Træghedsmåleenhed - Inertial measurement unit

Apollo inertial måleenhed

Apollo IMU, hvor Inertial Reference Integrating Gyros (IRIGs, Xg, Yg, Zg) sense attitude ændres, og Pulse Integrating Pendulous Accelerometers (PIPAs, Xa, Ya, Za) sense hastighedsændringer

En inertiemåleenhed ( IMU ) er en elektronisk enhed, der måler og rapporterer kroppens specifikke kraft , vinkelhastighed og undertiden legemets orientering ved hjælp af en kombination af accelerometre , gyroskoper og undertiden magnetometre . IMU'er bruges typisk til at manøvrere fly (et holdnings- og kursreferencesystem ), herunder ubemandede luftfartøjer (UAV), blandt mange andre, og rumfartøjer , herunder satellitter og landere . Den seneste udvikling muliggør produktion af IMU-aktiverede GPS- enheder. En IMU tillader en GPS-modtager at arbejde, når GPS-signaler ikke er tilgængelige, såsom i tunneler, inde i bygninger eller når der er elektronisk interferens.

Operationelle principper

Træghedsnavigationsenhed af fransk IRBM S3.

IMU'er fungerer til dels ved at opdage ændringer i tonehøjde, rulle og yaw .

En inertial måleenhed fungerer ved at detektere lineær acceleration ved hjælp af en eller flere accelerometre og rotationshastighed ved hjælp af en eller flere gyroskoper . Nogle inkluderer også et magnetometer, der almindeligvis bruges som en kursreference. Typiske konfigurationer indeholder et accelerometer, gyro og magnetometer pr. Akse for hver af de tre hovedakser: pitch, roll og yaw .

Anvendelser

IMU'er er ofte inkorporeret i inertielle navigationssystemer, der bruger de rå IMU-målinger til at beregne holdning , vinkelhastigheder, lineær hastighed og position i forhold til en global referenceramme. IMU-udstyret INS danner rygraden til navigation og kontrol af mange kommercielle og militære køretøjer såsom bemandede fly, missiler, skibe, ubåde og satellitter. IMU'er er også vigtige komponenter i vejledning og kontrol af ubemandede systemer såsom UAV'er , UGV'er og UUV'er . Enklere versioner af INS'er kaldet Attitude and Heading Reference Systems bruger IMU'er til at beregne køretøjets holdning med kurs i forhold til magnetisk nord. De data, der indsamles fra IMU's sensorer, giver en computer mulighed for at spore et fartøjs position ved hjælp af en metode kendt som død regning .

I landkøretøjer kan en IMU integreres i GPS-baserede bilnavigationssystemer eller køretøjssporingssystemer , hvilket giver systemet en død beregningsevne og evnen til at indsamle så mange nøjagtige data som muligt om køretøjets aktuelle hastighed, omdrejningshastighed, kurs, hældning og acceleration i kombination med køretøjets output til hjulhastighedssensor og, hvis tilgængeligt, bakgearssignal til formål såsom bedre trafikkollisionsanalyse .

Udover navigationsformål fungerer IMU'er som orienteringssensorer i mange forbrugerprodukter. Næsten alle smartphones og tablets indeholder IMU'er som orienteringssensorer. Fitness trackers og andre wearables kan også omfatte IMU'er til måling af bevægelse, såsom løb. IMU'er har også evnen til at bestemme individuelle udviklingsniveauer, når de er i bevægelse, ved at identificere specificitet og følsomhed for specifikke parametre, der er forbundet med kørsel. Nogle spilsystemer såsom fjernbetjeningerne til Nintendo Wii bruger IMU'er til at måle bevægelse. Billige IMU'er har muliggjort spredning af forbrugerdronebranchen. De bruges også ofte til sportsteknologi (teknikuddannelse) og animationsapplikationer. De er en konkurrerende teknologi til brug i motion capture- teknologi. En IMU er kernen i den afbalanceringsteknologi, der anvendes i Segway Personal Transporter .

I navigation

Moderne enhed for inertimåling til rumfartøjer.

I et navigationssystem føres data rapporteret af IMU til en processor, der beregner holdning, hastighed og position. En typisk implementering benævnt et Strap Down Inertial System integrerer vinkelhastighed fra gyroskopet til beregning af vinkelposition. Dette er sammensmeltet med tyngdekraftsvektoren målt ved accelerometre i et Kalman-filter for at estimere holdningen. Holdningsestimatet bruges til at omdanne accelerationsmålinger til en inerti-referenceramme (deraf betegnelsen inerti-navigation), hvor de integreres en gang for at få lineær hastighed og to gange for at få lineær position.

For eksempel, hvis en IMU installeret i et fly, der bevæger sig langs en bestemt retningsvektor, skulle måle et flys acceleration som 5 m / s ² i 1 sekund, ville styrecomputeren efter dette 1 sekund udlede, at flyet skal køre ved 5 m / s og skal være 2,5 m fra dets oprindelige position (forudsat at v ₀ = 0 og kendte startpositionskoordinater x ₀ , y ₀ , z ₀ ). Hvis det kombineres med et mekanisk papirkort eller et digitalt kortarkiv (systemer, hvis output generelt er kendt som et bevægeligt kortvisning, da styresystemets positionsoutput ofte tages som referencepunkt, hvilket resulterer i et bevægeligt kort), kan styresystemet bruge denne metode til at vise en pilot, hvor flyet befinder sig geografisk i et bestemt øjeblik, som med et GPS- navigationssystem - men uden behov for at kommunikere med eller modtage kommunikation fra eksterne komponenter, såsom satellitter eller landradio-transpondere, selvom eksterne kilder bruges stadig til at rette driftfejl, og da positionsopdateringsfrekvensen tilladt af inerti-navigationssystemer kan være højere end køretøjets bevægelse på kortdisplayet kan opfattes som glat. Denne navigationsmetode kaldes død regning .

