Инерциальная единица измерения - Inertial measurement unit

Для более широкого освещения этой темы см. Инерциальная навигационная система.
Инерциальный измерительный блок Apollo
Apollo IMU, где инерциальные опорные гироскопы (IRIG, Xg, Yg, Zg) определяют изменение положения, а импульсные интегрирующие маятниковые акселерометры (PIPA, Xa, Ya, Za) определяют изменения скорости

An инерциальная единица измерения (ИДУ) представляет собой электронное устройство, которое измеряет и сообщает о удельная сила, угловая скорость, а иногда и ориентация тела, используя комбинацию акселерометры, гироскопы, и иногда магнитометры. IMU обычно используются для маневра самолет (ан система ориентации и курса ), включая беспилотные летательные аппараты (БПЛА), среди многих других, и космический корабль, включая спутники и посадочные места. Последние разработки позволяют производить устройства с поддержкой IMU. GPS устройств. IMU позволяет приемнику GPS работать, когда сигналы GPS недоступны, например, в туннелях, внутри зданий или при наличии электронных помех.[1] А беспроводной IMU известен как WIMU.[2][3][4][5]

Принципы работы

Инерциальный навигационный блок французского языка IRBM S3.
IMU частично работают, обнаруживая изменения в тангаж, крен и рыскание.

Инерциальный измерительный блок работает, обнаруживая линейное ускорение с использованием одного или нескольких акселерометры и скорость вращения с использованием одного или нескольких гироскопы.[6] Некоторые также включают магнитометр который обычно используется в качестве ссылки на заголовок. Типичные конфигурации содержат по одному акселерометру, гироскопу и магнитометру на каждую ось для каждой из трех основных осей: тангаж, крен и рыскание.

Использует

IMU часто включаются в Инерциальные навигационные системы которые используют необработанные измерения IMU для расчета отношение, угловые скорости, линейная скорость и положение относительно глобальной системы отсчета. ИНС, оснащенная ИДУ, формирует основу для навигации и управления многими коммерческими и военными транспортными средствами, такими как пилотируемые самолеты, ракеты, корабли, подводные лодки и спутники. IMU также являются важными компонентами в управлении и управлении беспилотными системами, такими как БПЛА, UGV, и БПА. Более простые версии ИНС, называемые Системы определения отношения и заголовка использовать IMU для расчета положения транспортного средства с курсом относительно магнитного севера. Данные, собранные с датчиков IMU, позволяют компьютеру отслеживать положение корабля, используя метод, известный как счисление.

В наземных транспортных средствах IMU может быть интегрирован в систему на основе GPS. автомобильные навигационные системы или же системы слежения за транспортными средствами, давая системе возможность точного расчета и возможность собирать как можно больше точных данных о текущей скорости автомобиля, скорости поворота, курсе, наклоне и ускорении в сочетании с данными автомобиля. датчик скорости колеса выход и, если есть, сигнал передачи заднего хода, для таких целей, как улучшение Дорожно-транспортное происшествие анализ.

Помимо навигационных целей, IMU служат датчиками ориентации во многих потребительских товарах. Практически все смартфоны и планшеты содержат IMU в качестве датчиков ориентации. Фитнес-трекеры и другие носимые устройства также могут включать в себя IMU для измерения движения, например бега. IMU также могут определять уровни развития людей во время движения, определяя специфичность и чувствительность конкретных параметров, связанных с бегом. Некоторые игровые системы, такие как пульты дистанционного управления для Nintendo Wii, используют IMU для измерения движения. Недорогие IMU способствовали распространению индустрии потребительских дронов. Они также часто используются для спортивной техники (тренировка техники),[7] и анимационные приложения. Это конкурирующая технология для использования в захвата движения технологии.[8] IMU лежит в основе технологии балансировки, используемой в Личный транспортер Segway.

В навигации

Современный инерциальный измерительный прибор для космических аппаратов.

В навигационной системе данные, сообщаемые IMU, поступают в процессор, который вычисляет ориентацию, скорость и положение.[9] Типичная реализация, называемая ремешковой инерциальной системой, интегрирует угловую скорость гироскопа для вычисления углового положения. Это объединяется с вектором силы тяжести, измеренным акселерометрами в Фильтр Калмана оценить отношение. Оценка ориентации используется для преобразования измерений ускорения в инерциальную систему отсчета (отсюда и термин инерциальная навигация), где они интегрируются один раз для получения линейной скорости и дважды для получения линейного положения.[10][11][12]

