Инерциальный измерительный блок ( IMU ) — это электронное устройство, которое измеряет и сообщает удельную силу тела , угловую скорость, а иногда и ориентацию тела, используя комбинацию акселерометров , гироскопов , а иногда и магнитометров . Когда магнитометр включен, IMU называются IMMU. [1]
IMU обычно используются для маневрирования современных транспортных средств, включая мотоциклы, ракеты, самолеты ( система ориентации и направления ), включая беспилотные летательные аппараты (БПЛА), среди многих других, и космические аппараты , включая спутники и спускаемые аппараты . Последние разработки позволяют производить устройства GPS с поддержкой IMU . IMU позволяет приемнику GPS работать, когда сигналы GPS недоступны, например, в туннелях, внутри зданий или при наличии электронных помех. [2]
Инерциальные измерительные блоки используются в гарнитурах виртуальной реальности и смартфонах , а также в игровых контроллерах с отслеживанием движения, таких как Wii Remote .
Инерциальный измерительный блок работает путем обнаружения линейного ускорения с использованием одного или нескольких акселерометров и скорости вращения с использованием одного или нескольких гироскопов . [3] Некоторые также включают магнитометр , который обычно используется в качестве ориентира курса. Некоторые IMU, такие как 9-DOF IMU от Adafruit, включают дополнительные датчики, такие как температура. [4] Типичные конфигурации содержат один акселерометр, гироскоп и магнитометр на ось для каждой из трех главных осей: тангаж, крен и рыскание .
IMU часто включаются в инерциальные навигационные системы , которые используют необработанные измерения IMU для расчета ориентации, угловых скоростей, линейной скорости и положения относительно глобальной системы отсчета. INS, оснащенная IMU, 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 UAV , UGV и UUV . Более простые версии INS, называемые Attitude and Heading Reference Systems, используют IMU для расчета ориентации транспортного средства с направлением относительно магнитного севера. Данные, собранные с датчиков IMU, позволяют компьютеру отслеживать положение судна, используя метод, известный как точный расчет . Эти данные обычно представлены в векторах Эйлера, представляющих углы поворота по трем основным осям или кватерниону .
В наземных транспортных средствах инерциальный измерительный блок может быть интегрирован в автомобильные навигационные системы на основе GPS или системы слежения за транспортными средствами , что дает системе возможность точного расчета траектории и сбора максимально точных данных о текущей скорости транспортного средства, угловой скорости поворота, направлении, наклоне и ускорении в сочетании с выходным сигналом датчика скорости вращения колес транспортного средства и, если он доступен, сигналом задней передачи для таких целей, как более точный 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 IMU для измерения движения, например, бега. IMU также способны определять уровни развития людей во время движения, определяя специфику и чувствительность определенных 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 (обучение технике) [5] и анимационных приложений. Они являются конкурирующей технологией для использования в технологии захвата движения . [6] IMU лежит в основе технологии балансировки, используемой в персональном транспортере Segway .
В навигационной системе данные, сообщаемые IMU, подаются в процессор, который вычисляет высоту, скорость и положение. [7] Типичная реализация, называемая Strap Down Inertial System, интегрирует угловую скорость от гироскопа для вычисления углового положения. Она объединяется с вектором силы тяжести, измеренным акселерометрами в фильтре Калмана, для оценки положения. Оценка положения 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. [8] [9] [10]
Например, если бы ИИБ, установленный на самолете , движущемся вдоль определенного вектора направления, измерял ускорение самолета как 5 м/с2 в течение 1 секунды, то по истечении этой 1 секунды компьютер наведения сделал бы вывод, что самолет должен двигаться со скоростью 5 м/с и должен находиться на расстоянии 2,5 м от своего начального положения (предполагая, что v0 = 0 и известны координаты начального положения x0 , y0 , z0 ) . Если объединить его с механической бумажной картой или архивом цифровой карты (системы, выходные данные которых обычно известны как отображение движущейся карты, поскольку выходные данные положения системы наведения часто принимаются за точку отсчета, что приводит к движущейся карте), система наведения может использовать этот метод, чтобы показать пилоту, где географически находится самолет в определенный момент, как в навигационной системе GPS , но без необходимости связи или получения сообщений от каких-либо внешних компонентов, таких как спутники или наземные радиотрансляторы, хотя внешние источники по-прежнему используются для исправления ошибок дрейфа, и поскольку частота обновления положения, допускаемая инерциальными навигационными системами, может быть выше, чем скорость, движение транспортного средства на отображении карты может восприниматься как плавное. Этот метод навигации называется счислением пути .
