Teoride, bir Atalet Ölçüm Birimi (IMU), bir aracın ivmesini ve açısal hızını zaman içinde entegre ederek ne kadar mesafe kat ettiğini ölçen odometri işlemini gerçekleştirebilir. Ancak gerçekte, bu "sadece atalet tabanlı odometri" pratik değildir. Sorun, hata birikiminde : En küçük sensör sapmaları bile zamanla üstel olarak büyüyen konum kaymasına neden olur. Saniyeler içinde, hesaplanan yörünge gerçeklikten çok uzaklaşır.
Otonom sürüş ve robotik uygulamalarında, konum belirleme doğruluğunun santimetre düzeyinde kalması gerektiğinden, tek başına bir IMU (Atalet Ölçüm Birimi) güvenilir bir odometri sağlayamaz.
Bir IMU, teorik olarak çift entegrasyon yoluyla kilometre sayacını hesaplayabilir, ancak sapma ve gürültü, zaman içinde katlanarak sapmaya neden olur. Bu nedenle, gerçek dünya navigasyon sistemleri, hassasiyet ve kararlılığı korumak için IMU'nun GNSS, LiDAR veya kameralarla füzyonuna güvenir.
Ataletli navigasyon basit gibi görünüyor: hareketi ölçün ve mesafeyi hesaplayın. Ancak pratikte, küçük sensör hataları bile hızla büyür ve doğruluğu bozar. IMU, her navigasyon sisteminin önemli bir parçasıdır, ancak tek başına çalışamaz. Bu makale, saf IMU odometrisinin neden başarısız olduğunu ve sensör füzyonunun onu nasıl hassas konumlandırma için güvenilir bir araca dönüştürdüğünü açıklıyor.
İçindekiler
IMU'nun Teorik Olarak Odometri Yapabilmesinin Nedenleri
Atalet Ölçüm Birimi (IMU), üç eksenli ivmeyi ve üç eksenli açısal hızı .
Bu sinyallerin sürekli entegrasyonu sayesinde sistem teorik olarak şunları hesaplayabilir:
- Yönelim (Konum): Açısal hızın entegrasyonuyla belirlenir.
- Hız: Doğrusal ivmenin entegrasyonuyla bulunur.
- Konum: Hızı bir kez daha entegre ederek.
Bu, yalnızca hareket sensörlerine dayanan, kendi kendine yeten bir navigasyon yöntemi olan Ataletli Navigasyon Sistemi'nin (INS) temel prensibidir. Mükemmel şekilde kalibre edilmiş sensörler ve gürültü olmaması durumunda, bir IMU, bir aracın hareketini sürekli olarak belirleyebilir ve başlangıç noktasına göre yörüngesini tahmin edebilir. Bu nedenle, teorik olarak, bir IMU herhangi bir harici referans olmadan odometri gerçekleştirebilir.
Pratikte Başarısız Olmasının Nedenleri: Hata Birikimi Problemi
Teori mantıklı olsa da, her IMU'da doğal sensör hataları çift entegrasyon işlemi sırasında önemli ölçüde büyür . Zamanla, en ufak kusurlar bile büyük ve hızla artan sapmalara neden olur.
Konum hatası zamanla karesel olarak artar
İvmeölçer küçük bir sabit sapma b a (m/s²) içeriyorsa, biriken hız ve konum hataları zamanla şu şekilde artar:
Bu, konum hatasının zamanın karesiyle orantılı olarak arttığı . Çok küçük bir sapma bile dramatik bir kaymaya yol açabilir.
Örneğin, ivmeölçer sapması b'nin 0,01 m/s² olduğunu varsayalım ; bu, ticari sınıf MEMS IMU'lar için çok tipik bir değerdir.
| Zaman | Konum Hatası |
|---|---|
| 1 saniye | 0,005 m |
| 10 saniye | 0,5 m |
| 30 saniye | 4,5 m |
| 60 saniye | 18 m |
Sadece bir dakika (60 saniye) yaklaşık 18 metreye ulaşabiliyor genellikle < 0,1–0,3 m çok ötesinde .
Jiroskop Sapması, Yön Kaymasına Neden Olur
Küçük bir jiroskop sapması önemsiz gibi görünse de, zamanla belirgin yönelim tahmin hatalarına . Yönelim kayması meydana geldiğinde, IMU artık yerçekimini gerçek hareketten doğru şekilde ayıramaz; ivmeölçer verilerinden "yerçekimini kaldırmayı" başaramaz. Bu olduğunda, yerçekimi vektörünün bir kısmı yanlışlıkla yatay ivme olarak ele alınır ve sistem, araç hareketsizken bile hareket ettiğine inanır. Bu yanlış ivme, sahte hıza ve sonuçta patlayıcı konum kaymasına .
