Application de la fusion de capteurs aux accéléromètres et gyroscopes

Les accéléromètres et les gyroscopes sont des capteurs de choix pour l'acquisition d'informations d'accélération et de rotation dans les drones, les téléphones portables, les automobiles, les avions et les dispositifs IoT portables. Cependant, les accéléromètres et les gyroscopes sont sujets à erreurs, notamment le bruit et la dérive (respectivement). Les concepteurs doivent donc utiliser de nouvelles approches pour obtenir une précision optimale.

Parmi ces approches figure la fusion de capteurs. Cet article évalue les accéléromètres et les gyroscopes indépendamment pour voir comment ces erreurs de bruit et de dérive se produisent. Il présente ensuite des exemples pour chaque type de capteur et explique l'utilisation des techniques de fusion de capteurs pour combiner les résultats de ces deux capteurs et réduire l'impact de ces erreurs.

Choisir les bons capteurs

Un accéléromètre mesure toutes les forces linéaires appliquées sur un objet en millivolts/g (mV/g). Un objet mobile peut présenter un mouvement dynamique tel que l'accélération, ainsi que la gravité comme force statique continue. En fixant un accéléromètre à un objet, il est possible de mesurer son accélération et la force gravitationnelle exercée sur l'objet. Toutefois, les accéléromètres ont tendance à montrer des erreurs de position au fil du temps.

Figure 1 : Un drone avec des capteurs pour accéléromètre tridimensionnel (3D) et gyroscope 3D permet de fournir des données de position à l'unité de commande au sol. (Source de l'image : Wikipedia et STMicroelectronics)

Le gyroscope fournit le taux de variation de la vitesse angulaire exercée sur un objet au fil du temps, en mV par degré par seconde (mV/degré/s). En fixant un gyroscope à un objet, le capteur peut facilement mesurer les changements angulaires de l'objet, mais tout comme les accéléromètres, les gyroscopes montrent des erreurs angulaires de plus en plus importantes au fil du temps.

De nombreux accéléromètres et gyroscopes sont fabriqués à l'aide de microsystèmes électromécaniques (MEMS). Le processus de production des capteurs MEMS combine des fonctions mécaniques et silicium dans le même substrat silicium du micromètre. Les principaux composants de ces dispositifs sont les éléments mécaniques, le mécanisme de détection et le circuit intégré spécifique à une application (ASIC).

Accélérateurs de type MEMS

La construction d'un accéléromètre MEMS unique utilise des plaques silicium fixes et des ressorts mécaniques qui répondent aux forces externes (Figure 2).

Figure 2 : Le modèle d'accéléromètre MEMS utilise des éléments mécaniques et silicium pour générer une variation de la capacité correspondant aux variations de l'accélération. (Source de l'image : HowToMechatronics.com)

Une technique de détection MEMS courante consiste à utiliser des condensateurs variables sur puce. Au cours d'un mouvement, les plaques fixes vertes restent statiques, tandis que la masse orange fléchit le long de l'axe d'accélération. Avec ce mouvement, les valeurs des capacités C1 et C2 changent alors en fonction de la variation de distance entre la plaque fixe et la masse.

Figure 3 : Vue rapprochée de la construction de l'un des condensateurs d'un accéléromètre MEMS. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

D'un point de vue quantitatif, la variation des valeurs C1 et C2 dépend de la distance (d) entre les plaques du condensateur (Figure 3).

Où :

ε₀ = constante diélectrique de l'air = 8,85 x 10^-12 farad/mètre

ε_r = constante diélectrique du substrat par rapport à l'air

L = longueur de la plaque fixe et de la masse adjacentes

W = épaisseur de la plaque fixe et de la masse

d = distance entre les plaques fixes et la masse

La principale variable de l'équation 1 est d. La variation de distance reste constante en raison de l'accélération et de la force gravitationnelle constantes. Lorsque le capteur est immobile ou atteint une vitesse constante, la structure s'assouplit. Toutefois, la force gravitationnelle s'applique toujours.

La valeur des condensateurs de l'ensemble de l'unité peut être inférieure à un picofarad (pF). Il est possible d'augmenter les valeurs à une plage utilisable en plaçant plusieurs plaques en parallèle.

Un exemple de circuit de mesure pour ces condensateurs définit C1 et C2 comme diviseurs de tension entre des alimentations opposées (Figure 4). Le signal passe par un filtre passe-bas, puis est numérisé grâce à un convertisseur analogique-numérique (CAN) delta-sigma.

Figure 4 : Dans un exemple d'implémentation, C1 et C2 forment un diviseur de tension entre deux alimentations opposées, avec une sortie numérisée. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Accéléromètres 3D

Un accéléromètre 3D comprend trois capteurs d'accéléromètre montés orthogonalement (Figure 5).

Figure 5 : Un accéléromètre 3D fournit des données de sortie pour les accélérations positionnelles des axes x, y et z. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le mécanisme de détection des trois accéléromètres redevient capacitif. L'accéléromètre à 3 axes à sortie numérique LIS2DW12TR de STMicroelectronics est un exemple d'accéléromètre adapté aux fonctions activées par mouvement. Le LIS2DW12TR est un accéléromètre 3D MEMS avec une sortie numérique et quatre modes de fonctionnement différents : haute résolution, normal, basse consommation et hors tension.

