Вступление
Инерциальные измерительные приборы являются одними из наиболее распространенных датчиков в навигации. Они содержат акселерометр и гироскоп, а иногда магнитометр и барометр. Акселерометр отвечает за измерение ускорения, в то время как гироскоп отвечает за измерение угловой скорости.Каждое из этих измерений выражается в трехосевой системе координат x,y,z. Инерциальный измерительный блок - это устройство, которое измеряет трехосевое положение (или угловую скорость) и ускорение. Для повышения надежности можно также оснастить каждую ось дополнительным количеством датчиков. Как правило, ИДУ следует устанавливать в центре тяжести измеряемого объекта.
IMU широко используются для управления современными транспортными средствами, включая ракеты, роботов, подводные лодки, самолеты (системы ориентации и определения курса), включая беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и т.д., а также космическими аппаратами, включая спутники и посадочные устройства.Разработки последних лет позволили создать GPS-устройства с поддержкой IMU. IMU позволяет GPS-приемнику работать, когда сигнал GPS недоступен, например, в туннелях, внутри зданий или при наличии электронных помех.
Принцип действия
Инерциальный измерительный блок (IMU) работает путем определения линейного ускорения с помощью одного или нескольких акселерометров и измерения угловой скорости с помощью одного или нескольких гироскопов. Некоторые из них также включают магнитометры. В качестве систем ориентации обычно используются тангаж, крен и рыскание.
Инструкции
IMU часто интегрируется в инерциальную навигационную систему, которая использует исходные данные IMU для расчета положения беспилотника. Более простая версия INS, называемая системой определения ориентации и курса (AHRS), использует IMU для расчета направления движения транспортного средства относительно северного магнитного полюса. Данные, собранные с датчиков IMU, позволяют компьютерам отслеживать местоположение воздушного судна, используя метод, называемый "счислением".
В наземных транспортных средствах IMU могут быть интегрированы в автомобильные навигационные системы на базе GPS или системы слежения за транспортными средствами, что позволяет системе вести точный расчет и собирать как можно больше информации о текущей скорости транспортного средства, скорости поворота, курсе, наклоне и ускорении. Точные данные, поступающие с датчика скорости вращения колес автомобиля, а также сигнал передачи заднего хода (при наличии) используются для более эффективного анализа дорожно-транспортных происшествий.
Помимо навигационных целей, IMU используются в качестве датчиков ориентации во многих потребительских товарах. Почти все смартфоны и планшеты содержат IMU в качестве датчика ориентации. Фитнес-трекеры и другие носимые устройства также могут содержать IMU для измерения движения, например, бега. IMU также способен определять уровень развития человека во время тренировки, определяя специфику и чувствительность определенных параметров, связанных с бегом. Некоторые игровые системы используют IMU для измерения движения. Недорогие IMU вызвали настоящий бум в индустрии потребительских беспилотных летательных аппаратов. Они также часто используются в спортивных технологиях (для технических тренировок) и анимационных приложениях. Они конкурируют с технологиями захвата движения.
В навигационной системе данные, передаваемые IMU, поступают в процессор, который вычисляет высоту, скорость и местоположение. Типичная реализация, называемая бесплатформенной инерциальной системой, использует угловую скорость гироскопа для вычисления углового положения. Он объединяется с вектором силы тяжести, измеренным акселерометром в фильтре Калмана, для оценки положения.Оценка ориентации используется для преобразования измерений ускорения в инерциальную систему отсчета (отсюда и название инерциальной навигации), где они интегрируются один раз для получения линейной скорости и два раза для получения линейного положения.
Например, если ИДУ, установленный на воздушном судне, движущемся по определенному вектору направления, будет измерять ускорение воздушного судна, равное 5 м/с2, в течение 1 секунды, через 1 секунду компьютер наведения сделает вывод, что воздушное судно должно лететь со скоростью 5 м/с и находиться на расстоянии 2,5 м от исходного положения (например, спутниковый или наземный радиотранслятор, хотя для коррекции ошибок дрейфа по-прежнему используются внешние источники, и поскольку инерциальная навигационная система определения местоположения позволяет обновлять данные с более высокой частотой, чем плавность движения транспортного средства, которую можно увидеть на дисплее карты, этот метод навигации используется в сочетании с система под названием GPS (поскольку данные о местоположении, выводимые навигационной системой, часто используются в качестве ориентира для создания движущейся карты), система наведения может использовать этот метод, чтобы показать пилоту географическое положение самолета в определенный момент времени. Как при отображении движущейся карты.
Основным недостатком использования IMU для навигации является то, что они часто подвержены накоплению ошибок. Поскольку система наведения постоянно интегрирует ускорение в зависимости от времени для расчета скорости и местоположения, любая ошибка измерения, какой бы незначительной она ни была, со временем накапливается. Это приводит к "дрейфу": растущему расхождению между тем, где, по мнению системы, она находится, и тем, где она есть на самом деле. Из-за интегрирования постоянная ошибка в ускорении приводит к линейному увеличению ошибки в скорости и квадратичному увеличению ошибки в местоположении. Постоянная погрешность в скорости ориентации (гироскопе) приводит к квадратичному увеличению погрешности в скорости и кубическому увеличению погрешности в местоположении.
