ce face posibilă reducerea sarcinii de zgomot și obținerea de proprietăți electromagnetice excelente.

Carcasa senzorului din ceramică este fabricată folosind tehnologia LCC și este o structură de oxid de aluminiu multistrat cu plăcuțe de legare interioare conectate prin carcasă la plăcuțele externe prin interconexiuni de tungsten multistrat. Există interconexiuni integrale similare în capacul giroscopului, care asigură că elementul sensibil al senzorului este plasat în interiorul scutului Faraday și giroscopul are performanțe electromagnetice bune. În acest caz, plăcuțele de contact interne și externe sunt galvanizate cu un strat de nichel și aur.

Corpul include un inel de etanșare, pe partea superioară a căruia este sudată cusătură un capac metalic. Sudarea se realizează cu un electrod de rezistență, care creează o structură complet etanșă. Spre deosebire de majoritatea pachetelor MEMS disponibile astăzi pe piață, carcasa acestui dispozitiv folosește sudarea cu cusături special concepută, care elimină posibilitatea formării de bulgări de sudură (splatter) în interiorul giroscopului. Atunci când se utilizează alte tehnici de sudare, stropii de sudură pot fi depuse pe structurile subiacente și pot avea un impact negativ asupra fiabilității giroscopului prin afectarea elementului MEMS vibrant, în special în zonele în care structurile au goluri mici. Carcasa are și un senzor de temperatură încorporat pentru a oferi compensare termică externă.

Principiul de funcționare al sistemului giroscop

Giroscoapele descrise sunt de obicei dispozitive cu stare solidă și nu au piese mobile, cu excepția inelului tactil, care are capacitatea de a se devia. Acesta arată mărimea și direcția vitezei unghiulare folosind efectul „Forța Coriolis”. În timpul rotației giroscopului, forțele Coriolis acționează asupra inelului de siliciu, provocând mișcare radială de-a lungul perimetrului inelului.

Opt dispozitive de acționare/convertoare sunt distanțate uniform în jurul perimetrului inelului. În acest caz, există o pereche de unități de „mișcare primară” și o pereche de traductoare de captare primare situate în raport cu axele lor principale (0° și 90°). Două perechi de traductoare de comutare secundare sunt amplasate în raport cu axele lor secundare (45° și 135°). Actuatoarele de mișcare primare și traductoarele de comutare primare funcționează împreună într-un sistem închis pentru a excita și controla amplitudinea și frecvența vibrației primare de funcționare (22 kHz).

Traductoarele secundare detectează mișcarea radială pe axele secundare, a cărei mărime este proporțională cu viteza unghiulară de rotație prin care giroscopul dobândește viteza unghiulară. Convertoarele produc un semnal de transmisie comprimat cu două benzi laterale care este demodulat înapoi în benzi a căror lățime este controlată de utilizator cu un singur condensator extern simplu. Acest lucru oferă utilizatorului control complet asupra performanței sistemului și face conversia complet independentă de tensiunea DC sau condițiile electronice parametrice de joasă frecvență.

Figurile 3 și 4 demonstrează structura inelului de siliciu al senzorului, arătând actuatoarele de mișcare primare „PD” (o pereche), traductoarele de captare primare „PPO” (o pereche) și traductoarele de captare secundare „SPO” (doua perechi).

Figura 5 prezintă o schemă a inelului, cu spițele, actuatoarele și traductoarele îndepărtate pentru claritate. În acest caz, giroscopul este oprit, inelul este rotund.

În momentul în care senzorul este în starea oprită, mișcarea este inițiată în inel de-a lungul axelor sale principale datorită acționărilor de mișcare primare și traductoarelor de captare primare, care acționează în buclă închisă asupra sistemului de control ASIC. Inelul rotund capătă o formă eliptică în modul Cos2 și vibrează la o frecvență de 22 kHz. Acest lucru este prezentat în Fig. 6, în care giroscopul este deja pornit, dar încă nu se rotește. Nu există mișcare radială pe patru unități de îndepărtare secundare situate pe perimetrul inelului la un unghi de 45 față de axele principale.

Dacă giroscopul este expus vitezei unghiulare, atunci forțele Coriolis acționează asupra inelului: tangențial la perimetrul inelului față de axele principale. Aceste forțe deformează inelul, ceea ce determină mișcarea radială a traductoarelor de stripare secundare. Această mișcare, detectată la traductoarele de captare secundare, este proporțională cu viteza unghiulară aplicată. În acest caz, semnalul de transmisie comprimat în două sensuri este demodulat ținând cont de mișcarea de bază. Rezultatul este o componentă de joasă frecvență care este proporțională cu viteza unghiulară.

Orez. 7 moduri de operare ale inelului tactil cu un giroscop rotativ

Circuitul de control pentru întregul giroscop este situat în ASIC.

Orez. 8 Schema bloc a funcționării senzorului ASIC
Orez. 9 Aspect Giroscop ASIC

Astfel de senzori au dimensiuni miniaturale (6,5x1,2 mm) cu un consum de energie ultra-scazut (12 mW). Se caracterizează printr-o gamă largă de măsurare (până la 900 de grade/sec), greutate ultra-ușoară de 0,08 grame și stabilitate ridicată.
Giroscoapele cu un design similar pot fi utilizate cu succes pentru a măsura viteza de rotație a unui obiect de-a lungul a trei axe în navigatoarele de transport și personale pentru a determina și salva parametrii de mișcare și pentru a determina locația; în sistemele de urmărire a autostrăzilor pe mașini agricole pentru stabilizarea antenelor; în echipamente industriale, robotică și alte domenii. Utilizarea acestor senzori de viteză unghiulară pe aeronave face posibilă reducerea dimensiunilor, greutății și consumului de energie al dispozitivelor cu un ordin de mărime și, prin urmare, reducerea semnificativă a prețului sistemului de navigație în ansamblu. Fiabilitate și precizie în control gamă largă avioane, elicoptere și alte avioane crește. Astfel, acest tip de giroscoape este potrivit optim pentru utilizare în situațiile în care există restricții privind dimensiunile, greutatea și costul produsului.

Specificații giroscop

Parametru	Interval de valori limită	Valoare tipica
Tensiunea de alimentare	2,7 3,6 V	3 V
raza de masurare	75, 150, 300, 900 grade/sec	-
Sensibilitate (ieșire analogică)	13,3, 6,7, 3,3, 1,0 mV/grad/sec	-
Schimbarea sensibilității la temperatură	+/- 3%	+/- 1%
Tensiune de alimentare „zero” - cf. mp abatere (deviație de temperatură)	+/- 3 grade/sec	+/- 1,5 grade/sec
Instabilitate cf. mp erori	-	< 40 градус/час
Lățimea liniei (atenuare -3 dB)	> 75 Hz - selectabil de utilizator atunci când folosește un condensator extern	Ieșire analogică până la 160 Hz Ieșire digitală 150 Hz fixă
Densitatea zgomotului	0,025 grade/sec/rădăcină (Hz)	0,01 grade/sec/rădăcină (Hz)
Îngrijire temporară ocazională	-	0,28 grade/rădăcină (oră)
Temperatura de lucru	-40...+85 grade Celsius -40 … +100 (cu performanță limitată)	-
Temperatura de depozitare	-55 … +125 grade Celsius	-
Beats	3500 g pentru până la 500 µs 500 g pentru 1 ms 1 jumătate de val când este pornit 100 g 6 ms când este pornit	-
Vibrație	3,5 g în intervalul 10 Hz - 5 kHz când este pornit	-
La timp	0,5 s	< 0,3 с
Greutate	În funcție de modificarea de la 0,08 la 0,12 g.	-
Consum curent	6 mA	4 mA

Accelerometru MEMS capacitiv cu 3 axe cu ieșire digitală

Accelerometrul capacitiv cu trei axe de înaltă performanță este fabricat folosind tehnologia specială 3D-MEMS.