Diğer Hata Kaynakları
Önyargının ötesinde, gerçek dünyadaki IMU'lar zamanla büyüyen çok sayıda hata kaynağından etkilenir:
| Hata Kaynağı | Darbe |
|---|---|
| Ölçek faktörü hatası | İvme veya açısal hız ölçümlerinin yanlış ölçeklendirilmesi. |
| Hizalama hatası | Birbirine dik olmayan sensör eksenleri, izdüşüm hatalarına neden olur. |
| Sıcaklık değişimi | Sıcaklıkla birlikte sapma değişir ve kalibrasyon bozulur. |
| Titreşim gürültüsü | Mekanik gürültü, konum kaymasına entegre olur. |
| İlk hizalama hatası | Başlangıçtaki küçük tutum hataları uzun vadeli sapmalara yol açar. |
Küçük kusurlar bile bir araya geldiğinde navigasyon çıktısının hızla sapmasına neden olur. Pratikte, , yüksek kaliteli sensörler için bile saniyeler içinde kullanılamaz hale gelir
Hassasiyet Değerlendirmesi: Sadece IMU Kullanılarak Yapılan Odometri Ölçümleri Ne Kadar Süreyle Doğru Sonuç Verebilir?
Gelişmiş sensörlerle bile, yalnızca atalet tabanlı odometri, kontrol dışına çıkmadan önce yalnızca kısa bir süre doğru kalabilir. Konum hatası zamanla karesel olarak arttığı için, güvenilir çalışma süresi esas olarak IMU'nun kalitesine ve sapma kararlılığına bağlıdır.
| IMU sınıfı | Tipik Önyargı | Konum Hatası (10 s) | Konum Hatası (60 s) | Pratik Kullanım |
|---|---|---|---|---|
| Tüketici notu | > 0,01 m/s² | > 0,5 m | > 18 m | Tamamen kullanılamaz |
| Sanayi sınıfı | ~ 0,001 m/s² | ~ 5 cm | ~ 1,8 m | Sadece kısa testler için kullanılabilir |
| Navigasyon notu | < 0,0001 m/s² | ~ 0,5 cm | ~ 18 cm | Birkaç saniyeliğine doğru; yine de birleştirme gerekiyor |
| Taktik sınıfı | Son derece düşük | Kontrol edilebilir | Birkaç metre | Askeri/havacılık alanında kullanılabilir; yüksek maliyetli |
En yüksek kalitedeki IMU'lar bile sonsuza dek sapmayı önleyemez. Bu nedenle modern otonom sistemler, uzun vadeli doğruluk ve istikrarı korumak için sensör füzyonuna
IMU'nun Modern Navigasyondaki Rolü - Sensör Füzyonu Temelinde
IMU bağımsız olarak odometri yapamasa da, modern navigasyonda yeri doldurulamaz bir role diğer sensörleri güçlendiren ve stabilize eden yüksek frekanslı omurga
Yüksek Frekanslı Hareket Tahmini
IMU'lar, GNSS, LiDAR veya kameralardan çok daha hızlı olan yüzlerce ila binlerce hertz
Bu yüksek güncelleme hızı, hızlı hareketleri yakalamalarına ve boşlukları doldurmalarına , tüm navigasyon sistemi için sorunsuz ve sürekli hareket algılama sağlar.
Kısa Vadeli Tahmin ve Düzeltme
Tünellerin içinde, köprülerin altında veya yoğun kentsel alanlarda GNSS sinyalleri kaybolduğunda, IMU sürekli bir yörüngeyi korumak için kısa vadeli ölü hesaplama
Sistemin durumunu (konum, hız, yönelim) birkaç saniyeliğine tahmin ederek, harici ölçümler tekrar kullanılabilir hale gelene kadar sorunsuz geçişler sağlar.
, GNSS sinyalinin olmadığı ortamlarda sağlam navigasyon için IMU'yu vazgeçilmez kılıyor .
Sensör Füzyonunun Özü
Modern konum belirleme sistemlerinde, IMU (Atalet Ölçüm dinamik çekirdeği . Yüksek hızlı atalet verileri sürekli hareket bilgisi sağlarken, GNSS, LiDAR veya kameralar gibi diğer sensörlerden gelen düşük hızlı ancak sapmasız ölçümler, biriken hataları sürekli olarak düzelterek navigasyonun hem istikrarlı hem de hassas kalmasını sağlar.
| Füzyon Yöntemi | Sensör Kombinasyonu | Başvuru |
|---|---|---|
| GNSS/IMU Gevşek veya Sıkı Bağlantısı | RTK-GNSS + IMU | Yüksek hassasiyetli kara veya hava navigasyonu |
| Görsel-Ataletsel Odometri (VIO) | Kamera + IMU | SLAM, İHA'lar, robotik |
| LiDAR-Ataletsel Odometri (LIO) | LiDAR + IMU | Otonom sürüş, haritalama |
| Faktör Grafiği veya Kalman Filtresi Füzyonu | Çoklu sensörler + IMU | Entegre durum tahmini |
Çözüm
Teoride tek başına bir IMU (Atalet Ölçüm Birimi) hareketi tahmin edebilir, ancak pratikte hataları kullanışlı olamayacak kadar hızlı büyür. Çok küçük sapmalar bile saniyeler içinde birkaç metrelik konum kaymasına neden olur.
Yine de IMU (Atalet Ölçüm Birimi) vazgeçilmezliğini koruyor; diğer sensörlerin sağlayamadığı yüksek frekanslı hareket verileri sunuyor. GNSS, LiDAR veya kameralarla birleştirildiğinde, istikrarlı ve hassas bir navigasyon sisteminin çekirdeğini oluşturuyor.
