Les gyroscopes et les accéléromètres : leur fonction et comment les choisir

Si vous utilisez un smartphone, un accessoire de jeu électronique portable ou un bracelet de fitness électronique, vous utilisez très certainement des accéléromètres, des gyroscopes ou une unité de mesure inertielle (IMU) qui combine ces dispositifs, parfois avec d'autres pièces électroniques telles que des processeurs de signaux. Plus la révolution IoT progresse, plus il y a de dispositifs connectés à Internet et plus ils seront nombreux à utiliser des gyroscopes et des accéléromètres ainsi que de nombreux autres capteurs pour détecter et mesurer les attributs physiques qui nous indiquent ce qui se passe dans le monde autour de nous.

Les gyroscopes ont été découverts il y a des milliers d'années par plusieurs civilisations antiques. Initialement utilisés comme jouets toupie, c'est seulement au XVIIIe et au XIXe siècle qu'on a commencé à les utiliser pour effectuer des mesures. Les gyroscopes mesurent la vitesse à laquelle un objet tourne autour d'un axe donné. Ils sont disponibles avec 1, 2 ou 3 axes. Ce que nous appelons normalement les axes x, y et z sont parfois nommés roulis, tangage et lacet lorsque nous parlons des gyroscopes. Cette terminologie vient du mouvement rotationnel des navires, que l'on mesure avec des gyroscopes.

Figure 1 : Des gyroscopes 3 axes comme le L3G4200D de STMicroelectronics sont désormais disponibles pour quelques euros seulement

Aujourd'hui, la plupart des gyroscopes utilisés dans les produits électroniques sont basés sur la technologie MEMS. Les gyroscopes à 2 ou 3 axes étaient autrefois chers mais leur coût a beaucoup diminué depuis quelques années. Outre leur présence dans les produits de consommation mentionnés plus haut, on les utilise pour stabiliser l'image des caméras et dans de nombreuses autres applications qui vont de la robotique à l'automobile, en passant par les systèmes de stabilisation des grues et les avions et hélicoptères contrôlés par radio. Les unités de mesure sont généralement des tours par minute ou tr/min. La gamme de gyroscopes de RS Components est disponible ici.

Les accéléromètres mesurent l'accélération. Les unités de mesure sont généralement les mètres par seconde (m/s2) ou la force G (g). On peut aussi les utiliser pour détecter l'orientation (comme dans un iPhone) car ils détectent l'accélération gravitationnelle quand on les utilise en mode statique. En mode dynamique, ils détectent l'accélération pendant le mouvement. La gamme d'accéléromètres de RS Components est disponible ici.

Figure 2 : Analog Devices propose l'accéléromètre 3 axes ADXL335BCPZ sous un format minuscule à 16 broches, LFCSP EP, avec l'option d'une carte d'évaluation

Quand vous choisissez un accéléromètre ou un gyroscope, vous devez tenir compte des points suivants :

• Le nombre d'axes que vous souhaitez mesurer
• La plage opérationnelle - valeurs minimum et maximum, et si elles sont sélectionnables ou fixes
• Sensibilité
• Résolution - quelle sera la précision des mesures
• Interface avec votre système, y compris la présence de sorties analogiques ou numériques (pratiquement toutes sont numériques aujourd'hui)
• La puissance consommée et s'il y a des modes de veille pour vous aider à économiser de l'énergie, un aspect particulièrement important dans les appareils à pile
• Forme - adéquation entre le dispositif et l'espace disponible. Certains dispositifs sont disponibles en format BGA ou LGA et d'autres en format classique à monter en surface

Si vous voulez combiner les avantages des deux, InvenSense MPU-6000 de MikroElektronika est un dispositif de suivi du mouvement sur 6 axes combinant un accéléromètre 3 axes, un gyroscope 3 axes et un processeur de mouvement numérique. C'est un IMU sur un petit circuit imprimé, qui communique avec votre carte processeur cible par des lignes mikroBUS™ SPI, I2C, RST et INT.

 

Figure 3 : L'IMU MPU-6000 offre un suivi du mouvement sur 6 axes

Il y a aussi le Murata SCC1300-D04, qui combine un gyroscope et un accéléromètre 3 axes. Il s'agit d'un dispositif robuste, haute performance et à large plage qui fournit une mesure de taux angulaire de ±300 °/s et une mesure de l'accélération sur 3 axes de ±6 g.

 

Figure 4 : Le SCC1300-D04 de Murata est conçu pour les applications fonctionnant dans des environnements difficiles, où une plage large, une haute précision et une grande robustesse mécanique sont les considérations primordiales.