Orez. 10 axe ale senzorilor de-a lungul cărora se măsoară accelerația

Carcasa senzorului conține un element de detectare de înaltă precizie pentru determinarea accelerației și a electronicii de service (ASIC) cu o ieșire digitală SPI flexibilă.

Orez. 11 Accelerometru capacitiv cu 3 axe de înaltă performanță

Dispunerea schematică a ASIC-ului și a blocului elementului senzor în senzori cu un design similar este prezentată în Figura 12.

Corpul accelerometrului este din plastic, iar capacul este din metal. În partea de jos a carcasei, pe ambele părți, există cabluri plate pentru montarea la suprafață pe o placă de circuit imprimat.

Orez. 13 Design carcasa accelerometrului

Acest design de carcasă garantează funcționarea fiabilă a senzorului pe întregul său ciclu de viață. Pentru a asigura o putere stabilă, accelerometrele din această clasă sunt proiectate, fabricate și testate pe o gamă largă de temperaturi, umiditate și zgomot mecanic. Senzorul are capacitatea de a se autodiagnostica în mai multe scenarii. Este pe deplin compatibil cu accelerometrele cu o singură axă și cu două axe de acest tip, ceea ce face posibilă combinarea senzorilor la construirea diferitelor sisteme de senzori.

Descrierea tehnologiei 3D-MEMS

Conceptul de „3D-MEMS” este o combinație inovatoare de tehnologii pentru modelarea siliciului în structuri tridimensionale, încapsularea și contactul pentru montare și asamblare ușoară. Ca rezultat, acest lucru asigură o precizie ridicată a senzorului, mărime mică dispozitive și consum redus de energie. Astfel, senzorul îmbunătățit poate fi fabricat sub formă bucată mică siliciu capabil să măsoare accelerația în trei direcții ortogonale.
Folosind tehnologia 3D-MEMS, este posibil să se producă structuri optimizate pentru senzori de unghi de precizie, cum ar fi amortizarea mecanică în accelerometre pentru utilizare în medii cu vibrații mari și altimetre de înaltă precizie. Consumul de energie al acestor accelerometre este extrem de scăzut, ceea ce le oferă un avantaj semnificativ atunci când sunt utilizate în dispozitive alimentate cu baterie. În același timp, în producția de inclinometre, tehnologia 3D-MEMS oferă o precizie de nivel mai bună de un minut de arc și îndeplinește cele mai înalte cerințe de calitate a măsurătorilor.

Avantajele tehnologiei 3D-MEMS

Avantajele tehnologiei 3D-MEMS includ următoarele:
- utilizarea siliciului monocristalin pentru fabricarea MEMS (ideal material elastic: fara deformare plastica, rezista la cicluri de acceleratie de pana la 70.000g);
- principiul capacitiv de funcționare a senzorilor (oferă măsurarea directă a abaterii în funcție de un numar mare opțiuni pentru dimensiunea spațiului dintre două suprafețe plane; în acest caz, capacitatea sau încărcarea unei perechi de plăci depinde de lățimea spațiului dintre ele și de zona plăcii);
- nivel inalt precizie și stabilitate;
- diagnosticare usoara utilizarea unui număr limitat de condensatori;
- consum redus de putere;
- etanșare ridicată a senzorilor (reduce cerințele de ambalare; asigură o fiabilitate ridicată, deoarece particule sau substanțe chimice nu poate lovi elementul);
- structuri simetrice ale elementelor (stabilitate la zero îmbunătățită a accelerometrului, liniaritate și sensibilitate a axei; dependență scăzută a citirilor de temperatură; neliniaritate de obicei sub 1%; sensibilitatea axelor de obicei nu depășește 3%);
- posibilitatea producerii de senzori la comandă (obținerea unor niveluri specifice de sensibilitate și caracteristici de frecvență cerute de client; soluții flexibile cu două cipuri);
- structuri 3D reale (oferă masă și capacitate mare de protecție performanta ridicata atunci când lucrați în domeniul de măsurare la g mic; stabilitate bună la „0” și impact mic zgomot la citirile senzorului; formarea elementelor senzoriale 3D).

Principiul de funcționare al unui accelerometru capacitiv

În acest tip de accelerometre cu trei axe, principiul determinării accelerației este destul de simplu și de încredere: masa inerțială oferă oamenilor posibilitatea de a simți accelerația datorită mișcării în conformitate cu a doua lege a lui Newton. Elementele principale ale unui accelerometru sunt un corp, un arc și o masă inerțială (IM). Când viteza corpului senzorului se modifică, MI prin arc este de asemenea încurajat să urmeze aceste modificări. Forța care acționează asupra MI determină o modificare a mișcării acestuia, astfel încât arcul se îndoaie și distanța dintre corp și MI se modifică proporțional cu accelerația corpului.
Principiile de funcționare ale senzorilor diferă în funcție de principiul după care este determinată mișcarea dintre corp și MI. Într-un senzor capacitiv, corpul și IM sunt izolate unul de celălalt și se măsoară capacitatea sau sarcina capacitivă a acestora. Când distanța dintre ele scade, capacitatea crește și electricitate merge spre senzor. Când distanța crește, se observă situația inversă: senzorul transformă accelerația corpului în curent electric, sarcină sau tensiune.
Performanța superioară a senzorilor în cauză se bazează pe tehnologia de detectare capacitivă și este foarte potrivită pentru detectarea modificărilor mici în mișcare. Elementul de detectare a accelerației este realizat din siliciu monocristalin și sticlă. Acest lucru oferă senzorului o fiabilitate excepțională, o precizie ridicată și o stabilitate a citirilor în funcție de timp și temperatură.
De obicei, un senzor cu o rază de ±1g poate rezista la cel puțin 50.000g de accelerație (1g = accelerație datorată gravitației Pământului). Senzorul măsoară accelerația în direcții pozitive și negative și este sensibil la accelerația statică și vibrații. „Inima” accelerometrului este un element sensibil simetric (SE), fabricat folosind tehnologii micromecanice volumetrice, care are doi condensatori sensibili. Simetria SE reduce dependența de temperatură și sensibilitatea pe axă și îmbunătățește liniaritatea. Etanșeitatea senzorului este asigurată de conectarea anodică a plăcilor între ele. Acest lucru facilitează ambalarea elementului, crește fiabilitatea și permite utilizarea atenuării gazului în elementul senzor.