Например, если IMU установлен в самолет движение по определенному вектору направления должно было измерять ускорение самолета как 5 м / с.2 в течение 1 секунды, затем после этой 1 секунды компьютер наведения сделает вывод, что самолет должен двигаться со скоростью 5 м / с и должен находиться на расстоянии 2,5 м от своего начального положения (при условии, что v0= 0 и известные координаты начальной позиции x0, y0, z0). В сочетании с механической бумажной картой или архивом цифровых карт (системы, продукция которых обычно известна как отображение движущейся карты поскольку выходные данные о местоположении системы наведения часто принимаются в качестве контрольной точки, что приводит к движущейся карте), система наведения может использовать этот метод, чтобы показать пилоту, где самолет находится географически в определенный момент, как в случае с GPS навигационная система - но без необходимости связываться или принимать сообщения от любых внешних компонентов, таких как спутники или наземные радиоприемники, хотя внешние источники по-прежнему используются для исправления ошибок дрейфа, и поскольку частота обновления местоположения разрешена инерциальными навигационными системами может быть выше, движение автомобиля на отображении карты может восприниматься как более плавное. Этот способ навигации называется счисление.

Один из самых ранних агрегатов был спроектирован и построен Ford Instrument Company для ВВС США, чтобы помочь самолету ориентироваться в полете без какого-либо вмешательства извне. Называется Индикатор положения на землепосле того, как пилот ввел долготу и широту самолета при взлете, устройство покажет пилоту долготу и широту самолета по отношению к земле.[13]

Системы позиционного слежения как GPS [14] может использоваться для постоянного исправления ошибок дрейфа (применение Фильтр Калмана ).

Недостатки

Главный недостаток использования IMU для навигации заключается в том, что они обычно страдают от накопленных ошибок. Поскольку система наведения непрерывно интегрирует ускорение по времени для расчета скорости и положения (видеть счисление ), любые ошибки измерения, даже небольшие, накапливаются с течением времени. Это приводит к «дрейфу»: постоянно увеличивающейся разнице между тем, где, по мнению системы, она находится, и фактическим местоположением. Из-за интегрирования постоянная ошибка ускорения приводит к линейной ошибке скорости и квадратичной ошибке положения. Постоянная ошибка в скорости ориентации (гироскоп) приводит к квадратичной ошибке скорости и увеличению кубической погрешности местоположения.[15]

Системы позиционного слежения как GPS [16] может использоваться для постоянного исправления ошибок дрейфа (применение Фильтр Калмана ).

Спектакль

Существует очень широкий спектр IMU, в зависимости от типов приложений, с диапазоном производительности:[17]

  • от 0,1 ° / с до 0,001 ° / ч для гироскопа
  • от 100 мг до 10 мкг для акселерометров.

Чтобы получить приблизительное представление, это означает, что для одного нескорректированного акселерометра самый дешевый (при 100 мг) теряет способность давать 50-метровую точность примерно через 10 секунд, в то время как лучший акселерометр (при 10 мкг) теряет свою 50-метровую точность. -точность прибора примерно через 17 минут.[18]

Точность инерциальных датчиков внутри современной инерциальной измерительной системы (IMU) оказывает более сложное влияние на характеристики инерциальной навигационной системы (IMS), и ее можно найти в [1].

Ошибки датчика

Поведение датчиков гироскопа и акселерометра часто представляется с помощью модели, основанной на следующих ошибках, при условии, что они имеют надлежащий диапазон измерения и полосу пропускания:

  • ошибка смещения: эту ошибку можно разделить на показатели стабильности (дрейф, пока датчик остается в неизменных условиях), и повторяемость (ошибка между двумя измерениями в одинаковых условиях, разделенных различными условиями между ними)
  • ошибка масштабного коэффициента: ошибки чувствительности первого порядка из-за неповторяемости и нелинейностей
  • ошибка несоосности: из-за несовершенного механического монтажа
  • поперечная осевая чувствительность: паразитное измерение, вызванное запросом вдоль оси, ортогональной оси датчика
  • шум: зависит от желаемых динамических характеристик
  • чувствительность к окружающей среде: в основном чувствительность к температурным градиентам и ускорениям

Все эти ошибки зависят от различных физических явлений, характерных для каждой сенсорной технологии. В зависимости от целевых приложений и для того, чтобы иметь возможность сделать правильный выбор датчика, очень важно учитывать потребности, касающиеся стабильности, воспроизводимости и чувствительности к окружающей среде (в основном, термической и механической среды), как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. для приложений в большинстве случаев лучше, чем абсолютная производительность датчиков. Однако характеристики датчика воспроизводятся во времени с большей или меньшей точностью и, следовательно, могут быть оценены и компенсированы для улучшения его характеристик. Это повышение производительности в реальном времени основано как на датчиках, так и на моделях IMU. Затем сложность этих моделей будет выбрана в соответствии с необходимой производительностью и типом рассматриваемого приложения. Возможность определения этой модели является частью ноу-хау производителей датчиков и IMU. Датчики и модели IMU рассчитываются на заводе с помощью специальной последовательности калибровки с использованием многоосного поворотного стола и климатической камеры. Они могут быть рассчитаны для каждого отдельного продукта или универсальны для всего производства. Калибровка обычно улучшает исходные характеристики датчиков как минимум на два десятилетия.

