מאת: שמעון ברק, היפר טק
כאשר בודקים כלי רכב, לעיתים יש צורך למדוד את התנועות הדינמיות של הרכב ואת הזווית שלו ביחס לכביש. מדי תאוצה מאפשרים לך למדוד את הכוחות הנגרמים כתוצאה מפנייה, מהאצה או מבלימה, אבל מדידות אלו תהיינה בלתי מדויקות, אלא, אם במהלך המדידות, הרכב יהיה מאוזן ביחס לאדמה. למשל כאשר הרכב נוטה לפנים בעת מדידה של כוח הבלימה, במדידה שתתבצע על ידי מד התאוצה המשמש אותך יתקבלו רכיבי כבידה.
רוב חישני הנטייה חשים בכיוון הכבידה ככיוון לייחוס. כבידה היא סוג של תאוצה שמשנה את המהירות. בלימה, האצה ופנייה של הרכב יוצרים תאוצות שפועלות על הרכב. במדידת הטיה, אתה רוצה למדוד את תאוצת הכבידה בלבד. במדידת דינמיקה של רכב, אתה מעונין למדוד תאוצה תנועתית בלבד.
חיישן נטייה יפיק תוצאות לא מדויקות ממדידות הזווית, כאשר הוא יהיה חשוף לתאוצת תנועה. מד תאוצה יפיק תוצאות לא מדויקות ממדידות תאוצה כאשר הרכב יהיה מוטה.
חישני קצב שינוי זוויתי יכולים לתקן את ההשפעה שיש לנטייה לפנים, על ידי מדידה של הסיבובים סביב מרכז הכובד של הרכב. לדאבוננו לחישני קצב שינוי זוויתי יש חסרונות משל עצמם. חישני קצב שינוי זוויתי מודדים את קצב שינוי הסיבוב, לא את הזווית שלו. את זווית הסיבוב אפשר למצוא על ידי ביצוע אינטגרציה של קצב שינוי הסיבוב, שנמדד במהלך הזמן. שגיאה בקצב שינוי הסיבוב תסתכם במהלך הזמן לשגיאה גדולה יותר. עם זאת, אתה יכול לשלב מדידות תאוצה במדידות של קצב שינוי זוויתי ולהפיק מדידות מדויקות של התנועות הדינמיות של רכב. כל טכנולוגיה של מדידה יכולה לפצות על החולשה הקיימת בטכנולוגיה אחרת. כאשר יש מספיק כוח חישובי, תוכל לבצע מדידות מדויקות של תאוצה וזוויות בזמן אמת.
כדי לממש זאת עליך למדוד תאוצה לאורך שלושה צירים ניצבים, וסיבובים סביב אותם שלושה צירים. כדי למדוד את התנועה הדינמית השלמה של רכב, נצייד את הרכב במד תאוצה בשלושה צירים מיושר עם מרכב הרכב, ובשלושה חישני קצב שינוי זוויתי שיהיו מיושרים עם צירי מד התאוצה. עיין באיור 1. אם ניתן, רצוי להציב את החישנים במרכז הכובד של הרכב, כדי להקטין עד למינימום את התאוצות הסיבוביות?? המשפיעות על מדידות מד התאוצה.
אתה יכול להשתמש בחישני קצב שינוי זוויתי כדי למדוד את הקצב שבו רכב נע בסיבוב סביב ציר נתון. אם תבצע אינטגרציה של הקצב לאורך זמן, תקבל את הזווית כפונקציה של הזמן. לדוגמה, אתה יכול להשתמש בחישני קצב שינוי זוויתי כדי לעקוב אחר תנועת הסיבוב של הרכב סביב הצירים X ו- Y. לאחר מכן, תוכל לבצע אינטגרציה של המידע שקיבלת לגבי הסיבוב, כדי לחשב את העלרוד [pitch] והגלגול [roll] של הרכב כפונקציה של הזמן. בעזרת שימוש בנתוני העלרוד והגלגול המחושבים האלו, תוכל לחסר מנתוני מד התאוצה את רכיבי הכבידה שנוצרו על ידי הנטייה.
כדי לחשב את זוויות העלרוד והגלגול הממשיות, עליך לבצע אינטגרציה של אותות קצב השינוי הזוויתי. כתוצאה מכך, שגיאת היסט בקצב השינוי הזוויתי תפיק שגיאה בזווית, אשר תגדל באופן ליניארי עם הזמן. בנוסף, הרעש האקראי בחישני קצב השינוי ייצור השפעת תנועה אקראית?? בזווית המחושבת. התנועה האקראית?? תגרום לסחיפה בזווית המחושבת, בקצב יחסי לשורש הריבועי של הזמן, גם בהיעדר שגיאת ממתח?? של קצב השינוי. השפעות אלו יגבילו את התועלתיות של כל המדידות, חוץ מתועלתיות של מדידות חישני קצב השינוי הזוויתי, היקרים ביותר שמשמשים למדידות, למשך זמן שיימשך יותר מאשר כמה דקות.
למזלנו, אנו יכולים לנצל את הדיוק של חישני קצב השינוי הזוויתי במשכי זמן קצרים ואת היציבות של מד התאוצה במשכי זמן ארוכים, כדי להפיק חישובי זווית שיהיו יציבים גם במשכי זמן קצרים וגם במשכי זמן ארוכים. השתמש בחיישן שינוי הקצב כדי למדוד את השינויים בזווית בטווחי זמן קצרים. השתמש במד התאוצה כבחיישן נטייה, כדי לחשב את זוויות הנטייה ואלץ את הזוויות הנובעות מחיישן שינוי הקצב הזוויתי, כדי להתאימן בהדרגה לזוויות של מד התאוצה בטווחי זמן ארוכים.
