Pourquoi les capteurs inertiels de haute précision sont sous les projecteurs

Les capteurs inertiels convertissent la force d'inertie en signaux électriques pour détecter le mouvement, la rotation et l'inclinaison des objets. Avant le développement des capteurs inertiels MEMS (micro-electromechanical system, système micro-électromécanique), leur coût était prohibitif, et leur utilisation était principalement réservée aux applications aérospatiales et de défense.

Aujourd'hui, grâce à leur faible coût, leurs hautes performances et leur petite taille, ces capteurs inertiels MEMS sont devenus indispensables dans le domaine de l'électronique grand public. Par exemple, dans votre smartphone, ils sont utilisés pour détecter la rotation de l'écran. Ils sont également impliqués dans les jeux, les vêtements intelligents et les applications de réalité augmentée.

Cependant, des capteurs inertiels d'une précision et d'une stabilité supérieures à celles des produits grand public sont nécessaires pour les drones industriels, les trains, les avions et les équipements de construction. De plus, ils doivent fonctionner de manière fiable dans des conditions difficiles où des chocs mécaniques, des vibrations et des changements rapides de température peuvent intervenir.

Types de capteurs inertiels
Il existe deux principaux types de capteurs inertiels : les accéléromètres et les capteurs gyroscopiques.

Les capteurs accéléromètres évaluent l'accélération ; cela inclut les composantes d'accélération causées par le mouvement et l'accélération due à la gravité. L'accélération est mesurée en "g", qui sont des multiples de la force gravitationnelle terrestre (1 g = 9,8 m/s²). Les accéléromètres sont également disponibles avec 1, 2 ou 3 axes, définis dans un système de coordonnées X, Y, Z.

Les capteurs gyroscopiques, quant à eux, mesurent la vitesse angulaire, généralement exprimée en degrés par seconde. Ils intègrent la vitesse angulaire par rapport au temps dans un angle de déplacement mesuré, qui peut être utilisé par exemple pour suivre les changements d'orientation. Comme pour les capteurs accéléromètres, les capteurs gyroscopiques sont disponibles auprès de divers fournisseurs en 1, 2 ou 3 axes, ce qui correspond à la mesure simultanée des angles de tangage, de roulis ou de dérive.

Les IMU (Inertial Measurement Units) sont des dispositifs intégrés qui combinent un gyroscope 3 axes et un accéléromètre 3 axes sur la même puce. Ils peuvent même être intégrés à un capteur de pression barométrique ou à une boussole pour des fonctionnalités supplémentaires.

Drones industriels
L'utilisation des drones augmente dans de nombreux domaines. Ils sont déjà employés dans des zones protégées pour filmer des vidéos, pratiquer un épandage sur de grandes exploitations agricoles, inspecter des bâtiments et prospecter des sites. Les versions industrielles devraient bientôt devenir le moyen de transport préféré pour les livraisons du dernier kilomètre ou pour inspecter des endroits difficiles d'accès. Mais, avant que la déréglementation des drones industriels ne soit possible, les gouvernements du monde entier vont poursuivre leurs travaux pour établir des lois et des règlements qui permettront et soutiendront leur utilisation en toute sécurité. Notons cependant qu’il existe déjà une feuille de route claire pour l'utilisation généralisée de drones industriels dans sept domaines cibles : la logistique, la sécurité, les soins de santé, la réponse aux catastrophes, la maintenance et la gestion des infrastructures, l'arpentage, l'agriculture, la sylviculture et la pêche.

Grâce aux capteurs inertiels, les drones actuels peuvent maintenir une bonne stabilité tout en volant à grande vitesse. Ici, l'accéléromètre mesure l'accélération linéaire résultant du mouvement du drone et de la gravité, tandis que le capteur gyroscopique détecte les changements d'angle dans le temps. Comme ces capteurs détectent en permanence l'assiette et le mouvement du drone, les vitesses des multiples rotors sont ajustées en conséquence, ce qui permet de contrôler et maintenir sa stabilité.

