Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для более широкого охвата этой темы см. Инерциальная навигационная система .
Инерциальный измерительный блок Apollo
Apollo IMU, где инерциальные эталонные интегрирующие гироскопы (IRIG, Xg, Yg, Zg) определяют изменение положения, а импульсные интегрирующие маятниковые акселерометры (PIPA, Xa, Ya, Za) определяют изменение скорости

Инерциальный единица измерения ( ИДЕТ ) представляет собой электронное устройство , которое измеряет и сообщает тела удельной силы , угловая скорость, а иногда и ориентация тела, используя комбинацию акселерометров , гироскопов , а иногда и магнитометров . IMU обычно используются для маневрирования самолетов (система координат и курса ), в том числе беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), среди многих других, и космических аппаратов , включая спутники и посадочные аппараты . Последние разработки позволяют производить устройства с поддержкой IMU.GPS- устройства. IMU позволяет приемнику GPS работать, когда сигналы GPS недоступны, например, в туннелях, внутри зданий или при наличии электронных помех. [1]

Принципы работы [ править ]

Инерциальный навигационный блок французской БРСД S3.
Частично IMU работают за счет обнаружения изменений по тангажу, крену и рысканью .

Инерциальный измерительный блок работает, обнаруживая линейное ускорение с помощью одного или нескольких акселерометров и скорость вращения с помощью одного или нескольких гироскопов . [2] Некоторые из них 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: тангажа, крена и рыскания .

Использует [ редактировать ]

IMU часто включаются в инерциальные навигационные системы, которые используют необработанные измерения IMU для расчета ориентации , угловой скорости, линейной скорости и положения относительно глобальной системы отсчета. ИНС, оснащенная ИДУ, образует 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 наведении и управлении беспилотными системами, такими как БПЛА , UGV и UUV . Более простые версии ИНС, называемые системами ориентации и курса.использовать IMU для расчета положения транспортного средства с курсом относительно северного магнитного поля. Данные, собранные с датчиков IMU, позволяют компьютеру отслеживать положение корабля, используя метод, известный как счисление .

В наземных транспортных средствах IMU может быть интегрирован в автомобильные навигационные системы на основе GPS или системы слежения за транспортными средствами , что дает системе возможность точного расчета и возможность собирать как можно более точные данные о текущей скорости транспортного средства, скорости поворота, курсе, наклоне. и ускорение в сочетании с выходным сигналом датчика скорости вращения колеса транспортного средства и, если имеется, сигналом задней передачи, для таких целей, как лучший анализ дорожно-транспортных происшествий .

Помимо навигационных целей, IMU служат датчиками ориентации во многих потребительских товарах. Почти 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 в движении, 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 в спортивных технологиях (техническая тренировка) [3] и в анимационных приложениях. Это конкурирующая технология для использования в технологии захвата движения .[4] IMU лежит в основе технологии балансировки, используемой в персональном транспортере Segway .

В навигации [ править ]

Современный инерциальный измерительный прибор для космических аппаратов.

В навигационной системе данные, сообщаемые IMU, поступают в процессор, который вычисляет ориентацию, скорость и положение. [5] Типичная реализация, называемая ремешковой инерциальной системой, интегрирует угловую скорость от гироскопа для вычисления углового положения. Он объединяется с вектором силы тяжести, измеренным акселерометрами в фильтре Калмана, для оценки положения. 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. [6] [7] [8]

Например, если IMU, установленный в самолете, движущемся по определенному вектору направления, должен измерять ускорение самолета как 5 м / с 2 в течение 1 секунды, то после этой 1 секунды компьютер наведения сделает вывод, что самолет должен лететь со скоростью 5 м / с 2. м / с и должен находиться на расстоянии 2,5 м от своего начального положения (при условии, что v 0 = 0 и известны координаты начального положения x 0 , y 0 , z 0 ). В сочетании с механической бумажной картой или архивом цифровых карт (системы, вывод которых обычно известен как отображение движущейся картыпоскольку выходные данные о местоположении системы наведения часто принимаются в качестве контрольной точки, в результате чего получается движущаяся карта), система наведения может использовать этот метод, чтобы показать пилоту, где находится самолет географически в определенный момент, как в системе навигации GPS - но без необходимости связываться или принимать сообщения от любых внешних компонентов, таких как спутники или наземные радиотрансляторы, хотя внешние источники по-прежнему используются для исправления ошибок дрейфа, и поскольку частота обновления местоположения, разрешенная инерциальными навигационными системами, может быть выше движение автомобиля на отображении карты можно воспринимать как более плавное. Такой способ навигации называется точным счислением .

Одно из самых первых устройств было разработано и построено Ford Instrument Company для ВВС США, чтобы помочь самолету ориентироваться в полете без какого-либо вмешательства извне. Называемый индикатором положения на земле , после того, как пилот вводит долготу и широту самолета при взлете, устройство будет показывать пилоту долготу и широту самолета по отношению к земле. [9]

Системы позиционного слежения, такие как GPS [10], могут использоваться для постоянного исправления ошибок дрейфа (применение фильтра Калмана ).

Недостатки [ править ]

Основным недостатком использования IMU для навигации является то, что они обычно страдают от накопленных ошибок. Поскольку система наведения непрерывно интегрирует ускорение по времени для расчета скорости и положения (см. Расчет точного счета ) , любые ошибки измерения, даже самые маленькие, 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. [11]

Производительность [ править ]

Существует очень широкий спектр IMU, в зависимости от типов приложений, с диапазоном производительности: [12]

  • 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 измерителя примерно через 17 минут. [13]

Точность инерциальных датчиков внутри современной инерциальной измерительной системы (IMU) оказывает более сложное влияние на производительность инерциальных навигационных систем (IMS).

Ошибки датчика [ править ]

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. Целевая производительность для приложений в большинстве случаев лучше, чем абсолютная производительность датчиков. Однако характеристики датчика воспроизводимы 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 выбираться 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 [ править ]

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 требований механической среды
  • защитить датчики, так как они могут быть повреждены ударами или вибрациями
  • содержат паразитные перемещения 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.

Беспроводной ИДУ известен как WIMU. [14] [15] [16] [17]

См. Также [ править ]

  • Контроль отношения
  • Счисление
  • Волоконно-оптический гироскоп
  • Генезис инерциальной навигационной системы Litton
  • Системы наведения
  • Полусферический резонаторный гироскоп
  • Инерциальная навигационная система
  • Фильтр Калмана
  • Инерциальная навигационная система ЛН-3
  • Датчик MHD (датчики Magneto Hydro Dynamic)
  • Гироскоп MEMS
  • Акселерометр PIGA
  • Скорость интегрирующего гироскопа
  • Тюнинг Schuler
  • Космический корабль
  • Гироскоп с вибрирующей структурой

Ссылки [ править ]

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