Современные беспилотные летательные аппараты, роботы и системы наведения в значительной степени зависят от оценки положения объекта на основе инерциального измерительного блока (ИИБ), однако гироскопы неизбежно дрейфуют со временем, а акселерометры уязвимы к вибрации и линейному ускорению. Эти недостатки быстро накапливаются и снижают точность. Необходим практичный метод слияния данных, сочетающий быстрые и плавные данные гироскопа с долговременной стабильностью показаний акселерометра.
Стабильность инерциального измерительного блока (ИИУ) зависит от объединения данных гироскопа и акселерометра. Гироскопы дрейфуют, акселерометры шумят, и дополнительный фильтр объединяет их для обеспечения надёжной и лёгкой оценки положения в реальном времени.
Точные инерциальные измерительные приборы (ИИУ) используют интеллектуальное слияние данных.
Оглавление
Введение — Что могут и не могут вам сказать необработанные сигналы IMU
Инерциальный измерительный блок (ИИБ) необходим для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), наземных роботов, промышленного оборудования и высокоточных систем наведения. Однако одни лишь необработанные показания гироскопа и акселерометра не могут гарантировать стабильное инерциальное зондирование. Каждый датчик имеет свои сильные стороны, ценные для оценки положения в пространстве, и слабые стороны, которые могут существенно ограничить производительность. Именно здесь сочетание датчиков становится незаменимым, позволяя ИИБ выдавать точную и надёжную информацию об ориентации даже в сложных условиях.
Гироскопы в движении — быстрые, плавные, но постоянно дрейфующие
Гироскоп измеряет угловую скорость и обеспечивает для инерциального измерительного блока быструю и плавную реакцию на вращение. Он является основой краткосрочной оценки положения в пространстве.
Сильные стороны
- Высокая пропускная способность и быстрый отклик
- Плавное отслеживание движения с низким уровнем шума
- Нечувствительность к линейному ускорению
Слабые стороны
- Накапливаются смещение и дрейф нулевого смещения
- Температура и старение влияют на стабильность
- Невозможно самостоятельно поддерживать долгосрочную точность
Короче говоря, гироскоп отлично улавливает движение, но не может зафиксировать инерциальный измерительный блок с течением времени.
Акселерометры как якоря — стабильные, абсолютные, но легко нарушаемые
Акселерометры измеряют удельную силу, включая силу тяжести, предоставляя инерциальному измерительному блоку встроенную точку отсчета для долгосрочной оценки положения.
Сильные стороны
- Долгосрочная стабильность без дрейфа
- Абсолютная точка отсчета силы тяжести для крена и тангажа
- Полезно во время статичных или медленных движений.
Слабые стороны
- Легко подвержены вибрации и ударам
- Искажено линейным ускорением
- Шумный по сравнению с гироскопами
Акселерометр — это «якорь» инерциального измерительного прибора: он надежен с течением времени, но уязвим в каждый момент времени.
Почему инерциальным измерительным приборам нужны оба варианта: два несовершенных датчика, одна надежная система
Гироскопы отслеживают изменения; акселерометры предоставляют опорные данные.
Оба они по отдельности несовершенны.
Вместе они составляют основу точной оценки положения инерциального измерительного прибора.
Для работы инерциального измерительного блока (IMU) необходимы гироскоп с реагированием в реальном времени и акселерометр с долговременной стабильностью. Это инженерная логика, лежащая в основе практически любой современной инерциальной сенсорной системы.
Дополнительная фильтрация — простой метод слияния, который просто работает
Вместо сложной математики дополнительный фильтр объединяет показания каждого датчика там, где они работают лучше всего:
- Гироскоп → высокочастотное движение
- Акселерометр → стабильность низких частот
Инженерное резюме
Дополнительный фильтр применяет фильтр верхних частот к данным гироскопа и фильтр нижних частот к данным акселерометра, а затем объединяет их в стабильную оценку положения.
Почему инженеры это любят
- Работает в реальном времени на небольших процессорах
- Достаточно надежен для большинства динамических приложений IMU
- Чистое, предсказуемое поведение при типичном движении
- Минимальная настройка по сравнению с расширенными фильтрами
Где оно светит
- Контроллеры полета БПЛА
- Балансирующие роботы
- Небольшие подвесы и стабилизаторы
- Носимые или портативные инерциальные измерительные блоки
- Встраиваемые системы с низким энергопотреблением
Дополнительная фильтрация остается одним из наиболее эффективных инструментов начального уровня для объединения данных датчиков в разработке инерциальных измерительных блоков.
Где дополнительные фильтры неэффективны — пределы простоты
Несмотря на свою элегантность, дополнительный фильтр имеет ограничения.
Ключевые проблемы
- Проблемы с быстрым линейным ускорением
- Ограниченная точность определения трехмерного положения без магнитометров
- Невозможно оценить смещение гироскопа или шумовые характеристики
- Не подходит для тактической навигации.
- Производительность зависит от температуры и вибрации.
Эти недостатки становятся существенными в современных или высокоточных системах.
За пределами дополнительных фильтров — новый уровень интеграции датчиков IMU
Для таких требовательных платформ, как тактические БПЛА, оборонные системы, морские навигационные устройства и промышленные роботы, инерциальные измерительные блоки должны использовать более продвинутые технологии синтеза:
- Расширенный фильтр Калмана (EKF)
- Фильтр Калмана без запаха (UKF)
- Фактор-граф и методы оптимизации
- Интеграция GNSS/IMU
- Инерциальный термоядерный синтез с использованием визуализации
- Температурная и многоосевая калибровка
Эти методы позволяют:
- Оценить дрейф и смещение датчика
- Улучшить долгосрочную стабильность
- Сохранение точности в условиях вибрации и ударов
- Обеспечить стабильную производительность во всем диапазоне температур
Это уровень, требуемый для ИДУ промышленного и оборонного назначения.
Инженерный подход GuideNav — за пределами классического IMU
Реальная производительность инерциального измерительного блока определяется не только программным обеспечением, но и тщательной инженерной работой.
В GuideNav качество инерциального зондирования достигается за счет:
- Прецизионное механическое выравнивание и управление осями печатной платы
- Мультитемпературная калибровка гироскопов и акселерометров
- Характеристика смещения, шума и масштабного фактора
- Испытания на воздействие ударов и вибрации
- Стабильная и надежная реализация объединения датчиков
Такой системный подход гарантирует, что дополнительная фильтрация (или любой метод слияния) будет работать с высокой степенью согласованности в реальных условиях.
Заключение — Превращение несовершенных датчиков в надежные оценки отношения
Ни один датчик не может самостоятельно обеспечить надежную оценку положения инерциального измерительного прибора.
Гироскопы дрейфуют; акселерометры шумят.
Однако при объединении этих несовершенных сигналов с помощью таких методов, как дополнительная фильтрация, получается плавная, стабильная информация об ориентации в режиме реального времени.
Для приложений, требующих более высокой точности или устойчивости к внешним воздействиям, более совершенные методы слияния и калибровки значительно расширяют возможности инерциального измерительного блока (IMU) по сравнению с тем, что может обеспечить простой дополнительный фильтр.
Инерциальное зондирование — это, в конечном счете, искусство преобразования необработанных сигналов движения в достоверные данные, на которые могут полагаться автономные системы — в любое время и в любом месте.