Conceptul de integrare eterogenă Chip-on-MEMS a elementelor MEMS și a circuitelor integrate

Producția accelerometrului cu trei axe folosește un nou concept de integrare eterogen pentru a combina un element de detectare MEMS și un ASIC: chip-on-MEMS sau CoM. Conceptul se bazează pe o combinație de structuri MEMS 3D încapsulate la nivel de plachetă, tehnologie de ambalare la nivel de plachetă și tehnologie chip-on-wafer. Toate aceste procese există deja de câțiva ani. Combinația lor ne permite să rezolvăm cea mai dificilă problemă de ambalare: cum să combinăm eficient elementele MEMS și circuitele integrate.
Pe baza conceptului descris, tehnologia include următorii pași:
- redistribuirea și izolarea straturilor pe placa MEMS,
- aplicarea de bile de lipit de 300 microni,
- instalarea de microcircuite pe o placă MEMS,
- pasivarea golurilor dintre microcircuite și MEMS,
- testarea plachetei cu dispozitive MEMS,
- tăierea plăcilor,
- testarea finală și calibrarea senzorilor după tăiere.

Orez. 14 Element de detectare a accelerometrului capacitiv simetric
Orez. 15 Schema de instalare a circuitelor integrate pe o placă MEMS

Astfel, datorită tehnologiei sale CoM, este posibil să obțineți un dispozitiv MEMS funcțional cu drepturi depline, cu o dimensiune a pachetului de 4x2 mm de-a lungul perimetrului. si inaltime 1 mm. Această tehnologie este complet pregătită pentru producția de senzori, atât pentru loturi mici, cât și la scară industrială.

Orez. 16 Câteva etape ale tehnologiei de producție a accelerometrului
Orez. 17 Sistem inerțial cu două axe bazat pe accelerometru

Specificațiile accelerometrului capacitiv cu trei axe:

Parametru	Valoare tipica
Alimentare electrică	3,3 V
Interval de măsurare	±6 g
Rezoluție ADC	12 biți
AEC-Q	pe deplin compatibil
Senzor de temperatură încorporat	-
Ieșire digitală SPI	-
Impact maxim	20 Kg
Temperatura de lucru	[-40;+125]С
Lățimea de bandă	45…50 Hz
Autodiagnostic îmbunătățit	-
mărimea	7,7 x 8,6 x 3,3 mm
Compatibilitate	cu senzori cu 2 si 1 axe de acelasi tip

Datorită caracteristicilor excelente de stabilitate și fiabilitate la vibrații, accelerometrele luate în considerare pot fi utilizate cu succes în următoarele domenii:
control electronic stabilitatea mișcării dispozitivului controlat,
sistem de asistență la pornirea în pantă,
frana de parcare electronica,
protecție electronică împotriva răsturnării,
reglarea suspensiei,
Control unghiuri de înclinare,
sisteme inerțiale încorporate,
Aplicație în industrie pentru diverse dispozitive.

Rolul „Asociației ruse MEMS” în dezvoltarea tehnologiilor pentru producția de sisteme de senzori în Rusia

Din cantitate mare opțiuni posibile Au fost luate în considerare doar două tipuri de senzori MEMS. În prezent, există multe modalități de producere și utilizare a senzorilor microelectromecanici, iar multe companii din întreaga lume dezvoltă serios tehnologiile de proiectare și fabricare a diferitelor dispozitive cu senzori, inclusiv cele bazate pe MEMS.
„Asociația Rusă MEMS” (denumită în continuare Asociația. Nota autorului) a stabilit parteneriate bune cu o serie de dezvoltatori și producători ruși și străini de senzori MEMS pentru diverse scopuri. Printre acestea, putem remarca unele întreprinderi germane care fac parte din Asociația Silicon Saxony e.V., Institutul Fraunhofer și Honeywell International Inc. și Analog Devices Inc. (SUA), Moscova institut de stat tehnologie electronică (MIET), precum și un număr de companii situate în tari diferite pace. Datorită contactelor la acest nivel, Asociația are acces la tehnologii moderne de microsistem, ceea ce îi oferă posibilitatea, împreună cu parteneri, de a organiza munca în Rusia în următoarele domenii:
1) elaborarea de recomandări pentru clienți cu privire la utilizarea anumitor senzori de la producători mondiali în producția de sisteme rusești;
2) furnizarea diverșilor senzori (pe baza MEMS și alte principii) pentru măsurarea accelerației, vitezelor unghiulare, presiunii, debitului de lichid sau gaz, temperatură, umiditate, determinarea mișcării unui obiect și a vitezei acestuia, recunoașterea câmpurilor magnetice (busolă) ;
3) modificarea diferitelor componente ale senzorilor de la producători mondiali cunoscuți la cerințele clienților (modificări într-o direcție sau alta în domeniul de măsurare, caracteristici funcționale etc.) cu producția ulterioară a senzorilor modificați la producătorul „nativ”;
4) organizarea unui program de testare pentru componentele electronice ale senzorilor într-unul dintre Centrele de certificare ruse sau străine cu eliberarea unui certificat de tipul stabilit;
5) organizarea dezvoltării și producției de sisteme de senzori bazate pe cerințele individuale ale clienților, inclusiv diverși senzori (pe baza MEMS și alte principii) pentru măsurarea accelerației, vitezelor unghiulare, presiunii, debitului de lichid sau gaz, temperatură, umiditate, determinarea mișcarea unui obiect și viteza acestuia, recunoașterea câmpului magnetic etc. (atât sistemele în sine, cât și senzorii pot fi modificate și certificate în Rusia, dacă clientul are nevoie ca produsele să fie de origine rusă.
6) Oferiți dezvoltatorilor și producătorilor autohtoni tehnologii pentru producerea de senzori MEMS moderni (accelerometre, giroscoape, inclinometre, senzori de presiune, senzori de vibrații etc.) pentru implementare pe producție ruseascăși fabricarea unui produs senzorial complet rusesc;
7) Instruirea specialiștilor din întreprinderile rusești privind proiectarea, dezvoltarea și producția de senzori MEMS. În procesul educațional sunt implicați experți de frunte ruși și străini în acest domeniu.
La fel de exemplu pozitiv cooperarea științifică și comercială dintre Asociație și una dintre întreprinderile rusești poate fi citată ca un sistem de măsurare inerțială cu două axe creat pe baza unui accelerometru MEMS. În prezent, a fost dezvoltat și fabricat un prototip funcțional. sistemul senzorial nivel de intrare. Prototipul fabricat al sistemului conține microstructuri cu un spațiu de aer ca element de detectare, are sensibilitate ridicată și raport semnal-zgomot, sensibilitate scăzută la interferențe și stabilitate bună la temperatură.
Un astfel de sistem inerțial, împreună cu alte componente și senzori, poate fi utilizat deja în industria auto (dezvoltare de airbag-uri etc.), pentru diagnosticarea căilor ferate (monitorizarea unghiului de înclinare), în sistemele de navigație (măsurarea viciului, ruliului). și pasul unei aeronave), monitorizarea unghiului de înclinare a conductelor și în alte zone. Produsul fabricat are o configurație de bază cu caracteristici inițiale și poate fi modificat în conformitate cu cerințele Clientului (gamă de măsurare, nivel de sensibilitate etc.), și, de asemenea, supus unui program de testare în Rusia cu eliberarea unui certificat de stat de stabilitate. tip și prezentat ca produs finit, dar de origine rusă. Astfel, partenerul rus are oportunitatea de a-și extinde semnificativ cota de piață oferind consumatorilor sisteme și dispozitive formate din senzori moderni (accelerometre MEMS, giroscoape etc.) de origine rusă.

