Inercyjna jednostka miary

Szersze omówienie tego tematu można znaleźć w artykule System nawigacji bezwładnościowej .
Jednostka miary inercyjnej Apollo
Apollo IMU, w którym inercyjne żyroskopy referencyjne (IRIGs, Xg, Yg, Zg) wykrywają zmiany położenia, a wahadłowe akcelerometry pulsacyjne (PIPA, Xa, Ya, Za) wykrywają zmiany prędkości

Inercyjna jednostka miary ( IMU ) to urządzenie elektroniczne, które mierzy i zgłasza siłę właściwą ciała , prędkość kątową, a czasem orientację ciała, używając kombinacji przyspieszeniomierzy , żyroskopów , a czasami magnetometrów . Gdy dołączony jest magnetometr, IMU są określane jako IMMU. IMU są zwykle używane do manewrowania nowoczesnymi pojazdami, w tym motocyklami, rakietami, samolotami ( system odniesienia położenia i kursu ), w tym między innymi bezzałogowe statki powietrzne (UAV) oraz statki kosmiczne , w tym satelity i lądowniki . Ostatnie osiągnięcia pozwalają na produkcję GPS obsługujących IMU . IMU umożliwia pracę odbiornika GPS, gdy sygnały GPS są niedostępne, na przykład w tunelach, wewnątrz budynków lub gdy występują zakłócenia elektroniczne.

Zasady działania

Inercyjna jednostka nawigacyjna francuskiego IRBM S3
IMU działają częściowo poprzez wykrywanie zmian w pochyleniu, przechyleniu i odchyleniu .

Inercyjna jednostka pomiarowa działa poprzez wykrywanie przyspieszenia liniowego za pomocą jednego lub kilku akcelerometrów oraz prędkości obrotowej za pomocą jednego lub więcej żyroskopów . Niektóre zawierają również magnetometr , który jest powszechnie używany jako odniesienie do kursu. Typowe konfiguracje zawierają jeden akcelerometr, żyroskop i magnetometr na oś dla każdej z trzech głównych osi: pochylenia, przechyłu i odchylenia .

Używa

IMU są często włączane do systemów nawigacji bezwładnościowej , które wykorzystują surowe pomiary IMU do obliczania położenia , prędkości kątowych, prędkości liniowej i pozycji względem globalnego układu odniesienia. INS wyposażony w IMU stanowi podstawę nawigacji i sterowania wieloma pojazdami komercyjnymi i wojskowymi, takimi jak samoloty z załogą, rakiety, statki, okręty podwodne i satelity. IMU są również niezbędnymi elementami naprowadzania i kontroli systemów bez załogi, takich jak UAV , UGV i UUV . Prostsze wersje INS nazywane Systemy odniesienia położenia i kursu wykorzystują IMU do obliczania położenia pojazdu z kursem względem północy magnetycznej. Dane zebrane z czujników IMU pozwalają komputerowi śledzić pozycję statku przy użyciu metody znanej jako martwy rachunek .

W pojazdach lądowych IMU można zintegrować z samochodowymi systemami nawigacji opartymi na GPS lub systemami śledzenia pojazdów , zapewniając systemowi zdolność obliczania i zbieranie jak największej liczby dokładnych danych na temat aktualnej prędkości pojazdu, prędkości skrętu, kursu, nachylenia i przyspieszenie, w połączeniu z sygnałem wyjściowym czujnika prędkości koła pojazdu i, jeśli jest dostępny, sygnałem biegu wstecznego, do celów takich jak lepsza analiza kolizji drogowych .

Oprócz celów nawigacyjnych IMU służą jako czujniki orientacji w wielu produktach konsumenckich. Prawie wszystkie smartfony i tablety zawierają IMU jako czujniki orientacji. Monitory fitness i inne urządzenia do noszenia mogą również zawierać IMU do pomiaru ruchu, takiego jak bieganie. IMU mają również możliwość określania poziomu rozwoju jednostek w ruchu poprzez identyfikowanie specyfiki i wrażliwości określonych parametrów związanych z bieganiem. Niektóre systemy do gier, takie jak piloty do konsoli Nintendo Wii używać IMU do pomiaru ruchu. Tanie jednostki IMU umożliwiły rozpowszechnienie branży dronów konsumenckich. Są również często używane w technologiach sportowych (trening techniczny) i aplikacjach animacyjnych. Stanowią konkurencyjną technologię do wykorzystania w motion capture . IMU jest sercem technologii wyważania stosowanej w Segway Personal Transporter .