Le mode haute résolution fournit un code de sortie de données de 14 bits pour augmenter la précision des mesures. Avec un bit pleine échelle de ±2 g, la sensibilité typique du mode haute résolution est de 0,244 mg/digit. Alternativement, avec un bit pleine échelle de ±16 g, la sensibilité typique du mode haute résolution est de 1,952 mg/digit. Ce dispositif présente un niveau de précision de décalage zéro g typique réglé en usine de ±20 mg.

Un accélérateur 3D mesure l'accélération linéaire sur les axes x, y et z. Au cours d'une rotation, comme un roulement, les distances entre la plaque fixe interne et la masse restent inchangées. Par conséquent, l'accélérateur ne répond pas à la vitesse angulaire. 

Avec cet attribut, l'accéléromètre 3D est adapté aux applications comme la détection de mouvement, la reconnaissance de mouvement, l'orientation d'affichage et la détection de chute libre. Toutefois, il ne peut répondre qu'à une partie des exigences de détection d'un drone.

Gyroscopes tridimensionnels

Un gyroscope MEMS dépend également de la variation de capacité entre les éléments mécaniques et silicium, mais dans cette configuration, le capteur génère des variations capacitives selon les variations de la vitesse angulaire.

Un gyroscope 3D comprend trois capteurs gyroscopiques montés orthogonalement (Figure 6). Une mesure de la force g est exprimée en pieds/seconde/seconde (ft./s/s), où 1 g équivaut à la force gravitationnelle terrestre. Le mécanisme de détection des trois gyroscopes redevient capacitif.

Figure 6 : Un gyroscope tridimensionnel fournit des données de sortie pour la rotation de l'accélération angulaire autour des axes x, y et z. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le gyroscope à sortie numérique à trois axes I3G4250D de STMicroelectronics constitue un type de gyroscope adapté aux systèmes de navigation. Il fournit un code de sortie de données de 16 bits.

Avec un bit pleine échelle de 245 degrés par seconde (dps), la sensibilité typique est de 8,75 millidegrés par seconde par digit (mdps/digit). Alternativement, avec un bit pleine échelle de 2 000 dps, la sensibilité typique du mode haute résolution est de 70 mdps/digit. Le niveau de vitesse nulle numérique typique du dispositif est de ±10 dps. Ce niveau de vitesse nulle et cette sensibilité permettent au concepteur d'éviter une compensation et un étalonnage supplémentaires lors de la production.

Un gyroscope 3D mesure l'accélération angulaire autour des axes x, y et z. Si une accélération linéaire s'exerce sur un gyroscope, les distances entre la plaque fixe interne et la masse restent inchangées. Par conséquent, le gyroscope ne répond pas à la vitesse linéaire.

Avec cet attribut, le gyroscope 3D est adapté aux applications comme le contrôle de mouvement, les appareils électroménagers et la robotique. Toutefois, la combinaison d'un gyroscope et d'un accéléromètre peut commencer à répondre aux exigences de détection d'un drone.

Combiner des gyroscopes et des accéléromètres 3D

L'accéléromètre et le gyroscope apportent individuellement des avantages considérables à un système de navigation. Toutefois, tous deux présentent des domaines d'incertitude quant aux données. En utilisant les deux capteurs pour collecter des données sur le même phénomène, c'est-à-dire le mouvement d'un objet, la fusion des données de sortie des deux capteurs pour en extraire le meilleur constitue une très bonne option. Cette opération peut se faire grâce à une stratégie de fusion des capteurs.

Les techniques de fusion de capteurs combinent les données de détection issues de différentes sources pour générer des informations moins incertaines ou plus précises. Dans le cas des gyroscopes et des accéléromètres, chaque dispositif compense les erreurs de bruit et de dérive de l'autre pour fournir un suivi de mouvement plus précis et plus exhaustif.

Cette combinaison des sorties des capteurs s'effectue grâce à l'implémentation du filtre Kalman ou d'un filtre complémentaire. Le filtre Kalman est un outil puissant combinant les informations en cas d'incertitude. Dans un système dynamique, ce filtre est idéal pour les systèmes à variation continue.

Lors de la combinaison des données d'un accéléromètre 3D et d'un gyroscope 3D, la meilleure solution consiste à intégrer les deux fonctions dans le même dispositif. Le système d'accéléromètre 3D et de gyroscope 3D LSM6DS3HTR de STMicroelectronics constitue un exemple de ce type de dispositif. Les applications adaptées à ce dispositif sont diverses : podomètre, suivi des mouvements, détection des mouvements et fonctions d'inclinaison.

Le LSM6DS3HTR présente une plage d'accélération pleine échelle dynamique sélectionnable par l'utilisateur de ±2/±4/±8/±16 g, ainsi qu'une plage de vitesses angulaires de ±125/±245/±500/±1 000/±2 000 dps qui est comparable à son homologue autonome.

Lors de la combinaison d'accéléromètres 3D et de gyroscopes 3D, le filtre complémentaire (ou Kalman) utilise d'abord le gyroscope pour sa précision, car il n'est pas vulnérable aux forces externes. À long terme, les données de l'accéléromètre sont utilisées, car elles ne subissent aucune dérive.

Dans un format simplifié du filtre, l'équation logicielle est la suivante :

Ces valeurs sont intégrées au fil du temps.

De plus, STMicroelectronics offre de nombreux logiciels pour prendre en charge la détection avec sa gamme de microcontrôleurs STM32.

Conclusion

Dans le cadre des efforts des concepteurs pour extraire des informations plus précises sur les objets mobiles, les accéléromètres et gyroscopes 3D MEMS, utilisés en conjonction avec une stratégie de fusion de capteurs, peuvent fournir une solution fiable pour les défis liés au mouvement et à la navigation.