כדי לבצע את המדידות האלו, אתה זקוק לחיישנים, לציוד הרכשת נתונים ולכוח חישובי. השתמש במד תאוצה בן שלושה צירים ובחישני קצב שינוי זוויתי בשלושה צירים. אתה צריך חישני שלושה צירים כדי למדוד את התנועה המלאה של הרכב, בלי קשר לכיוון התנועה שלו. אתה יכול גם להוסיף חיישן טמפרטורה ולהשתמש בנתונים כדי לפצות על השפעות הטמפרטורה בתוצאות של מד התאוצה ובתוצאות חיישן קצב השינוי. לאחר מכן, עליך להפוך לספרתיות את היציאות של החיישנים ולהזין אותן למעבד נתונים או להתקן איסוף נתונים.
אם ברצונך לבצע חישובים לאחר הרכשת הנתונים, תוכל להשתמש במחשב אישי. אבל אם לעומת זאת תרצה לקבל תוצאות בזמן אמת, תצטרך שיהיה לך מעבד אותות ספרתיים [DSP] כחלק מהציוד להרכשת נתונים. לאחר מכן, תוכל לשלוח למחשב דרך קישור ספרתי את נתוני הזוויות המחושבים, את הזוויות המחושבות, את המידע המתוקן של התאוצות ואת המידע לגבי קצב השינוי. אם תשלח חבילת נתונים בינאריים, עליך להיות מסוגל להגיע לקצב שידור נתונים של יותר מ– 200 הרץ עם קו RS-232 טורי בקצב של 38.4 קילו–באוד. זה יהיה מהר באופן משמעותי מרוחב הפס של חיישנים המודדים את קצב השינוי הזוויתי.
הצב את החיישנים קרוב ככל שאפשר למרכז התנועה של הרכב, אחרת, תנועות סיבוביות יגרמו למדי התאוצה לבצע מדידות של תאוצות צנטרפוגליות. זכור שאתה משתמש במדי התאוצה כדי למדוד את התאוצות הקוויות של מרכז הכובד של הרכב. עליך להקטין עד למינימום את הצימוד של תנועה סיבובית אל המדידות של מד התאוצה.
איור 3 מראה את האלגוריתם עבור ציר אחד. בצע אינטגרציה של יציאת חיישן קצב השינוי בזמן אמת, כדי למצוא זווית גולמית. השתמש במד תאוצה כדי למדוד את כיוון הכבידה והסק את זווית הנטייה. לדוגמה, אם אתה מודד תאוצה של 0.1 G בציר X, יש להניח שקיימת נטייה של ארקסינוס של (0.1) ששווה ל–5.7°. כדי להימנע מקבלת חיווי לקוי של זווית הנטייה הגרוויטציונית שנובע מרעידות ומהלמים, השתמש במסנן מעביר נמוכים עם נקודת קיטעון של 100 הרץ או פחות. המסנן יכול להיות מסנן פשוט מסוג RC בעל קוטב יחיד.
חשב את ההפרש שבין שתי הזוויות. הפרש כזה הוא אות השגיאה שבו תוכל להשתמש כדי לתקן את חישוב הזווית. הגדרתי פרמטר הגבר k שמבקר באיזה חלק של אות השגיאה עליך להשתמש כדי לתקן את זוויות חיישן קצב השינוי. ולבסוף, סכם את הזווית הגולמית שהתקבלה מחיישן קצב השינוי עם אות השגיאה. התוצאה של התהליך הזה היא הזווית המחושבת, הנשלטת בטווחי זמן קצרים על ידי המידע של חיישן קצב השינוי, אבל מתוקנת בטווחי זמן ארוכים על ידי נתוני מד התאוצה. טווח הזמן נקבע על ידי הערך של k.
פרמטר ההגבר k דומה לקצב הזקיפה?? במכשיר ג’יירו אנכי אנלוגי. הערך של k קובע את קבוע הזמן שבו חישוב זווית חיישן שינוי הקצב מיוצב על ידי חישוב זווית הכבידה. עליך לבחור קבוע זמן, שיהיה ארוך יותר מהתמרונים?? הצפויים בבדיקה. השתמש בערך הזה וחלק אותו בקצב הנמדד שלך. זהו הערך של k המיועד לשימוש. לדוגמה, אם אתה רוצה קבוע זמן של 5 שניות ואתה מודד את מדי התאוצה שלך ואת חישני קצב השינוי ב– 200 הרץ, עליך להשתמש בערך של 5/200 = 0.025 עבור k.
לאחר שייצבת את זוויות הנטייה, תוכל להשתמש בנתונים אלו כדי לתקן את נתוני מד התאוצה הגולמיים שיאפשרו לך למצוא את התאוצה האמיתית בכל הצירים. זכור שאם אתה בנטייה, חלק מתאוצת הכבידה יימדד בצירי מד התאוצה X ו– Y. אתה הדרכים היא ליצור מטריצת סיבוב באמצעות שימוש בעלרוד ובגלגול הנמדדים שיבצעו סיבוב של וקטור התאוצה הנמדד (מדידות צירי X, Y ו– Z תוך כדי יישור מול הרכב) אל רמת הווקטור שווה הערך ביחס לקרקע. במערכת המאוזנת, הכבידה אנכית לחלוטין, ולכן צירי X ו– Y המאוזנים מודדים תאוצת תנועה בלבד ללא כבידה.
התוצאה הסופית היא תיאור שלם של תנועת הרכב כולל קצבי השינוי הזוויתיים; זוויות הנטייה המיוצבות והתאוצות הקוויות המתוקנות. אפשר לממש את המערכת המתעוררת בזמן אמת באמצעות חישני מצב מוצק, ובכך ליצור מערכת אמינה וזולה למדידת תנועה של רכב.