La redactarea acestui articol, au fost folosite materiale informative despre produsele Silicon Sensing (Anglia) și VTI Technologies (Finlanda).

obține informatii detaliate O specificatii tehnice, preturi si conditii de furnizare a echipamentelor prin expediere

8 răspunsuri

În primul rând, trebuie să eliminați accelerația datorată gravitației din datele accelerometrului. Atunci este doar o chestiune de integrare a accelerației pentru a obține viteză. Nu uitați că accelerația și viteza sunt, respectiv, vectori, nu scalari și, de asemenea, va trebui să urmăriți rotația telefonului în spațiu pentru a determina corect orientarea vectorului de accelerație în raport cu vectorul viteza calculat.

Aceasta va depinde de care este accelerația și pentru cât timp. O accelerație ușoară și susținută poate fi măsurabilă, dar orice creștere bruscă a accelerației urmată de o viteză constantă va face măsurătorile dvs. destul de dificile și predispuse la erori.

Presupunând o accelerație constantă, formula este extrem de simplă: a = (V1-V0)/t. Deci, cunoscând timpul și accelerația și punând V0 = 0, atunci V1 = a * t

În mai mult lumea reala probabil că nu veți avea o accelerație constantă, așa că trebuie să calculați Delta V pentru fiecare măsurătoare și să adăugați toate acele modificări de viteză pentru a obține viteza finală. Presupuneți întotdeauna că nu veți avea date de accelerație continuă, deci aceasta este cea mai fezabilă cale (adică date reale și teorie matematică integrală).

În orice caz, chiar și în cel mai bun scenariu, veți ajunge cu o marjă de eroare foarte mare, așa că nu recomand această abordare pentru nicio aplicație care depinde cu adevărat de vitezele din lumea reală.

Nu există altceva de făcut decât să fiu de acord cu argumentele rezonabile prezentate în toate răspunsurile grozave de mai sus, cu toate acestea, dacă sunteți genul pragmatic ca mine, trebuie să vin cu o soluție care să funcționeze cumva.

Integrarea accelerației pentru a obține viteză este o problemă intermitentă și eroarea dvs. va diverge după câteva secunde sau cam asa ceva. Nici accelerometrele telefoanelor nu sunt foarte precise, ceea ce nu ajută, iar unele nu fac diferența dintre înclinare și translație, caz în care chiar ai probleme.

Accelerometrele telefonului sunt practic inutile pentru o astfel de sarcină. Aveți nevoie de accelerometre foarte precise, cu o deriva foarte mică - ceva care depășește ceea ce veți găsi într-un telefon. ÎN cel mai bun scenariu puteți obține rezultate utile în câteva secunde sau, dacă aveți noroc, într-un minut sau două, după care rezultatele devin lipsite de sens.

În plus, trebuie să aveți un giroscop cu trei axe, în care ați utiliza pentru a integra viteza în direcția corectă. Unele telefoane au giroscoape, dar sunt chiar mai proaste decât accelerometrele când vine vorba de deriva și precizie.

O aplicație utilă ar fi utilizarea accelerometrelor în combinație cu giroscoape sau o busolă magnetică pentru a completa datele lipsă de pe GPS. De fiecare dată când GPS-ul oferă o soluție bună, resetați poziția inițială, viteza și condițiile de orientare, iar accelerometrele vor furniza date până la următorul fix GPS valid.

Urmărirea mișcărilor corpului uman este o sarcină care a fost rezolvată cu succes variabil de mii de ani. Am citit odată o poveste despre un vorbitor de greacă veche, Demostene, care avea un obicei prost de a-și ridica umărul la ureche când era nervos. Pentru a scăpa de asta, în timpul antrenamente zilniceîşi atârnă sabia peste umăr, care înjunghia foarte neplăcut dacă umărul se ridica. Drept urmare, vorbitorul a devenit atât de faimos încât există chiar și un articol despre el pe Wikipedia.

Mulți oameni au văzut un alt exemplu bun în filmele despre chineză Arte martiale. De exemplu, Kung Fu Panda și-a întins coatele larg în timp ce executa tehnici. Pentru a urmări acest moment, a pus brusture în zona axilei. Brusturele cade - studentul primește o mustrare de la maestru. Cu siguranță unora dintre noi ni s-a promis de către părinții noștri să ne prindă un băț de spate dacă ne ghemuim. Adevărat, aceste amenințări nu au fost niciodată executate și, prin urmare, nu au fost foarte convingătoare.

Foarte des este necesară urmărirea mișcării în timpul antrenament sportiv. De exemplu, puteți găsi brevetul US3820783, care descrie un dispozitiv de antrenament care atât ghidează sportivul, cât și îl împiedică să se miște incorect.

Diagrama de instalare din brevetul SUA 3820783

Înregistrarea mișcării folosind înregistrarea video

La mijlocul anilor '70 au apărut sisteme care procesau înregistrări video ale mișcărilor preluate din mai multe puncte. Ca rezultat, a apărut un model matematic al unei anumite mișcări. Dacă urmăriți un videoclip despre cum a fost filmat filmul „Stăpânul inelelor”, puteți vedea episoade interesante de filmare a mișcărilor lui Gollum. De fapt, a fost un bărbat într-un costum special care sa mișcat, apoi cu ajutorul unui aparat matematic inteligent și software S-a dovedit a fi un personaj chel drăguț.

Înregistrarea video a mișcărilor are avantaje evidente, dar din moment ce vreau să descriu o soluție alternativă în acest articol, îmi voi permite să critic puțin și să dau dezavantajele:

Filmarea video trebuie făcută din mai multe unghiuri;
necesită adesea plasarea de markere pe corp;
este necesar hardware scump (camere video);
aveți nevoie de o putere de calcul bună și un produs software adecvat pentru a converti videoclipurile într-un model de mișcare umană;
o persoană nu se poate mișca liber distante lungi, altfel va părăsi inevitabil zona de înregistrare video;
Pe lângă obiectul de măsurare, este nevoie de o echipă de specialiști, adică este puțin probabil ca un utilizator obișnuit să poată înregistra mișcarea corpului în timpul unui jogging de dimineață.

Măsurarea mișcărilor este un lucru foarte util nu numai în sport. Este folosit și în design industrial - în dezvoltarea de mașini, benzi transportoare, mașini de cusut și multe altele. Astfel de sisteme există deja, de exemplu de la Siemens - Jack (Human Simulation and Ergonomics). Cum să aflați dacă va fi convenabil pentru șofer să apese butonul de aer condiționat din mașina proiectată? Poți, desigur, să faci o mașină, să așezi o persoană și să o verifici. Dar este mult mai ușor de plantat persoană virtualăîntr-o mașină virtuală. Există deja o mașină virtuală, deoarece toate sistemele moderne de desen prevăd dezvoltarea modelelor 3D. Rămâne doar să legăm mișcările modelului uman de mișcările prototipului său real. Acest lucru se poate face folosind aceeași înregistrare video a mișcărilor sau folosind metoda descrisă vom vorbi de mai jos.

