Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse 5 ème année Electronique et Systèmes Embarqués

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1 Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse 5 ème année Electronique et Systèmes Embarqués Fiche technique Le Gyroscope Simon Bouvot <bouvot@etud.insa-toulouse.fr> Alexis Ferte <ferte@etud.insa-toulouse.fr> 29 Décembre 2013 Résumé Dans ce document, on pourra se documenter sur le gyroscope : son fonctionnement ainsi que sa fabrication (MEMs). On trouvera quelques schéma d application permettant son utilisation.

2 Table des matières 1 Le gyroscope De l accéléromètre au gyroscope Rappel sur l accéléromètre Limite du capteur Couplage de l accéléromètre et du gyroscope Un gyroscope, ça fonctionne comment? Un peu de physique Caractéristiques d un gyroscope MEMs Exemples de gyroscope ST L3G4200D - ultra-stable three-axis digital output gyroscope Murata SCC1300-D02 - Gyroscope and 3-axis Accelerometer

3 Chapitre 1 Le gyroscope 1.1 De l accéléromètre au gyroscope Rappel sur l accéléromètre L accéléromètre (étudié lors du BE Capteurs) permet de mesurer une variation de vitesse (une accélération). Lorsqu on combine plusieurs accéléromètres linéaires (distants les uns des autres), on peut mesurer une accélération angulaire, c est à dire la résultante de plusieurs axes selon lesquels on mesure l accélération. Les mesures n étant que relatives les unes par rapport aux autres (entre accéléromètre), on va chercher à effectuer les mêmes mesures mais par rapport à un repère fixe Limite du capteur L accéléromètre est capable de mesurer l évolution de la vitesse entre 2 instants donnés mais pas à un instant donné par rapport à un repère fixe : ce que peut faire une GPS car il mesure la différence de positionnement entre 2 instants. A propos de la vitesse angulaire, l accéléromètre peut donner la variation de cette vitesse entre 2 instants mais pas un angle absolu. Prenons l exemple d un smartphone : pour répondre à ce besoin technologique, l iphone 5S embarque une boussole (depuis le modèle 3GS) ce qui permet d effectuer ses mesures par rapport aux pôles magnétiques terrestres. L angle du terminal est mesuré selon l axe normal à la surface de la terre, plus précisément l axe centre de la terre - iphone Couplage de l accéléromètre et du gyroscope La boussole mesure l orientation du smartphone par rapport aux pôles magnétiques. L accéléromètre mesure la variation de sa vitesse. Le gyroscope donne la mesure de l orientation sur 3 axes par rapport à son référentiel (yaw, pitch et roll). Le smartphone peut donc estimer très finement sa localisation dans l espace. Figure 1.1 ST MEMs Gyroscope 3

4 1.2 Un gyroscope, ça fonctionne comment? Un peu de physique On rappelle qu un gyroscope capte la position angulaire, c est-à-dire l orientation par rapport à un axe alors qu un gyromètre capte la vitesse angulaire, c est-à-dire la vitesse de rotation autour d un axe. Un gyromètre sert à mesurer une vitesse angulaire [rad.s 1 ], selon 1 à 3 axes. Un gyromètre 3 axes permet une mesure selon 3 degrés de liberté (le tangage, le roulis et le lacet). Il est utilisé dans de nombreuses applications comme le gaming (figure 1.2), la réalité augmentée, le motion control, la navigation par GPS ou encore la robotique. Il est intégré dans l iphone 5S ou encore dans le Samsung Galaxy S4. Figure 1.2 Wii Motion Plus : Capteur gyroscopique Ce capteur en MEMS (Micro-machined Electro-Mechanical Systems) est composé d une structure à quartz vibrant sensible aux rotations par l intermédiaire de la force de Coriolis. Cette force agit perpendiculairement à la direction du mouvement d un corps en déplacement dans un milieu en rotation (voir figure 1.3). Figure 1.3 Gyromètre en MEMS Deux masses vibrent en opposition de phase sur un certain axe, le drive axe. Lorsque le capteur tourne, la force de Coriolis crée une vibration dans un axe orthogonal à la vitesse linéaire du drive axe et à la vitesse angulaire Ω. Étant proportionnelle à la vitesse Ω, cette vibration est la base pour le calcul. On appelle cet axe : sense axe. Du point de vue électrique, les matériaux qui ont des propriétés piézoélectriques sont utiles pour générer la vibration du drive axe ou pour la mesure dans le sense axis. Il existe des matériaux qui peuvent générer une différence de potentiel lors d une compression. 5ESE gr.2 - Bouvot - Ferte Page 4/ Décembre 2013

5 Figure 1.4 Le gyroscope de l iphone 4 La force de Coriolis vaut : F Coriolis = 2m Ω(t) v Comme ce type de capteur se base sur les vibrations, il faut faire attention à la température et aux vibrations mécaniques. Sachant que le signal de sortie est la combinaison d une droite avec un bruit souvent modélisé par un bruit blanc, on retire le facteur dû à la droite, puis on fait le filtrage. 5ESE gr.2 - Bouvot - Ferte Page 5/ Décembre 2013

