Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с инерционного датчика )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для более широкого охвата 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

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 ), включая беспилотные летательные аппараты (БПЛА), среди многих других, и космические аппараты , 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, обнаруживая изменения тангажа, крена и рыскания .

Инерциальный измерительный блок работает путем определения линейного ускорения с помощью одного или нескольких акселерометров и определения скорости 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, 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 UUV . Более простые версии ИНС, называемые системами ориентации и курса.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 автомобильные навигационные системы на основе GPS или системы слежения за транспортными средствами , что дает системе возможность точного расчета и возможность собирать как можно больше точных данных о текущей скорости транспортного средства, скорости поворота, курса, наклона. и ускорение в сочетании с выходным сигналом датчика скорости вращения колес 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. 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 спортивных технологий (техническое обучение) [3] и анимационных приложений. 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 движущихся картпоскольку выходные данные о местоположении системы наведения часто принимаются в качестве контрольной точки, что приводит к движущейся карте), система наведения могла бы 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 радиоприемники, хотя внешние источники все еще используются для исправления ошибок дрейфа, и поскольку частота обновления положения, разрешенная инерциальными навигационными системами, может быть выше движение автомобиля на отображении карты может восприниматься как более плавное. Такой способ навигации называется счислением .

Одно из самых ранних 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 позиционирования, такие как GPS [10], могут использоваться для постоянного исправления ошибок дрейфа (применение фильтра Калмана ).

Недостатки [ править ]

Главный недостаток использования IMU для навигации заключается в том, что они обычно страдают от накопленных ошибок. Поскольку система управления непрерывно интегрирования ускорения по времени для вычисления скорости и положения (см счисления пути ) , любые ошибки измерения, однако небольшие, накапливаются в течение долгого 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 прибора 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 в отношении 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 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 [ 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 запросов механической среды
  • защитить датчики, поскольку они могут быть повреждены ударами или вибрациями
  • содержат паразитные движения 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 тесной близости 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. ^ Нильссон, Джо; 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». Popular Mechanics , 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