Производительность IMU
Существует множество типов IMU, в зависимости от типа приложения, с различными диапазонами производительности:
Гироскоп от 0,1°/с до 0,001°/ч (случайное отклонение угловой скорости)
Акселерометры от 100 мг до 10 мкг (повторяемость смещения)
Грубо говоря, это означает, что для одного неисправленного акселерометра самый дешевый (100 мг) теряет способность обеспечивать точность 50 метров примерно через 10 секунд, в то время как лучший акселерометр (10 мг) теряет способность обеспечивать точность 50 метров. мкг) теряет точность более чем на 50 метров примерно через 17 минут.
Точность инерциальных датчиков в инерциальном измерительном блоке (IMU) оказывает более сложное влияние на работу инерциальной навигационной системы (ИНС).
Поведение датчиков гироскопа и акселерометра обычно выражается в виде ошибок, основанных на следующем, при условии, что они имеют соответствующий диапазон измерений и полосу пропускания:
1.Погрешность смещения: Эту погрешность можно разделить на показатели стабильности (смещение датчика при постоянных условиях) и повторяемости (погрешность между двумя измерениями в аналогичных условиях, но с различными промежуточными условиями).
2.Погрешность масштабного коэффициента: Погрешность чувствительности первого порядка из-за неповторяемости и нелинейности.
3.Ошибка несоосности: из-за несовершенной механической установки.
4.Noise: Depends on required dynamic performance.
5.Environmental sensitivity: mainly sensitivity to thermal gradients and acceleration.
Все эти ошибки зависят от различных физических явлений, присущих только каждой сенсорной технологии. В зависимости от целевого применения и для правильного выбора датчика важно учитывать потребности в краткосрочной и долгосрочной стабильности, повторяемости и чувствительности к воздействию окружающей среды (в основном, к температурным и механическим воздействиям). В большинстве случаев целевая производительность приложения выше, чем абсолютная производительность датчика. Однако производительность датчика повторяется с течением времени с большей или меньшей точностью, поэтому ее можно оценить и скорректировать для повышения производительности. Это повышение производительности в режиме реального времени основано на моделях датчиков и IMU. Сложность этих моделей будет выбрана в зависимости от требуемой производительности и типа рассматриваемого приложения. Модели датчиков и IMU рассчитываются на заводе-изготовителе с помощью специальной последовательности калибровок с использованием многоосевого поворотного стола и климатической камеры. Они могут быть рассчитаны для каждого отдельного изделия или в целом для всего производства. Калибровка, как правило, повышает первоначальную производительность датчика как минимум на двадцать лет.
Собирать
Высокопроизводительные IMU, предназначенные для работы в тяжелых условиях, часто подвешиваются на амортизаторах. Эти амортизаторы должны выдерживать три воздействия:
1.Уменьшите количество ошибок датчиков, вызванных механическими воздействиями окружающей среды.
2.Защитите датчики, так как они могут быть повреждены в результате ударов или вибрации.
3.Ограничьте паразитное движение IMU в пределах ограниченной полосы пропускания, которую обработка сможет компенсировать.
Уменьшение этих ошибок часто побуждает разработчиков IMU увеличивать частоту обработки, и это становится проще благодаря новейшим цифровым технологиям. Однако разработка алгоритмов, которые могут устранить эти ошибки, требует глубоких знаний в области инерции и глубокого понимания конструкции датчика/IMU. С другой стороны, если подвеска может улучшить характеристики IMU, это может негативно сказаться на размерах и массе. В продукте ER-MIMU01, разработанном компанией Ericco, используются трехосевой гироскоп и трехосевой акселерометр. Ниже приведены важные параметры гироскопа и акселерометра, добавленные в IMU модели ER-MIMU01:
Гироскоп (ER-MG2-100 (0,02°/час))
Нестабильность смещения: <0,02
Стабильность смещения (1σ10 с): <0,1град/час
Стабильность смещения (1σ1 с): <0,3град/час
Повторяемость смещения (1σ): <0,1 град/час
Акселерометр (диапазон: 2-10 g)
Повторяемость смещения: 100-300 мкг
Повторяемость смещения: <500 частей на миллион
Коэффициент нелинейности второго класса: <100 мкг/г2
Акселерометр (диапазон измерения: 10-30 г)
Повторяемость смещения: 200-500 мкг
Повторяемость смещения: <500 частей на миллион
Коэффициент нелинейности II класса: <100 мкг/г2
Если вас заинтересовал imu, разработанный компанией Ericco, пожалуйста, свяжитесь с нами.