За 15 років роботи з інерціальними навігаційними системами я зрозумів, що точність інерціального вимірювального блоку (IMU) має вирішальне значення для успіху багатьох застосувань, незалежно від того, чи ви керуєте дроном, керуєте ракетою чи розробляєте робототехніку. Без чіткого розуміння точності IMU ви залишаєтеся вразливими до помилок, які можуть поставити під загрозу всю вашу систему. Отже, наскільки точним є IMU ? Це залежить від типу датчика, його калібрування та середовища, в якому він працює. Але дозвольте мені дати вам кілька чітких рекомендацій.
Точність інерціальних вимірювальних блоків значною мірою залежить від класу датчика. Споживчі IMU зазвичай пропонують точність від 10 до 100 градусів/год , тоді як промислові IMU покращують її до 1-10 градусів/год . Тактичні IMU забезпечують ще кращу точність, від 0,1 до 1 градуса/год , і підходять для військового застосування. Нарешті, навігаційні IMU пропонують найвищу точність, менше 0,01 градуса/год , що ідеально підходить для аерокосмічної та оборонної галузей.
Тепер давайте заглибимося в деталі та розглянемо, як ці рівні точності застосовуються в різних застосуваннях.
Зміст
Фактори, що визначають точність інерційного вимірювального блоку
Точність інерційного вимірювального блоку визначається кількома ключовими факторами:
- Тип і клас датчика : клас IMU — споживчий , промисловий , тактичний чи навігаційний — є найбезпосереднішим фактором, що впливає на точність. IMU вищого класу використовують складніші технології, такі як волоконно-оптичні гіроскопи (FOG) або кільцеві лазерні гіроскопи (RLG) , які значно зменшують дрейф і підвищують точність.
- Дрейф (нестабільність зміщення) : Дрейф стосується поступового відхилення показань інерційного вимірювального пристрою (ІМУ) з часом. Чим менший дрейф, тим точніший ІМУ. Високоякісні ІМУ, особливо навігаційного класу , мають надзвичайно низькі показники дрейфу порівняно зі споживчими та промисловими моделями.
- Калібрування : Навіть найсучасніші інерційні блоки (ІМБ) потребують регулярного калібрування для підтримки точності. Цей процес коригує недоліки датчиків, вплив температури та інші змінні, які можуть погіршити продуктивність.
- Фактори навколишнього середовища : зміни температури, механічні удари та вібрації можуть призвести до помилок. Інерційні блоки вищого класу розроблені для компенсації цих екологічних проблем, тоді як споживчі та промислові пристрої більш чутливі до таких збоїв.
Розуміння точності інерційних вимірювальних одиниць за класом
ІМУ зазвичай поділяються на чотири основні класи, кожен з яких має різний рівень точності:
| Клас ІМУ | Нестабільність зміщення гіроскопа | Типові застосування |
|---|---|---|
| Споживчий клас | від 10 до 100 градусів/годину | Смартфони, фітнес-трекери, базові гаджети |
| Промисловий клас | Від 1 до 10 градусів/годину | Промислові роботи, дрони, транспортні засоби |
| Тактичний клас | від 0,1 до 1 градуса/годину | Військові безпілотники, наземні транспортні засоби, оборонні системи |
| Навігаційний клас | <0,01 градуса/годину | Літаки, підводні човни, космічні кораблі |
1. Інерційні блоки споживчого класу
Це найпростіші та найдоступніші інерційні модулі (ІМУ), які зазвичай використовуються в таких пристроях, як смартфони, портативні пристрої та ігрові контролери. Вони пропонують рівні точності від 10 до 100 градусів/год з точки зору нестабільності зміщення гіроскопа. Хоча їх достатньо для базових завдань виявлення руху, вони не підходять для високоточних застосувань, де дрейф та шум датчика можуть швидко призвести до значних помилок.
2. ІМУ промислового класу
Промислові інерційні блоки (ІББ) пропонують помітне покращення точності, зі швидкістю дрейфу від 1 до 10 градусів/год . Вони часто використовуються в автономних транспортних засобах, промисловій робототехніці та безпілотних літальних апаратах, де помірна точність , і де GPS може бути не завжди доступний. Ці ІББ призначені для роботи в помірно суворих умовах, але все ще можуть мати проблеми з коливаннями температури або тривалою роботою в середовищах без GPS.
3. ІМУ тактичного класу
Тактичні IMU – це крок вперед, забезпечуючи від 0,1 до 1 градуса/годину . Зазвичай вони використовуються у військових транспортних засобах, безпілотних літальних апаратах та інших високопродуктивних системах, де потрібна точна навігація, особливо в середовищах, де немає GPS. Завдяки кращим характеристикам як щодо стабільності зміщення, так і стійкості до факторів навколишнього середовища, ці IMU пропонують хороший баланс між вартістю та продуктивністю.