Au fur et à mesure que leur utilisation se généralise, ils devraient survoler de plus en plus des zones urbaines et résidentielles à forte densité de population. Dans ce cas, des capteurs inertiels de haute précision sont nécessaires pour atténuer le risque de crash de drones industriels et assurer leur fonctionnement en toute sécurité.

Ces types de capteurs inertiels de haute précision sont déjà utilisés dans les GNSS (Global Navigation Satellite Systems), tels que les systèmes de navigation automobiles basés sur GPS, pour afficher avec précision la position de la voiture. Dans les chemins de fer, ils sont également employés pour localiser précisément la position des trains sur la voie.

Toutefois, dans les situations où la réception est intermittente, comme dans les tunnels ou lorsque le véhicule se trouve entre de grands immeubles, sa position peut être estimée en complétant les informations GNSS par des techniques de navigation à l'estime. Quand il n'y a plus aucune réception GNSS, comme dans une mine, les foreuses et autres engins d'excavation ne peuvent compter que sur les informations des capteurs inertiels. Dans ces environnements, les capteurs inertiels doivent être très précis et présenter une sensibilité minimale aux vibrations, aux chocs, à la poussière et aux variations de température pour garantir leur fonctionnalité et leur fiabilité.




Environnements de vol difficiles
En tant que pionnier et leader de l'industrie des capteurs inertiels, TDK développe et fabrique depuis de nombreuses années des dispositifs de haute précision destinés aux véhicules autonomes, à la navigation ferroviaire et à l'avionique. Plus spécifiquement, lorsque ces dispositifs sont placés dans les IMU et les systèmes de navigation inertielle (Inertial Navigation Systems, INS) pour le contrôle de vol des véhicules avec ou sans équipage, ils doivent afficher impérativement une fiabilité et une précision élevées qui ne soient affectées, ni par les changements d'environnement, ni par la durée.

Dans les environnements de vol, l'IMU évalue l'accélération, l'orientation, les vitesses angulaires et d'autres forces gravitationnelles d'un véhicule en se basant sur des mesures d'inertie via des accéléromètres et des gyroscopes. Un INS, quant à lui, est un appareil de navigation qui utilise un ordinateur, des accéléromètres, des gyroscopes pour évaluer en permanence la position, l'orientation et la vitesse (direction et vitesse de déplacement) d'un objet en mouvement sans avoir besoin de références externes.

Comparés aux capteurs inertiels utilisés dans les appareils électroniques grand public, les dispositifs proposés par TDK affichent des caractéristiques plus précises et reproductibles, et celles-ci sont jusqu'à 100 fois moins influencées par les vibrations. De ce fait, ils sont parfaitement adaptés aux applications dans les trains, les avions, la navigation maritime, les équipements de construction et d'autres applications où une haute précision et une stabilité à long terme dans des environnements exigeants sont requises.

Par exemple, l'AXO^® est le dernier capteur d'accélération MEMS hautes performances de TDK. Son architecture de capteur à rééquilibrage des forces atteint des précisions équivalentes à celles des capteurs à cristaux analogiques conventionnels, mais dans un boîtier beaucoup plus petit, plus léger et moins coûteux et disposant d'une sortie numérique. Il garantit une erreur composite de répétabilité de biais de 1 mg, même dans des conditions de vol environnementales difficiles.

D'autre part, le capteur gyroscopique MEMS hautes performances de TDK, leGYPRO^®, présente une bonne stabilité de biais même dans des environnements difficiles, un bruit ultra-faible et une faible latence. En plus d’être une alternative moins coûteuse que les gyroscopes mécaniques et à fibre optique traditionnels, il offre également une sortie numérique, et est plus petit et plus léger.

Les innovations émergentes reposent sur la haute précision
Des capteurs inertiels de haute précision et de fiabilité très élevée dans des conditions environnementales difficiles permettent dès maintenant aux équipementiers de construire des dispositifs IMU et INS, notamment pour les applications critiques au niveau sécurité. Ils joueront de plus en plus un rôle essentiel dans les innovations émergentes, comme les drones de transport de marchandises et les taxis aériens, qui exigent une précision et une fiabilité accrues.

Pour plus d'informations, veuillez visiter : https://product.tdk.com/en/products/sensor/mortion-inertial/index.html

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