Haine inteligente

În acest articol vreau să vă spun cât de minunat ar fi dacă ați putea măsura mișcările fără a vă limita la limitele unui platou de filmare. De exemplu, dacă funcțiile de măsurare au fost încorporate în îmbrăcăminte. Mergi, alergi, sari, iar hainele tale inregistreaza totul si apoi iti reproduc miscarile pe ecranul smartphone-ului, dai recomandari si iti spune cum sa alergi si sa nu te ranesti genunchii, cum sa stai fara sa te apleci, cum sa pedalezi corect si fara leziuni.

Se pare că știința și tehnologia oferă deja astfel de oportunități. Desigur, încă nu vorbim de îmbrăcăminte inteligentă de zi cu zi, dar există deja costume speciale formate din senzori purtabili care înregistrează mișcările corpului la un nivel foarte bun. Astfel de costume sunt realizate de XSENS. Nu sunt ieftine, dar pe măsură ce fiecare familie primește zeci de echipamente informatice, cipurile devin mai ieftine și devin disponibile tot mai multe sisteme portabile inteligente. Facem salturi și limite spre un viitor luminos. Fără să intru adânc în detalii tehnice, voi încerca să vă spun cum sunt înregistrate mișcările, voi descrie funcționarea și principiul de funcționare a principalelor componente ale sistemului de măsurare a mișcării bazat pe senzori electronic-mecanici.

MEMS

Pe măsură ce microelectronica se dezvoltă, apar diverși senzori miniaturali. Un grup separat de astfel de senzori se numește MEMS - senzori micro electromecanici. Pentru măsurarea mișcărilor, se folosesc senzori de accelerație - accelerometre și senzori de viteză unghiulară - giroscoape. Un accelerometru este un element sensibil în miniatură care își schimbă proprietățile sub influența accelerației. Acesta poate fi un senzor piezoelectric sau un element de capacitate variabilă - un condensator cu o placă mobilă. Senzorul piezoelectric produce o tensiune mică pe electrozii săi, care poate fi măsurată și transformată în accelerație. Situația este similară cu capacitatea unui condensator variabil.

Giroscopul MEMS folosește cel mai adesea forța Coriolis în designul său, care deviază o placă vibrantă; mărimea deviației este înregistrată și convertită în viteză unghiulară.

După cum știm din cursul de fizică și matematică, orice vector poate fi descompus în componente vectoriale. De exemplu, accelerația și viteza sunt descompuse în componente reciproc perpendiculare: X, Y, Z. Elementele de detectare MEMS măsoară accelerația și viteza separat de-a lungul fiecăruia dintre acești vectori.

Este important de menționat că acum există microcircuite care conțin mai mulți senzori MEMS simultan.

De exemplu, un microcircuit Accelerometru MEMS măsoară accelerația de-a lungul a trei axe x, y, z simultan. Același lucru este valabil și pentru cipurile giroscopului, care pot măsura viteza unghiulară de-a lungul tuturor celor trei axe simultan. Există chiar și microcircuite care măsoară simultan accelerația și viteza. Astfel de senzori sunt numiți cu șase axe.

Controler MEMS

Senzorii MEMS sunt de obicei echipați cu un controler încorporat care calculează accelerația sau viteza unghiulară, oferă filtrare digitală și configurează cipul.

Datele din interiorul controlerului sunt stocate în celule speciale de memorie numite registre. Ele sunt prezentate în format întreg cu semn. Unitatea de măsură este de obicei g [accelerația gravitațională - 9,8 m/s2] pentru accelerometre și rad/s [radiani pe secundă] pentru giroscoape. O descriere a formatului de date, adresele de registru, unitățile de măsură, intervalele de măsură și alți parametri sunt întotdeauna furnizate în documentația pentru microcircuitul corespunzător.

Controlerul asigură, de asemenea, comunicarea între senzorul MEMS și lumea de afara prin una dintre interfețele comune. De obicei, acesta este SPI sau I2C. SPI este o interfață cu două linii de date și o linie de ceas. I2C este o interfață cu o linie de date și o linie de ceas. În principiu, trebuie doar să știm că transmiterea datelor de la un senzor MEMS este ușoară și plăcută; există interfețe standardizate, răspândite și biblioteci gata făcute pentru aceasta.

Un computer, tabletă sau smartphone nu are interfețe SPI sau I2C disponibile utilizatorului, așa că pentru a conecta senzorul la acestea, este nevoie de un alt dispozitiv potrivit. Acesta ar putea fi, de exemplu, un microcontroler conectat la un transmițător radio Bluetooth. Microcontrolerul tampon este de obicei responsabil pentru preprocesarea datelor pentru a reduce sarcina pe canalul de comunicație.

În general, alegerea unui canal de comunicare este separată sarcina mare. Desigur, acest canal ar trebui să fie de preferință wireless, dar ce tehnologie wireless ar trebui să alegeți? Standardele de comunicație în gama de 2,4 GHz, cum ar fi Bluetooth sau WiFi, sunt bune, deoarece sunt acceptate de majoritatea dispozitivelor utilizatorilor. Dar, pe de altă parte, limitează domeniul de comunicare datorită lungimii de undă scurte. Desigur, există module radio Bluetooth cu o rază de acțiune declarată de aproximativ un kilometru, dar să nu ne amăgim, pentru că nimeni nu a anulat legile fizicii, iar o astfel de rază de acțiune poate fi obținută doar în condiții de vizibilitate directă și o înălțime suficientă. a senzorilor de deasupra suprafeţei pământului. Este important să decideți asupra unui model de măsurare și prelucrare a datelor. Un lucru este atunci când toate calculele sunt efectuate pe un smartphone care se află în buzunarul unei persoane și este cu totul altceva când un computer se află la zeci de metri distanță pe biroul antrenorului/operatorului. Este mai mult o chestiune de marketing și alegere public țintă complex de măsurare a mișcării. Voi observa doar că, în orice caz, sarcina de a transmite date la destinație poate fi rezolvată și există soluții hardware și software specializate pentru aceasta.

Modelul corpului uman

Lasă datele să ajungă în sfârșit la destinație și începe procesarea lor. Pentru a efectua calcule și a vizualiza mișcările, avem nevoie pur și simplu de un model matematic al corpului uman. Un astfel de model trebuie să țină cont cu siguranță de diferitele lungimi ale brațelor, picioarelor, circumferințelor taliei și pieptului, adică de diferitele caracteristici antropometrice ale oamenilor. Poate că un astfel de model ar trebui să ia în considerare și el structura interna corp. Cu cât modelul este mai complex, cu atât va fi mai dificil, mai costisitor și mai consumator de timp. Eu personal cred că modelul ar trebui să conțină doar acele elemente pe care poate fi amplasat elementul senzor. Adică dacă despre care vorbim despre mână, este recomandabil să compuneți modelul acesteia din următoarele părți:

umăr;
antebraț;
perie;
degete;

Este imposibil să construiești un model ținând cont de întregul set de oase, mușchi și tendoane. Cel mai simplu model al unei părți a corpului poate fi un con. E simplu figură geometrică, care poate fi implementat fără probleme în orice mediu grafic și care nu necesită multe resurse, ceea ce este deosebit de important pentru platformele mobile. De fapt, forma volumetrică a conului este utilizată pentru a vizualiza modelul, iar vectorul care coincide cu axa longitudinală de simetrie este folosit pentru diferite calcule. Diferitele lungimi ale circumferințelor inferioare și superioare ale conului simulează cu ușurință diferențele de diametre, de exemplu, coapsele în partea de sus și zona genunchilor.