4. ІМУ навігаційного класу
У найвищому класі ми маємо інерціальні вимірювальні пристрої навігаційного класу, які забезпечують найвищу точність із нестабільністю зміщення нижче 0,01 градуса/год . Вони використовуються в літаках, підводних човнах та космічних апаратах — системах, де навіть невелика похибка може мати значні наслідки. Інерціальні вимірювальні пристрої навігаційного класу здатні працювати протягом тривалого часу в середовищах, де відсутній GPS, що робить їх ідеальними для довгострокових місій в аерокосмічному та оборонному секторах. Однак ці інерціальні вимірювальні пристрої також є найдорожчими, часто коштуючи понад 100 000 доларів за одиницю.
Як тип датчика впливає на точність IMU?
Протягом багатьох років я спостерігав за розвитком широкого спектру технологій IMU, і кожна з них має свою роль залежно від необхідної точності. Ось як я зазвичай пояснюю основні типи IMU та їхню точність:
- MEMS IMU (мікроелектромеханічні системи) : MEMS IMU досягли значних успіхів за останнє десятиліття. Спочатку люди розглядали MEMS як дешевші та менш точні варіанти, але це вже не зовсім так. Сьогодні існують високоякісні MEMS IMU , які можуть за точністю зрівнятися навіть з деякими FOG IMU , наприклад, MEMS-базований IMU GUIDE900 від GuideNav може забезпечити нестабільність зміщення гіроскопа з точністю до 0,1 градуса/годину. Фактично, я працював з клієнтами в галузі безпілотних літальних апаратів та робототехніки, які виявили, що MEMS IMU забезпечують ідеальний баланс точності , розміру та вартості . Вони також неймовірно міцні та добре справляються з вібраціями, тому вони так широко використовуються в дронах та інших мобільних системах.
- FOG IMU (волоконно-оптичний гіроскоп) : Якщо вам потрібна більша точність і стабільність, FOG IMU — це те, що вам потрібно. Я працював з ними в аерокосмічних та оборонних проектах, де точність — це понад усе. FOG-сенсори пропонують чудову довготривалу стабільність з дуже низьким дрейфом, що робить їх ідеальними для застосувань, де навіть невеликі помилки навігації можуть призвести до серйозних проблем. FOG IMU зазвичай використовуються в літаках і ракетах, і хоча вони дорожчі, їхня точність не має аналогів у більшості інших технологій у цих середовищах.
- RLG IMU (кільцевий лазерний гіроскоп) : це найкращі моделі з точки зору точності. Якщо ви працюєте у відповідальних сферах, таких як військові підводні човни або космічна навігація, RLG IMU — ваш найкращий вибір. Вони пропонують найвищу точність практично без дрейфу, але мають високу вартість і є відносно громіздкими. Я бачив, як їх використовують у випадках, коли довготривала точність не підлягає обговоренню, і вони рідко, якщо взагалі коли-небудь, розчаровують.
Чому дрейф має значення для точності інерційних вимірювальних одиниць?
Незалежно від того, наскільки просунутий IMU, дрейф залишається проблемою, особливо в довгостроковій навігації без зовнішніх орієнтирів, таких як GPS. Дрейф, також відомий як нестабільність зміщення , — це повільне накопичення похибки в показаннях IMU з часом. Ця похибка особливо суттєва в таких застосуваннях, як автономна навігація або наведення ракет, де навіть невелике відхилення може призвести до відмови.
Наприклад, інерційні модулі навігаційного класу мають швидкість дрейфу до 0,01 градуса/годину , що означає, що вони можуть зберігати точні дані орієнтації протягом тривалого часу. Натомість, інерційні модулі споживчого класу зі швидкістю дрейфу до 100 градусів/годину можуть швидко стати ненадійними у виконанні таких важливих завдань.
Роль калібрування та об'єднання даних датчиків
Навіть найточніші інерційні блоки (ІББ) потребують регулярного калібрування , щоб забезпечити надійну роботу з часом. Калібрування допомагає врахувати дрейф датчика, зміни температури та механічний знос. Без належного калібрування навіть високоякісний ІББ може погіршити свою продуктивність.
У багатьох системах об'єднання даних датчиків використовується для подальшого підвищення точності. Поєднуючи дані IMU з іншими датчиками, такими як GPS або магнітометри , можна виправити дрейф та підвищити загальну надійність системи. Це особливо поширено у високопродуктивних застосуваннях, таких як автономні транспортні засоби або ракетні системи , де резервування та точність є критично важливими.
Як може допомогти GuideNav
У GuideNav ми пропонуємо повний асортимент датчиків IMU всіх рівнів точності — від промислового до тактичного та навігаційного . Незалежно від того, чи потрібне ваше застосування відстеження руху, чи високоточна навігація в критичних середовищах, у нас є правильний IMU, який задовольнить ваші потреби.
Наші продукти відомі своєю високою точністю та надійністю. Ми пропонуємо різноманітні функції для зменшення поширених проблем з інерційними системами (ІМС), зокрема:
- Складні методи калібрування, що мінімізують дрейф та забезпечують стабільну роботу.
- Потужне програмне забезпечення, розроблене для придушення шуму та підвищення точності даних IMU.
- Вичерпні посібники та експертна підтримка, які допоможуть користувачам повною мірою використовувати можливості своїх інерційних блоків (IMU).
GuideNav – чудова відправна точка, якщо ви шукаєте ідеальний IMU для своїх потреб.