w nawigacji

Główny artykuł: Inercyjny system nawigacji
Nowoczesna inercyjna jednostka pomiarowa do statków kosmicznych

W systemie nawigacyjnym dane zgłaszane przez IMU są wprowadzane do procesora, który oblicza wysokość, prędkość i pozycję. Typowa implementacja określana jako system bezwładnościowy z paskiem integruje prędkość kątową z żyroskopu w celu obliczenia pozycji kątowej. Jest to połączone z wektorem grawitacji mierzonym przez akcelerometry w filtrze Kalmana w celu oszacowania położenia. Oszacowanie położenia służy do przekształcenia pomiarów przyspieszenia w bezwładnościowy układ odniesienia (stąd termin nawigacja bezwładnościowa), w którym są całkowane raz, aby uzyskać prędkość liniową, i dwukrotnie, aby uzyskać pozycję liniową.

0000 Na przykład, jeśli IMU zainstalowany w samolocie poruszającym się wzdłuż określonego wektora kierunku miałby mierzyć przyspieszenie samolotu jako 5 m/s 2 przez 1 sekundę, to po tej 1 sekundzie komputer naprowadzania wywnioskowałby, że samolot musi lecieć z prędkością 5 m/s 2 m/s i musi znajdować się 2,5 m od położenia początkowego (zakładając v = 0 i znane współrzędne położenia początkowego x , y , z ). W połączeniu z mechaniczną mapą papierową lub cyfrowym archiwum map (systemy, których wyjście jest ogólnie znane jako wyświetlanie ruchomej mapy ponieważ dane wyjściowe pozycji systemu naprowadzania są często traktowane jako punkt odniesienia, co skutkuje ruchomą mapą), system naprowadzania mógłby wykorzystać tę metodę do pokazania pilotowi, gdzie w danej chwili znajduje się samolot, tak jak w przypadku GPS system nawigacji — ale bez konieczności komunikowania się lub odbierania komunikacji z jakimikolwiek elementami zewnętrznymi, takimi jak satelity lub naziemne transpondery radiowe, chociaż źródła zewnętrzne są nadal wykorzystywane w celu korygowania błędów dryfu, a ponieważ częstotliwość aktualizacji pozycji dopuszczalna przez systemy nawigacji bezwładnościowej może być wyższy niż ruch pojazdu na mapie, może być postrzegany jako płynny. Ta metoda nawigacji nazywana jest martwym rozrachunkiem .

Jedna z najwcześniejszych jednostek została zaprojektowana i zbudowana przez Ford Instrument Company dla USAF, aby pomóc samolotom nawigować w locie bez żadnego wkładu z zewnątrz samolotu. Nazywany wskaźnikiem pozycji naziemnej , po wprowadzeniu przez pilota długości i szerokości geograficznej samolotu podczas startu, jednostka pokazywałaby pilotowi długość i szerokość geograficzną samolotu w stosunku do ziemi.

Systemy śledzenia pozycji, takie jak GPS, mogą być używane do ciągłego korygowania błędów dryfu (zastosowanie filtra Kalmana ).

Niedogodności

Główną wadą używania IMU do nawigacji jest to, że zazwyczaj cierpią z powodu nagromadzonych błędów. Ponieważ system naprowadzania stale całkuje przyspieszenie w odniesieniu do czasu, aby obliczyć prędkość i pozycję (patrz obliczenia na odległość ) , wszelkie błędy pomiarowe, jakkolwiek małe, kumulują się w czasie. Prowadzi to do „dryfu”: stale rosnącej różnicy między miejscem, w którym system myśli, że się znajduje, a rzeczywistą lokalizacją. Ze względu na całkowanie stały błąd przyspieszenia skutkuje liniowym wzrostem błędu prędkości i kwadratowym wzrostem błędu położenia. Stały błąd prędkości orientacji (żyroskop) skutkuje kwadratowym wzrostem błędu prędkości i sześciennym wzrostem błędu pozycji.

Wydajność

9- DoF IMU SiP tabliczka zaciskowa

Istnieje bardzo szeroka gama IMU, w zależności od typów aplikacji, z zakresem wydajności:

  • od 0,1°/s do 0,001°/h dla żyroskopu
  • od 100 mg do 10 µg dla akcelerometrów.

Aby uzyskać przybliżony obraz, oznacza to, że dla pojedynczego, nieskorygowanego akcelerometru najtańszy (przy 100 mg) traci zdolność do podawania 50-metrowej dokładności po około 10 sekundach, podczas gdy najlepszy akcelerometr (przy 10 µg) traci swoją 50-metrową dokładność -metrowa dokładność po około 17 minutach.