Conul ca element al unui model de corp uman

Un model complet al corpului uman format din conuri

De acord că modelul arată destul de ușor de recunoscut. Acest model a fost construit în mediul Microsoft XNA; bibliotecile Primitives3D găsite pe Internet au fost folosite pentru a desena conul. Pentru aranjarea elementelor modelului se folosește aparatul matematic de calcule matriceale ale mediului XNA.

Un pic despre calcule

Spațiul în care se află modelul se numește spațiu mondial. Pentru a muta elementele modelului în spațiul mondial, este necesar să se compună matrici de deplasare; pentru a se roti, sunt necesare matrici de rotație. În general, acestea sunt aceleași matrice, doar celule diferite sunt folosite în ele în scopuri diferite.

Structura matricei în mediul XNA

Elementele evidențiate cu roșu sunt responsabile pentru rotație, elementele evidențiate cu albastru sunt pentru mișcare, iar elementele negre sunt necesare pentru a menține dimensiunea 4x4. Pentru a crea o matrice de deplasare, se utilizează metoda:

Matrix.CreateTranslation(vector3)
Care ia ca parametru vectorul rază al poziției necesare a punctului. Pentru a plasa toate elementele corpului, trebuie să creați o matrice de deplasare pentru fiecare dintre ele, să numim această matrice fBaseWorldi.

Tot ceea ce este legat de mișcarea modelelor 3D este bine cunoscut dezvoltatorilor. jocuri pe calculatorși alți specialiști care lucrează în domeniul graficii 3D pe computer.

Vom trece la partea cea mai interesantă, și anume cum să conectăm măsurătorile vitezei unghiulare și ale accelerației cu poziția modelului pe ecran. Poziția unui corp în spațiu poate fi specificată folosind unghiuri Euler, matrice de translație și rotație sau cuaternioni. Multe copii au fost sparte în dispute cu privire la metoda de a alege. Folosesc reprezentarea poziției în forma . Puteți trece cu ușurință de la o metodă la alta folosind transformări matematice binecunoscute.

Un cuaternion este un set de patru numere care specifică axa în spațiu în jurul căreia trebuie rotit corpul și unghiul de rotație. Quaternion este scris ca:

Q = ,
unde W este cosinusul semiunghiului de rotație; X,Y,Z – coordonatele axei de rotație.

Un cuaternion este de preferat matricelor de rotație, deoarece matricea conține 16 numere, iar cuaternionul doar 4, ceea ce, evident, economisește timp de transmisie a datelor și nu încarcă atât de mult canalul de comunicație.

Un cititor atent poate obiecta pe bună dreptate că cuaternionul ne permite să descriem doar mișcarea de rotație, dar cum rămâne cu mișcarea de translație? Faptul este că metoda propusă este concepută pentru a înregistra mișcările fără referire la zona înconjurătoare. Și toate mișcările umane pot fi construite numai prin rotații.

Într-adevăr, corpul nostru nu este practic supus întinderii și compresiei pure (fără rotație). De exemplu, pentru a deplasa liniar mâna înainte sau înapoi, în sus sau în jos, va trebui să faceți o mișcare de rotație a antebrațului în articulația cotului sau umăr în umăr.

Tot ce rămâne este să convertim accelerația și viteza unghiulară în cuaternioni. Aparatul matematic care produce astfel de transformări este sfântul sfintelor companiilor producătoare de sisteme de măsurare a mișcării. Acest dispozitiv este cunoscut în general, puteți găsi chiar și coduri sursă pe Internet (), dar, ca de obicei, toate dificultățile stau în detalii. Prin urmare, nu fi surprins dacă măsurătorile de mișcare conțin erori de poziție. Acest lucru se datorează erorilor în citirile senzorilor, care sunt integrați și afectează semnificativ rezultatul. De asemenea, erorile de localizare a senzorilor pe corpul uman introduc partea lor de inexactități. O soluție bună este furnizată de producătorul de cipuri MEMS Invensense; acestea produc microcircuite în care puteți încărca o bibliotecă furnizată de ei care efectuează calcule. ÎN versiuni anterioare Biblioteca era cod scris în C care a fost executat pe un microcontroler terță parte. Acum biblioteca este o serie de numere hexazecimale care trebuie încărcate în cipul MEMS după ce i se aplică alimentarea. Alte companii oferă o soluție similară, de exemplu Microcip.

După ce am calculat poziția unei părți a corpului și am exprimat-o ca un cuaternion, este necesar să construim un model general din citirile referitoare la părțile individuale ale corpului. Aici sunt utile cadrul XNA și codul Primitives3D. Biblioteca Primitives3D folosită pentru translație sau rotație utilizează date într-o reprezentare matriceală. Prin urmare, pentru a converti cuaternionii primiți de la senzori, trebuie să utilizați funcția încorporată în XNA:

Matrix.CreateFromQuaternion(qi)
unde qi este cuaternionul de la senzor.

Apoi, este necesar să transferați partea rotită a corpului de la origine la punctul corespunzător unde ar trebui să fie amplasată, de exemplu, antebrațul este „atașat” la cot. Deși ați văzut deja în imagine un corp complet „asamblat”, astfel încât să fie mereu în interior pozitia corecta după sosirea fiecărui nou cuaternion, poziția corpului trebuie calculată din nou. Acest lucru se datorează faptului că biblioteca de calcul cuaternion produce un cuaternion care raportează poziția corpului la momentul zero cu momentul curent. Pentru a transfera o parte a corpului, trebuie doar să înmulți două matrice:

Matrix.CreateFromQuaternion(qi)* fBaseWorldi

Matricea fBaseWorldi este în mod constant ajustată, deoarece dacă umărul se mișcă, atunci cotul se va mișca în consecință. Prin urmare, în program, după sosirea unui cuaternion pentru orice parte a corpului, matricele fBaseWorldi ar trebui calculate pentru toate celelalte părți ale corpului asociate cu acesta.<

Videoclipul a înregistrat mișcarea umană folosind șapte senzori, trei pe fiecare braț și unul pe trunchi în regiunea lombară.

Acum că am primit o înregistrare a mișcărilor corpului, putem folosi aceste date pentru a face calcule ale diferitelor cantități interesante. De exemplu, ajutați-l pe Demostene și atașați-i un senzor pe umăr care va monitoriza poziția corectă și va da un semnal atunci când vă abateți de la această poziție, la fel ca și cum ați rula o aplicație pe un smartphone și ați plasa mai mulți senzori pe spatele copilului, acest lucru va ajuta el controlează postura ta. Și câte alte aplicații utile pentru senzorii MEMS există?
giroscop

accelerometru

Adaugă etichete 17 martie 2017 la 6:56 pm

Cercetare: atacul sonor asupra accelerometrelor înlocuiește citirile

Securitatea informațiilor

Un studiu realizat de o echipă de oameni de știință de la Universitatea din Michigan și de la Universitatea din Carolina de Sud contestă credința de mult timp că software-ul poate avea încredere automat în senzorii hardware care oferă sistemelor autonome informațiile de care au nevoie pentru a lua decizii.