6 1.2.2 Caractéristiques d un gyroscope MEMs Paramètre Plage de valeurs Description Power supply 2.4V to 3.6V Alimentation DC du gyroscope Power supply current Power supply current in sleep mode Power supply current in power-down mode 6.1mA 1.5mA 5µA Consommation en courant mode normal Consommation en courant lorsque le gyroscope est en veille. Pour les gyroscopes numériques, l utilisateur un registre de contrôle grâce à l interface I 2 C/SP I Consommation en courant lors de la mise hors tension Full scale range dps 1 Plage de mesure du gyroscope Zero-rate level Volts ou LSBs 2 Tension mesurée lorsque le gyroscope n est soumis à aucune vitesse angulaire Sensitivity Sensitivity change vs Temperature Zero-rate level change vs Temperature Non linearity System bandwidth Rate noise density Self-test mv/dps ou dps/lsb (%/ o C) (dps/ o C) %F ullscale Hz dps/ Hz mv or dps Relation entre 1 dps et la variation de la tension de sortie du gyroscope analogique par rapport au Zero-rate level. Pour les gyroscopes numériques, la sensibilité est la relation entre 1 LSB et dps Variation de la sensibilité en fonction de la température This parameter defines, when temperature changes from 25 o C, how the zero-rate level will change per o Ce paramètre défini l erreur maximale entre les sorties du gyroscope et la droite d ajustement en poucentage par rapport à la pleine échelle This parameter defines the angular velocity signal frequency from DC to the built-in bandwidth (BW) that the analog gyroscopes can measure This parameter defines the standard resolution for both analog and digital gyroscopes that one can get from the gyroscopes outputs together with the BW parameter This feature can be used to verify if the gyroscope is working properly or not without physically rotating the printed circuit board (PCB) after the gyroscope is mounted on the PCB 1.3 Exemples de gyroscope On se propose de décortiquer quelques gyroscopes présents sur le marché. 1. degree per second 2. Least Significant Bit (Influence du bit de poids faible sur la variation de l accélération) 5ESE gr.2 - Bouvot - Ferte Page 6/ Décembre 2013

7 1.3.1 ST L3G4200D - ultra-stable three-axis digital output gyroscope Le gyroscope 3 axes L3G4200D est bien connu du grand public, il est en effet embarqué sur l iphone 5S ou sur le Galaxy S4 (figure 1.5). Il permet de mesurer (sélection au choix) ±250, ±500ou ± 2000 o /s. Il dispose d une sortie I 2 C/SP I sur 16 bits et fonctionne entre 40 o C et +85 o C. Il dispose d un capteur de température (sortie sur 8 bits) de 2 sorties interruption et data ready, d un mode veille, extinction ou encore FIFO. Figure 1.5 L3G4200D : MEMs Le schéma ci-dessus nous montre que ce gyroscope MEMs est en fait un système oscillant qui se déplace selon les 3 axes lorsque l utilisateur tourne le téléphone (comme expliqué plus haut). Le schéma électrique suivant est une utilisation typique du L3G4200D, on décrira ensuite les pins du chip. Figure 1.6 Utilisation typique du L3G4200D Description des pins On décrit les pins connectées : 5ESE gr.2 - Bouvot - Ferte Page 7/ Décembre 2013

8 Pin number Pin name Description 1 V dd_io Alimentation des I/O 2 SCL/SPC 3 SDA/SDI/SDO 4 SD0/SA0 5 CS I 2 C serial clock / SPI Serial port clock I 2 C serial data / SPI serial data input / 3-wire interface serial data output SPI serial data output / I 2 C least significant bit of the device address SPI enable - I 2 C/SPI mode selection 6 DRDY/INT2 Data ready/fifo interrupt 7 INT1 Programmable interrupt 8,9,10,11,12 Reserved à connecter au gnd 13 GND 0V 14 PLLFILT Phase-locked loop filter 15 Reserved à connecter à Vdd 16 Vdd Alimentation du Gyroscope Filtre PLL Il est possible d utiliser une PLL, pour cela il faut connecter la pin 14 de la manière suivante afin d avoir le filtre de boucle. Ce filtre vient s intercaler, dans le schéma fonctionnel, entre la pompe de charge et le VCO. Figure 1.7 Filtrage PLL On prend : C 1 = 10nF C 2 = 470nF R 2 = 10kΩ Murata SCC1300-D02 - Gyroscope and 3-axis Accelerometer Ce chip est composé d un gyroscope et d un accéléromètre 3 axes avec interface numérique SPI. L avantage de ce composant est qu il est doté des 2 fonctions gyroscope et accéléromètre. Il permet de mesurer une variation angulaire de ±100 o /s. 5ESE gr.2 - Bouvot - Ferte Page 8/ Décembre 2013

9 Figure 1.8 Utilisation typique du SCC1300 On remarque 3 types d alimentation, un 3.3V et un 3.3V Filtered représenté sur le schéma suivant. Ce filtrage permet d avoir un meilleur PSRR (Power Supply Rejection Ratio). Si l alimentation utilisée est stable, on peut utiliser seulement un filtre RC avec R 1 et C 8. Figure 1.9 Filtrage du 3.3V 5ESE gr.2 - Bouvot - Ferte Page 9/ Décembre 2013

10 Table des figures 1.1 ST MEMs Gyroscope Wii Motion Plus : Capteur gyroscopique Gyromètre en MEMS Le gyroscope de l iphone L3G4200D : MEMs Utilisation typique du L3G4200D Filtrage PLL Utilisation typique du SCC Filtrage du 3.3V