En af de tidligste enheder blev designet og bygget af Ford Instrument Company til USAF for at hjælpe fly med at navigere under flyvning uden input uden for flyet. Kaldt Ground-Position Indicator , når piloten først kom ind i flyets længde og breddegrad ved start, ville enheden vise piloten flyets længde- og breddegrad i forhold til jorden.

Positioneringssporingssystemer som GPS kan bruges til løbende at korrigere driftfejl (en anvendelse af Kalman-filteret ).

Ulemper

En stor ulempe ved at bruge IMU'er til navigation er, at de typisk lider af akkumuleret fejl. Da styresystemet kontinuerligt integrerer acceleration med hensyn til tid til beregning af hastighed og position (se død beregning ) , akkumuleres eventuelle målefejl, uanset hvor små, over tid. Dette fører til 'drift': en stadigt stigende forskel mellem, hvor systemet mener, det er placeret, og den faktiske placering. På grund af integration resulterer en konstant fejl i acceleration i en lineær fejl i hastighed og en kvadratisk fejlvækst i position. En konstant fejl i holdningshastighed (gyro) resulterer i en kvadratisk fejl i hastighed og en kubisk fejlvækst i position.

Ydeevne

Der findes en meget bred vifte af IMU'er afhængigt af applikationstyper med ydeevne:

fra 0,1 ° / s til 0,001 ° / h for gyroskop
fra 100 mg til 10 µg for accelerometre.

For at få en grov ide betyder det, at det billigste (ved 100 mg) for et enkelt, ikke-korrigeret accelerometer mister sin evne til at give 50-meters nøjagtighed efter ca. 10 sekunder, mens det bedste accelerometer (ved 10 µg) mister sine 50 -målernøjagtighed efter ca. 17 minutter.

Nøjagtigheden af inertisensorerne i en moderne inertimåleenhed (IMU) har en mere kompleks indflydelse på ydelsen af et inertialnavigationssystem (INS).

Sensorfejl

Gyroskop og accelerometer sensoradfærd er ofte repræsenteret via en model baseret på følgende fejl, forudsat at de har det rigtige måleområde og båndbredde:

offset-fejl: denne fejl kan opdeles mellem stabilitetsydelse (drift, mens sensoren forbliver under uforanderlige forhold) og repeterbarhed (fejl mellem to målinger under lignende forhold adskilt af forskellige forhold imellem)
skalafaktorfejl: fejl ved første ordens følsomhed på grund af ikke-repeterbarhed og ikke-linearitet
fejljusteringsfejl: på grund af ufuldstændig mekanisk montering
følsomhed på tværs af akse: parasitisk måling induceret ved opfordring langs en akse vinkelret på sensoraksen
støj: afhængig af ønsket dynamisk ydeevne
miljøfølsomhed: primært følsomhed over for termiske gradienter og accelerationer

Alle disse fejl afhænger af forskellige fysiske fænomener, der er specifikke for hver sensorteknologi. Afhængigt af de målrettede applikationer og for at kunne foretage det rigtige sensorvalg er det meget vigtigt at overveje behovet vedrørende stabilitet, repeterbarhed og miljøfølsomhed (hovedsageligt termiske og mekaniske miljøer) på både korte og lange vilkår. Målrettet ydeevne til applikationer er det meste af tiden bedre end sensorens absolutte ydeevne. Sensorens ydeevne kan imidlertid gentages over tid med mere eller mindre nøjagtighed og kan derfor vurderes og kompenseres for at forbedre dens ydeevne. Denne effektivitetsforbedring i realtid er baseret på både sensorer og IMU-modeller. Kompleksitet for disse modeller vælges derefter i henhold til den nødvendige ydelse og den anvendte type. Evnen til at definere denne model er en del af sensorer og IMU-producentens know-how. Sensorer og IMU-modeller beregnes i fabrikker gennem en dedikeret kalibreringssekvens ved hjælp af multi-akse pladespillere og klimakamre. De kan enten beregnes for hvert enkelt produkt eller generisk for hele produktionen. Kalibrering forbedrer typisk sensorens rå ydeevne med mindst to årtier.

montage

Apollo IMU-stabilt medlem

Højtydende IMU'er, eller IMU'er designet til at fungere under barske forhold, suspenderes ofte af støddæmpere. Disse støddæmpere kræves for at mestre tre effekter:

reducere sensorfejl på grund af mekaniske miljøopfordringer
beskyt sensorer, da de kan blive beskadiget af stød eller vibrationer
indeholder parasitisk IMU-bevægelse inden for en begrænset båndbredde, hvor behandling vil være i stand til at kompensere for dem.

Suspenderede IMU'er kan tilbyde meget høj ydeevne, selv når de udsættes for barske miljøer. For at nå en sådan præstation er det dog nødvendigt at kompensere for tre hovedresultater, der opstår:

coning: en parasitisk effekt induceret af to ortogonale rotationer
sculling: en parasitisk effekt induceret af en acceleration, der er vinkelret på en rotation
centrifugale accelerationseffekter.

At mindske disse fejl har tendens til at skubbe IMU-designere til at øge behandlingsfrekvenser, hvilket bliver lettere ved hjælp af nyere digitale teknologier. Imidlertid kræver udvikling af algoritmer, der er i stand til at annullere disse fejl, dyb inerti-viden og stærk intimitet med sensorer / IMU-design. På den anden side, hvis suspension sandsynligvis muliggør en stigning i IMU-ydelse, har det en bivirkning på størrelse og masse.

En trådløs IMU er kendt som en WIMU.

Languages

In other projects