сборка

Стабильный член Apollo IMU

Высокопроизводительные IMU, или IMU, предназначенные для работы в суровых условиях, очень часто подвешиваются на амортизаторах. Эти амортизаторы должны справиться с тремя эффектами:

  • уменьшить ошибки датчика из-за запросов механической среды
  • защитить датчики, поскольку они могут быть повреждены ударами или вибрациями
  • содержат паразитное перемещение IMU в пределах ограниченной полосы пропускания, где обработка сможет их компенсировать.

Подвесные IMU могут обеспечивать очень высокую производительность даже в суровых условиях. Однако для достижения такой производительности необходимо компенсировать три основных результирующих поведения:

  • конусность: паразитный эффект, вызванный двумя ортогональными вращениями
  • парение: паразитный эффект, вызванный ускорением, ортогональным вращению
  • эффекты центробежных ускорений.

Уменьшение этих ошибок, как правило, подталкивает разработчиков IMU к увеличению частоты обработки, что становится проще при использовании современных цифровых технологий. Однако разработка алгоритмов, способных устранить эти ошибки, требует глубоких инерционных знаний и тесного взаимодействия с датчиками / конструкцией IMU. С другой стороны, если подвеска, вероятно, позволит повысить производительность IMU, это окажет побочное влияние на размер и массу.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Система GPS с IMU отслеживает первых ответчиков». Архивировано из оригинал на 2012-10-03. Получено 2011-06-16.
  2. ^ http://www.patentstorm.us/patents/5067084/description.html В архиве 2009-12-13 на Wayback Machine Описание IMU, помогающего от Roll isolated Gyro
  3. ^ Инерциальная навигация: 40 лет эволюции - Обзор на http://www.imar-navigation.de www.imar-navigation.de
  4. ^ http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/toolbox/aeroblks/index.html?/access/helpdesk/help/toolbox/aeroblks/threeaxisinertialmeasurementunit.html Трехосный IMU
  5. ^ http://www.starlino.com/imu_guide.html Руководство по использованию IMU (устройств акселерометра и гироскопа) во встроенных приложениях
  6. ^ Иоса, Марко; Пичерно, Пьетро; Паолуччи, Стефано; Морон, Джованни (2016). «Носимые инерционные датчики для анализа движений человека». Экспертиза медицинских изделий. 13 (7): 641–659. Дои:10.1080/17434440.2016.1198694. ISSN  1743-4440. PMID  27309490. S2CID  205908786.
  7. ^ «Сенсорная сеть на основе IMU для непрерывного мониторинга техники гребли на воде». ethz.ch.
  8. ^ «Очарование захвата движения - 3D-отслеживание движения Xsens». xsens.com.
  9. ^ «ГНСС / ИНС». Xsens 3D отслеживание движения. Получено 2019-01-22.
  10. ^ "OpenShoe". www.openshoe.org. Получено 2018-04-04.
  11. ^ "GT Silicon Pvt Ltd". www.gt-silicon.com. Получено 2018-04-04.
  12. ^ Nilsson, J. O .; Гупта, А. К .; Гендель, П. (октябрь 2014 г.). «Легкая инерциальная навигация на лапах». 2014 Международная конференция по внутреннему позиционированию и внутренней навигации (IPIN): 24–29. Дои:10.1109 / IPIN.2014.7275464. ISBN  978-1-4673-8054-6. S2CID  898076.
  13. ^ «Робот-навигатор направляет пилотов реактивных двигателей». Популярная механика, Май 1954 г., стр. 87.
  14. ^ IV, Хаятт Мур. «Исследование Мура Стэнфордского университета» (PDF). web.stanford.edu.
  15. ^ Сицилиано, Бруно; Хатиб, Усама (20 мая 2008 г.). Справочник Springer по робототехнике. Springer Science & Business Media. ISBN  9783540239574 - через Google Книги.
  16. ^ IV, Хаятт Мур. "Moore Stanford Research" (PDF). web.stanford.edu.
  17. ^ «Зачем IMU: инфографика производительности для каждого приложения - Thales Group». www.thalesgroup.com.
  18. ^ Вычислено путем преобразования S = 1 / 2.a.t ^ 2 в t = √ (2s / a), где s = расстояние в метрах, a - ускорение (здесь 9,8 умноженное на g), а t - время в секундах.