Cercetările sugerează că undele sonore pot fi folosite pentru a pirata senzorii critici dintr-o gamă largă de dispozitive tehnologice, inclusiv smartphone-uri, mașini, dispozitive medicale și Internetul obiectelor.

Acest studiu a examinat senzori inerțiali - accelerometre capacitive MEMS care măsoară schimbarea vitezei unui obiect în trei dimensiuni. Echipa de cercetare a folosit semnale acustice reglate fin pentru a păcăli 20 de modele diferite de accelerometre cu senzor de mișcare. Această abordare a făcut posibilă detectarea unei uși din spate care ar putea fi utilizată pentru a controla alte elemente ale sistemului.

Fizica hardware de bază a permis oamenilor de știință să păcălească senzorii să trimită informații false către microprocesor. Accelerometrele capacitive MEMS pentru măsurarea accelerației înregistrează deviația masei inerțiale. Când se aplică o forță, masa inerțială se modifică, provocând o modificare a capacității, care este convertită într-un semnal analogic.

Impactul presiunii sonore asupra unui sistem sensibil de arc-masă îl poate deplasa, creând astfel semnale false de accelerație. Aceste semnale false de accelerație sunt corelate cu semnalul de interferență acustică.

Este important de remarcat faptul că frecvența de rezonanță a unui sistem arc-masă este o caracteristică a modului în care este proiectat la nivel fizic, iar pentru a înșela cu succes frecvența interferenței acustice trebuie să se potrivească cu ea.

Cercetătorii au efectuat câteva demonstrații impresionante: un semnal audio de la un difuzor simplu de 5 USD a făcut ca o brățară Fitbit să arate mii de pași falși. Într-un alt caz, un fișier muzical rău intenționat a fost redat pe un smartphone, iar difuzorul controla accelerometrul altui smartphone, pe care o aplicație Android „întoarce volanul” unei mașini de jucărie. O altă piesă muzicală a dezactivat accelerometrul Samsung Galaxy S5, care afișa cuvântul WALNUT (nuc) în loc de un grafic de citire.

Echipa observă, de asemenea, că comportamentul accelerometrului poate fi perturbat chiar și atunci când este combinat cu videoclipuri și muzică care sunt redate automat de pe site-uri web, atașamente de e-mail, notificări și multe altele.

Accelerometrele MEMS sunt deja instalate în mii de dispozitive și aparate electrocasnice. Sistemele autonome, cum ar fi dronele și mașinile cu conducere autonomă, iau decizii pe baza a ceea ce le spun senzorii lor. Dacă sistemele autonome nu pot avea încredere în simțurile lor senzoriale, siguranța și fiabilitatea lor sunt în pericol. Când un sistem sau un dispozitiv utilizează un senzor MEMS vulnerabil pentru a lua decizii, atacatorii îl pot folosi ca vector de atac.

Pentru a obține acest efect, cercetătorii au determinat frecvențele de rezonanță a 20 de accelerometre diferite de la cinci producători. Ei nu au folosit zgomot sub 110 dB în experimentele lor, dar rețineți că amplitudini mai mici pot afecta negativ diferiți senzori.

Alți senzori MEMS, inclusiv giroscoape, sunt, de asemenea, potențial susceptibili la atacuri sonice. În timpul experimentelor lor, oamenii de știință au descoperit vulnerabilități suplimentare. De exemplu, designul filtrelor digitale trece-jos, care elimină cele mai înalte frecvențe, precum și amplificatoarele, nu a ținut cont de preocupările de siguranță.

Pentru a proteja senzorii de atacurile de sunet, trebuie utilizată o combinație de metode diferite, dar există două abordări principale:

Localizați senzorii MEMS pentru a limita expunerea la interferența sunetului. De exemplu, înconjurați-l cu material de izolare fonică.
Implementați algoritmi de procesare a datelor care resping semnalele cu accelerare anormală, în special cele cu frecvențe apropiate de frecvența de rezonanță a senzorului MEMS.

În plus, cercetătorii au dezvoltat mai multe soluții software care ar putea minimiza vulnerabilitățile și au raportat acest lucru producătorilor.

Liderul echipei de cercetare și autorul principal, Kevin Fu, a cercetat anterior riscurile pentru securitatea cibernetică ale dispozitivelor medicale, inclusiv potențialul ca ritmurile cardiace mortale să fie transmise fără fir către un stimulator cardiac.

Potrivit acestuia, aceștia au fost inspirați să efectueze un studiu menit să studieze influența semnalelor acustice asupra tehnologiei, atunci când quadcopterele erau dezactivate cu ajutorul muzicii. El a adăugat că lucrările anterioare ale oamenilor de știință au demonstrat succesul atacurilor DoS care folosesc sunetul pentru a dezactiva accelerometrele.

Acesta nu este singurul studiu în care siguranța utilizării accelerometrelor este pusă sub semnul întrebării. În 2014, cercetătorii de securitate de la Universitatea Stanford

Determinarea unghiului de înclinare a diferitelor obiecte în raport cu câmpul gravitațional al pământului se realizează cu un dispozitiv numit inclinometru. Există mai multe principii fizice pe baza cărora poate fi creat un inclinometru. Cel mai adesea, înclinația este determinată folosind forța gravitațională a Pământului, câmpul geomagnetic, efectul giroscopic sau măsurători indirecte. Oricare dintre principiile enumerate are argumente pro și dezavantaje.

Să analizăm determinarea unghiului de înclinare folosind forța gravitației Pământului. Dacă singura forță care acționează asupra unui obiect este forța gravitației, atunci în acest caz, pentru a determina unghiul static de înclinare, se poate folosi un accelerometru MEMS (de exemplu), un dispozitiv care măsoară proiecția accelerației (suprapoziția). a acceleraţiei proprii a accelerometrului şi a vectorului gravitaţional) pe axa sa sensibilă . Unghiul de înclinare este determinat de mărimea proiecției măsurate.

În practică, cel mai adesea, pe lângă forța gravitațională, un obiect este afectat și de alte forțe cauzate de rotație, scuturare etc. Deoarece forța gravitațională are o valoare constantă, orice forță suplimentară care acționează asupra obiectului va modifica puterea accelerometrului și, prin urmare, va apărea o eroare în calculul unghiului de înclinare. Prin aplicarea preprocesării semnalului de ieșire al accelerometrului, este posibilă reducerea la minimum a influenței altor forțe, dar acest lucru va duce la o întârziere în emiterea valorii reale a unghiului.