Один из самых ранних приборов был разработан и построен компанией Ford Instrument Company для ВВС США, чтобы помочь самолету ориентироваться в полете без какого-либо воздействия извне. Называемый Ground-Position Indicator , как только пилот вводил долготу и широту самолета при взлете, прибор показывал пилоту долготу и широту самолета по отношению к земле. [11]
Системы позиционного слежения, такие как GPS [12], могут использоваться для постоянной коррекции ошибок дрейфа (применение фильтра Калмана ).
Основным недостатком использования IMU для навигации является то, что они обычно страдают от накопленной ошибки. Поскольку система наведения постоянно интегрирует ускорение по времени для расчета скорости и положения (см. точный расчет ) , любые ошибки измерения, какими бы малыми они ни были, накапливаются с течением времени. Это приводит к «дрейфу»: постоянно увеличивающейся разнице между тем, где система думает, что она находится, и фактическим местоположением. Из-за интеграции постоянная ошибка в ускорении приводит к линейному росту ошибки в скорости и квадратичному росту ошибки в положении. Постоянная ошибка в скорости ориентации (гироскоп) приводит к квадратичному росту ошибки в скорости и кубичному росту ошибки в положении. [13]
Существует очень большое разнообразие ИИБ [14] , в зависимости от типа применения, с диапазоном производительности:
Если говорить грубо, это означает, что для одного неоткорректированного акселерометра самый дешевый (на 100 мг) теряет свою способность обеспечивать точность в 50 метров примерно через 10 секунд, в то время как лучший акселерометр (на 10 мкг) теряет свою точность в 50 метров примерно через 17 минут. [15]
Точность инерциальных датчиков внутри современного инерциального измерительного блока (ИИБ) оказывает более сложное влияние на производительность инерциальной навигационной системы (ИНС). [16]
Поведение датчиков гироскопа и акселерометра часто описывается моделью, основанной на следующих ошибках, предполагая, что они имеют надлежащий диапазон измерения и полосу пропускания: [17]
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, повторяемости и чувствительности к окружающей среде (в основном, к термическим и механическим средам) как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. Целевая производительность для приложений в большинстве случаев лучше, чем абсолютная производительность датчика. Однако производительность датчика повторяется с течением времени с большей или меньшей точностью, и поэтому ее можно оценить и компенсировать для повышения его производительности. Это повышение производительности в реальном времени основано как на датчиках, так и на моделях IMU. Сложность для этих моделей затем 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 вычисляются на заводах с помощью специальной последовательности калибровки с использованием многоосевых поворотных столов и климатических камер. Они могут быть рассчитаны либо для каждого отдельного продукта, либо для всего производства в целом. Калибровка обычно улучшает исходную производительность датчика как минимум на два десятилетия.
Высокопроизводительные IMU или IMU, предназначенные для работы в жестких условиях, очень часто подвешиваются с помощью амортизаторов. Эти амортизаторы должны справляться с тремя эффектами:
Подвесные IMU могут обеспечить очень высокую производительность, даже при воздействии суровых условий. Однако для достижения такой производительности необходимо компенсировать три основных результирующих поведения:
Уменьшение этих ошибок, как правило, подталкивает разработчиков IMU к увеличению частот обработки, что становится проще с использованием современных цифровых технологий. Однако разработка алгоритмов, способных устранить эти ошибки, требует глубоких инерционных знаний и тесного знакомства с конструкцией датчиков/IMU. С другой стороны, если подвеска, скорее всего, позволит повысить производительность IMU, она оказывает побочный эффект на размер и массу.
Беспроводной IMU известен как WIMU. [18] [19] [20] [21]
{{cite web}}: CS1 maint: url-status ( ссылка )