Dokładność czujników inercyjnych wewnątrz nowoczesnej inercyjnej jednostki pomiarowej (IMU) ma bardziej złożony wpływ na działanie systemu nawigacji inercyjnej (INS).

Błędy czujnika

Zachowanie czujnika żyroskopu i akcelerometru jest często reprezentowane przez model oparty na następujących błędach, przy założeniu, że mają one odpowiedni zakres pomiarowy i pasmo:

  • błąd przesunięcia: ten błąd można podzielić na stabilność (dryft, gdy czujnik pozostaje w niezmiennych warunkach) i powtarzalność (błąd między dwoma pomiarami w podobnych warunkach, oddzielonymi różnymi warunkami pomiędzy nimi)
  • błąd współczynnika skali: błędy czułości pierwszego rzędu spowodowane niepowtarzalnością i nieliniowością
  • błąd niewspółosiowości: z powodu niedoskonałego montażu mechanicznego
  • czułość w osi poprzecznej: pomiar pasożytniczy indukowany przez zabieg wzdłuż osi prostopadłej do osi czujnika
  • hałas: zależny od pożądanej dynamiki
  • wrażliwość środowiska: przede wszystkim wrażliwość na gradienty temperatury i przyspieszenia

Wszystkie te błędy zależą od różnych zjawisk fizycznych specyficznych dla każdej technologii czujnika. W zależności od docelowych aplikacji i aby móc dokonać właściwego wyboru czujnika, bardzo ważne jest rozważenie potrzeb dotyczących stabilności, powtarzalności i wrażliwości na środowisko (głównie środowiska termiczne i mechaniczne), zarówno w krótkim, jak i długim okresie. Docelowa wydajność dla aplikacji jest w większości przypadków lepsza niż bezwzględna wydajność czujnika. Jednak działanie czujnika jest powtarzalne w czasie, z mniejszą lub większą dokładnością, dlatego można je oceniać i kompensować w celu zwiększenia jego wydajności. To ulepszenie wydajności w czasie rzeczywistym jest oparte zarówno na czujnikach, jak i modelach IMU. Złożoność tych modeli zostanie następnie wybrana zgodnie z wymaganą wydajnością i rozważanym typem aplikacji. Możliwość zdefiniowania tego modelu jest częścią know-how producentów czujników i IMU. Czujniki i modele IMU są obliczane w fabrykach poprzez dedykowaną sekwencję kalibracji przy użyciu wieloosiowych stołów obrotowych i komór klimatycznych. Mogą być obliczane dla każdego pojedynczego produktu lub ogólne dla całej produkcji. Kalibracja zwykle poprawia surową wydajność czujnika o co najmniej dwie dekady.

Montaż

Stały członek Apollo IMU

Wysokowydajne IMU, czyli IMU przeznaczone do pracy w trudnych warunkach, bardzo często zawieszane są na amortyzatorach. Te amortyzatory są wymagane do opanowania trzech efektów:

  • zredukować błędy czujnika spowodowane mechanicznymi czynnikami środowiskowymi
  • chroń czujniki, ponieważ mogą one zostać uszkodzone przez wstrząsy lub wibracje
  • zawierają pasożytnicze ruchy IMU w ograniczonej przepustowości, gdzie przetwarzanie będzie w stanie je zrekompensować.

Zawieszone IMU mogą oferować bardzo wysoką wydajność, nawet w trudnych warunkach. Jednak, aby osiągnąć taką wydajność, konieczne jest zrekompensowanie trzech głównych wynikających z tego zachowań:

  • stożkowanie: efekt pasożytniczy wywołany dwoma ortogonalnymi obrotami
  • sculling: efekt pasożytniczy wywołany przyspieszeniem prostopadłym do obrotu
  • Efekty przyspieszeń odśrodkowych.

Zmniejszenie tych błędów skłania projektantów IMU do zwiększania częstotliwości przetwarzania, co staje się łatwiejsze dzięki najnowszym technologiom cyfrowym. Jednak opracowanie algorytmów zdolnych do anulowania tych błędów wymaga głębokiej wiedzy o bezwładności i silnej zażyłości z projektami czujników/IMU. Z drugiej strony, jeśli zawieszenie może umożliwić zwiększenie wydajności IMU, ma to efekt uboczny w zakresie rozmiaru i masy.

Bezprzewodowa jednostka IMU jest znana jako WIMU.

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Inertial_measurement_unit&oldid=1136359972 ”