Инерциальный измерительный блок ( IMU ) — это электронное устройство, которое измеряет и сообщает об удельной силе тела , угловой скорости, а иногда и ориентации тела, используя комбинацию акселерометров , гироскопов и иногда магнитометров . Если в комплект входит магнитометр, IMU называются IMMU. [1]
IMU обычно используются для маневрирования современных транспортных средств, включая мотоциклы, ракеты, самолеты ( система ориентации и курса ), в том числе беспилотные летательные аппараты (БПЛА), среди многих других, а также космические корабли , включая спутники и спускаемые аппараты . Последние разработки позволяют производить GPS - устройства с поддержкой IMU. IMU позволяет приемнику GPS работать, когда сигналы GPS недоступны, например, в туннелях, внутри зданий или при наличии электронных помех. [2]
Устройство инерционного измерения работает путем определения линейного ускорения с помощью одного или нескольких акселерометров и скорости вращения с помощью одного или нескольких гироскопов . [3] Некоторые из них также включают магнитометр , который обычно используется в качестве ориентира курса. Типичные конфигурации содержат по одному акселерометру, гироскопу и магнитометру на каждую из трех основных осей: тангажа, крена и рыскания .
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. ИНС, 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 управления и контроля беспилотных систем, таких как БПЛА , UGV и UUV . Более простые версии INS, называемые системами ориентации и направления, используют 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 пути .
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 счисления и возможность собирать как можно больше точных данных о текущей скорости транспортного средства, скорости поворота, курсе, наклоне. и ускорение в сочетании с выходным сигналом датчика скорости колеса автомобиля и, если доступно, 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 движений, например бега. IMU также обладают способностью 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 быстрому развитию индустрии потребительских дронов. Они также часто используются в спортивных технологиях (технические тренировки) [4] и анимационных приложениях. Это конкурирующая технология для использования в технологии захвата движения . [5] IMU лежит в основе технологии балансировки, используемой в личном транспортере Segway .
В навигационной системе данные, сообщаемые IMU, подаются в процессор, который рассчитывает высоту, скорость и положение. [6] Типичная реализация, называемая бесплатформенной инерциальной системой, объединяет угловую скорость, полученную от гироскопа, для расчета углового положения. Для оценки ориентации это значение объединяется с вектором силы тяжести, измеренным акселерометрами в фильтре Калмана . 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. [7] [8] [9]
Например, если бы ИДУ, установленный в самолете , движущемся по определенному вектору направления, измерял ускорение самолета как 5 м/с 2 в течение 1 секунды, то по истечении этой 1 секунды компьютер наведения сделал бы вывод, что самолет должен двигаться со скоростью 5 м/с 2 в течение 1 секунды. м/с и должен находиться на расстоянии 2,5 м от исходного 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, выходные данные которых обычно называются отображением движущейся карты , поскольку выходные данные о положении системы наведения часто принимаются в качестве контрольной точки, в результате чего получается движущаяся карта), система наведения может использовать этот метод показывает пилоту, где самолет географически расположен в определенный момент, как в случае с навигационной системой GPS , но без необходимости связываться или получать сообщения от каких-либо внешних компонентов, таких как спутники или наземные радиотранспондеры, хотя и из внешних источников. по-прежнему используются для исправления ошибок дрейфа, а поскольку частота обновления местоположения, допускаемая инерциальными навигационными системами, может быть выше, чем движение транспортного средства на отображении карты, оно может восприниматься как плавное. Этот метод навигации называется счислением пути .
Одно из первых устройств было спроектировано и построено компанией Ford Instrument Company для ВВС США, чтобы помочь самолету ориентироваться в полете без какого-либо вмешательства со стороны самолета. Называется индикатором положения земли . Как только пилот вводит долготу и широту самолета при взлете, устройство показывает пилоту долготу и широту самолета по отношению к земле. [10]
Системы позиционного слежения, такие как GPS [11], могут использоваться для постоянной коррекции ошибок дрейфа (применение фильтра Калмана ).
Основным недостатком использования IMU для навигации является то, что они обычно страдают от накопленных ошибок. Поскольку система наведения постоянно интегрирует ускорение по времени для расчета скорости и положения (см. точное счисление ) , любые ошибки измерения, какими бы небольшими они ни были, накапливаются с течением времени. Это приводит к «дрейфу»: постоянно увеличивающейся разнице между тем, где, по мнению системы, она находится, и фактическим местоположением. Постоянная ошибка ускорения вследствие интегрирования приводит к линейному росту ошибки скорости и квадратичному росту ошибки положения. Постоянная ошибка в скорости ориентации (гироскоп) приводит к росту квадратичной ошибки по скорости и кубической ошибке по положению. [12]
Существует очень большое разнообразие IMU [13] в зависимости от типов приложений с диапазоном производительности:
Грубо говоря, это означает, что для одного некорректированного акселерометра самый дешевый (при 100 мг) теряет способность обеспечивать точность 50 метров примерно через 10 секунд, в то время как лучший акселерометр (при 10 мкг) теряет свою способность давать 50-метровую точность. -метровая точность примерно через 17 минут. [14]
Точность инерциальных датчиков внутри современного инерциального измерительного блока (ИМУ) оказывает более сложное влияние на работу инерциальной навигационной системы (ИНС).
Поведение датчиков гироскопа и акселерометра часто представляется моделью, основанной на следующих ошибках, при условии, что они имеют правильный диапазон измерения и полосу пропускания: [15]
Все эти ошибки зависят от различных физических явлений, специфичных для каждой сенсорной технологии. В зависимости от целевых применений и для того, чтобы сделать правильный выбор датчика, очень важно учитывать потребности в отношении стабильности, повторяемости и чувствительности к окружающей среде (в основном термической и механической среде) как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. Заданная производительность для приложений в большинстве случаев лучше, чем абсолютная производительность датчика. Однако характеристики датчика повторяются с течением времени с большей или меньшей точностью, и поэтому их можно оценивать и компенсировать для повышения его производительности. Это повышение производительности в реальном времени основано как на датчиках, так и на моделях IMU. Сложность этих моделей затем будет выбираться в соответствии с требуемой производительностью и типом рассматриваемого приложения. Возможность определения этой модели является частью ноу-хау производителей датчиков и IMU. Модели датчиков и IMU рассчитываются на заводах посредством специальной последовательности калибровки с использованием многоосных поворотных столов и климатических камер. Они могут быть рассчитаны либо для каждого отдельного продукта, либо общие для всего производства. Калибровка обычно улучшает исходные характеристики датчика как минимум на два десятилетия.
Высокопроизводительные ИДУ или ИДУ, предназначенные для работы в суровых условиях, очень часто подвешиваются на амортизаторах. Эти амортизаторы необходимы для достижения трех эффектов:
Подвесные IMU могут обеспечивать очень высокую производительность даже в суровых условиях. Однако для достижения такой производительности необходимо компенсировать три основных результирующих поведения:
Уменьшение этих ошибок, как правило, подталкивает разработчиков IMU к увеличению частоты обработки, что становится проще с использованием новейших цифровых технологий. Однако разработка алгоритмов, способных устранить эти ошибки, требует глубоких инерционных знаний и тесной связи с конструкцией датчиков/IMU. С другой стороны, если подвеска, вероятно, позволит повысить производительность IMU, это будет иметь побочный эффект на размер и массу.
Беспроводной IMU известен как WIMU. [16] [17] [18] [19]