Accelerometru cu o singură axă

În primul rând, să luăm în considerare cazul ideal în care axa X a obiectului este întotdeauna în planul gravitației. Folosind cursul școlar de trigonometrie elementară, obținem o expresie pentru calcularea proiecției forței gravitaționale pe axa X:

unde este unghiul dintre axa accelerometrului și orizont. De obicei, orizontul este considerat un plan ortogonal cu forța gravitațională (Figura 1). Datorită faptului că valoarea de ieșire a accelerometrului este proporțională cu sinusul unghiului de înclinare în câmpul gravitațional, pentru a determina unghiul de înclinare obținem formula:

(2)

Să studiem natura dependenței proiecției de unghiul de înclinare. Prin definiție, sensibilitatea unui inclinometru este exprimată ca raportul dintre modificarea semnalului său de ieșire și modificarea asociată a unghiului. În cazul cu o singură axă, dacă unghiul de înclinare este aproape de 90º, o modificare mare a unghiului are ca rezultat o mică modificare a accelerației măsurate. Astfel, sensibilitatea măsurării unghiului de înclinare va tinde spre zero pe măsură ce unghiul se apropie de 90º.

O caracteristică importantă a unui inclinometru este valoarea pragului său de sensibilitate. Această caracteristică definește diferența minimă dintre două unghiuri pe care dispozitivul le poate măsura. Pragul de sensibilitate al accelerometrului este o valoare constantă, ceea ce înseamnă că pentru un inclinometru ar trebui să se schimbe la fel ca sensibilitatea sa: cea mai bună valoare în regiunea unui unghi de înclinare de 0º și cea mai slabă la 90º.

Cum să alegem un accelerometru care ne va permite să obținem pragul de sensibilitate dorit al inclinometrului la un interval dat de unghiuri măsurate? Accelerometrul trebuie să determine valoarea cu care proiecția forței gravitaționale se modifică atunci când înclinarea se modifică cu un unghi egal cu pragul de sensibilitate al inclinometrului. Diferența dintre două citiri ale accelerometrului la schimbarea unghiului de înclinare este reprezentată de formula:

unde este unghiul curent și este pasul de creștere a unghiului. Să diagramăm dependența diferenței de unghiul de înclinare și de mărimea incrementului (Figura 2). Curbele construite pot fi utilizate în continuare pentru a determina rezoluția minimă necesară a accelerometrului, suficientă pentru a obține pragul de sensibilitate specificat. Graficul arată, de exemplu, pentru a obține un prag de sensibilitate de 0,5º pe un interval de unghiuri măsurate de ±55º, este necesar să selectați un accelerometru cu o rezoluție de cel puțin 5mg/LSB.

Obținerea unei rezoluții înalte pe o gamă largă de măsurători, în cazul cu o singură axă, este posibilă numai cu utilizarea unui accelerometru cu rezoluție înaltă. În plus, o astfel de schemă nu poate funcționa în întreaga gamă de unghiuri 0º-360º, deoarece valorile sinusului sunt aceleași pentru unghiurile Nº și 180º-Nº.

Accelerometru cu două axe

Introducerea unei axe suplimentare de sensibilitate y în sistemul de măsurare, ortogonală pe axa x și situată, de asemenea, în planul de acțiune al forței gravitaționale, va ajuta la eliminarea dezavantajelor enumerate (Figura 3).

Similar cu situația cu un singur senzor, valoarea accelerației măsurată de accelerometru de-a lungul axei X va fi proporțională cu sinusul unghiului de înclinare, iar valoarea accelerației măsurată de accelerometru de-a lungul axei Y va fi proporțională cu cosinusul lui unghiul de înclinare. Din proprietățile funcțiilor sinus și cosinus rezultă că, în timp ce sensibilitatea de-a lungul unei axe va scădea, aceasta va crește de-a lungul celeilalte. Unghiul de înclinare poate fi calculat folosind următoarea formulă:

(4),
(5)

Spre deosebire de cazul cu o singură axă, utilizarea raportului de proiecție pentru a calcula unghiul de înclinare face ca determinarea analitică a pragului de sensibilitate să fie dificilă. Având în vedere că sensibilitatea de-a lungul unei axe crește în timp ce de-a lungul celeilalte scade, putem considera aproximativ că sensibilitatea globală este o valoare constantă. Acest comportament al caracteristicii simplifică foarte mult selecția unui accelerometru cu rezoluția necesară. Calculul pragului de sensibilitate efectuat pentru un unghi va fi valabil pentru întregul interval de unghiuri măsurate.

Orice înclinare în afara axei va duce la erori semnificative de măsurare a unghiului de înclinare cu un accelerometru cu o singură axă. Introducerea unei axe de sensibilitate suplimentare permite obținerea unor rezultate destul de precise, chiar dacă există o înclinare de-a lungul celei de-a treia axe. Acest lucru se întâmplă datorită faptului că sensibilitatea efectivă a inclinometrului este proporțională cu rădăcina pătrată a sumei pătratelor proiecțiilor forței gravitaționale pe axele sensibile.

Când forța gravitației acționează numai în planul XY, valoarea accelerației pe care o măsoară accelerometrul va fi strict egală cu 1g. Înclinarea în planul XZ sau YZ va reduce accelerația măsurată, care la rândul său va reduce sensibilitatea inclinometrului. În ciuda acestui fapt, este încă posibil să se obțină rezultate precise în ceea ce privește unghiul de înclinare în planul XY. Aceste argumente sunt valabile numai pentru unghiuri mici de înclinare în planurile XZ și YZ. Pe măsură ce unghiul de înclinare crește, influența gravitației asupra axelor X și Y va scădea, făcând în cele din urmă imposibilă calcularea unghiului de înclinare.

În plus, axa suplimentară ne oferă posibilitatea de a măsura unghiuri în intervalul 0-360 de grade. Acest lucru se realizează prin schimbarea semnului în funcție de faptul că unghiul aparține unuia sau altui cadran.

Dacă un unghi aparține unui anumit cadran poate fi determinat prin analiza valorilor obținute pentru fiecare dintre axele sensibile.

Accelerometru cu trei axe

Introducerea unei a treia axe sensibile va face posibilă măsurarea tuturor unghiurilor de înclinare ale senzorului în spațiu. În poziția inițială, poziția dispozitivului este astfel încât axele x și y sunt în plan orizontal, iar axa z este ortogonală cu axele x și y (Figura 4).

În poziția inițială, când forța gravitațională acționează numai pe axa z, constatăm că toate valorile unghiurilor sunt egale cu 0. În acest caz, valorile unghiului pot fi calculate folosind următoarele formule:

(6)
(7)
(8)

Ca și în versiunea cu 2 axe, pragul de sensibilitate este constant și acest lucru vă permite să măsurați cu precizie valorile unghiului pentru întreaga sferă.

Calibrarea accelerometrului

Argumentele de mai sus pentru toate cele trei opțiuni de senzor sunt făcute cu presupunerea că este utilizat un accelerometru ideal. Aceasta înseamnă că are o sensibilitate ideală și nu are nici un offset de zero. În realitate, accelerometrul MEMS este un dispozitiv mecanic și, în ciuda faptului că este reglat, după instalarea lui în inclinometru, va fi supus unei „încărcări” statice. La rândul său, acest lucru va duce la o schimbare a sensibilității și la o schimbare a nivelului zero al inclinometrului. Ca urmare, inclinometrul va produce valori ale unghiului de înclinare cu o precizie mult mai slabă decât cea specificată. Calibrarea valorii zero a accelerometrului și a sensibilității acestuia va ajuta la reducerea erorii în determinarea unghiului de înclinare.