وحدة قياس بالقصور الذاتي

لتغطية أوسع لـ هذا الموضوع، انظر Inertial navigation system.
وحدة قياس أپولو بالقصور الذاتي
أپولو IMU, الذي يقوم بدمج مرجع القصور الذاتي (IRIGs,Xg,Yg,Zg) بتغيرات تحسس الجيروسكوب و نبضات التكامل لمقاييس التسارع (PIPAs,Xa,Ya,Za) المتغيرة السرعة

وحدة قياس بالقصور الذاتي inertial measurement unit (IMU) عبارة عن جهاز إلكتروني يقيس ويبلغ عن القوة معينة ، والمعدل الزاوي ، وأحيانًا اتجاه الجسم ، باستخدام مجموعة من مقاييس التسارع ، الجيروسكوب ، وأحيانًا أجهزة قياس المغنطيسية. تُستخدم IMU عادةً لمناورة الطائرات (النظام المرجعي للسلوك والعنوان) ، بما في ذلك المركبات الجوية بدون طيار (الطائرات بدون طيار) ، من بين أمور أخرى كثيرة ، و المركبة الفضائية ، بما في ذلك الأقمار الصناعية و مركبة فضائية الهابطة. تسمح التطورات الأخيرة بإنتاج أجهزة GPS تدعم IMU. يسمح IMU لجهاز استقبال GPS بالعمل عند عدم توفر إشارات GPS ، كما هو الحال في الأنفاق أو داخل المباني أو عند وجود تداخل إلكتروني.[1] تُعرف IMU لاسلكي بـ WIMU.[2][3][4][5]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

المبادئ التشغيلية

وحدة ملاحة بالقصور الذاتي بالفرنسية IRBM S3.
تعمل IMUs ، جزئيًا ، من خلال الكشف عن التغييرات في انحدار ، واللف والانعطاف.

تعمل وحدة القياس بالقصور الذاتي عن طريق الكشف عن التسارع الخطي باستخدام واحد أو أكثر من مقياس التسارع ومعدل الدوران باستخدام جيروسكوب واحد أو أكثر .[6] يشتمل بعضها أيضًا على مقياس المغناطيسية الذي يُستخدم عادةً كمرجع عنوان. تحتوي التكوينات النموذجية على مقياس تسارع واحد ، وجيروسكوب ، ومقياس مغناطيسي لكل محور لكل من المحاور الرئيسية الثلاثة: انحدار ، واللف والانعطاف.


استخدامات

غالبًا ما يتم دمج IMUs في نظام الملاحة بالقصور الذاتي التي تستخدم قياسات IMU الأولية لحساب السلوك ، والمعدلات الزاوية ، والسرعة الخطية والموضع بالنسبة للإطار المرجعي العالمي. تشكل INS المجهزة IMU العمود الفقري للملاحة والسيطرة على العديد من المركبات التجارية والعسكرية مثل الطائرات المأهولة والصواريخ والسفن والغواصات والأقمار الصناعية. تعتبر IMUs أيضًا مكونات أساسية في توجيه ومراقبة الأنظمة غير المأهولة مثل UAVs و UGVs و UUVs. تستخدم الإصدارات الأبسط من INSs التي تسمى السلوك المرجعي للسلوك و العنوان IMUs لحساب سلوك السيارة مع العنوان المتعلق بالشمال المغناطيسي. تسمح البيانات التي تم جمعها من مستشعرات IMU للكمبيوتر بتتبع موضع المركبة ، باستخدام طريقة تعرف باسم dead reckoning.

في المركبات البرية ، يمكن دمج وحدة IMU في نظام نظام ملاحة السيارات أو نظام تعقب المركبات ، مما يمنح النظام قدرة حساب ميتة والقدرة على جمع أكبر قدر ممكن من البيانات الدقيقة حول السرعة الحالية للسيارة ، ومعدل الدوران ، والعنوان ، والميل ، والتسارع ، بالاقتران مع خرج حساس سرعة العجلة في السيارة ، وإذا كان ذلك متاحًا ، إشارة الترس العكسي ، لأغراض مثل تحليل أفضل لتصادم حركة المرور.

إلى جانب الأغراض الملاحية ، تعمل IMUs كأجهزة استشعار للتوجيه في العديد من المنتجات الاستهلاكية. تحتوي جميع الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية تقريبًا على IMUs كأجهزة استشعار للتوجيه. قد تتضمن أدوات تتبع اللياقة البدنية وغيرها من الأجهزة القابلة للارتداء أيضًا من وحدات IMU لقياس الحركة ، مثل الجري. تتمتع IMUs أيضًا بالقدرة على تحديد مستويات النمو للأفراد عند الحركة من خلال تحديد خصوصية وحساسية الپارامترات المحددة المرتبطة بالتشغيل. تستخدم بعض أنظمة الألعاب مثل أجهزة التحكم عن بُعد الخاصة بـ ننتندو Wii IMUs لقياس الحركة. مكنت IMUs منخفضة التكلفة من انتشار صناعة الطائرات بدون طيار للمستهلك. كما أنها تستخدم بشكل متكرر لتكنولوجيا الرياضة (التدريب الفني),[7] وتطبيقات الرسوم المتحركة. إنها تقنية منافسة للاستخدام في تقنية التقاط الحركة.[8] إن IMU هو في صميم تقنية الموازنة المستخدمة في Segway الناقل الشخصي.

في الملاحة

وحدة قياس القصور الذاتي الحديثة للمركبات الفضائية.

في نظام الملاحة ، يتم إدخال البيانات التي أبلغ عنها IMU في معالج حيث يقوم بحساب السلوك والسرعة والموضع.[9] يدمج التطبيق النموذجي المشار إليه باسم نظام الشريط السفلي بالقصور الذاتي المعدل الزاوي من الجيروسكوب لحساب الموضع الزاوي. يتم دمج هذا مع ناقل الجاذبية المُقاس بواسطة مقاييس التسارع في مرشح كالمَن لتقدير السلوك. يتم استخدام تقدير السلوك لتحويل قياسات التسارع إلى إطار مرجعي بالقصور الذاتي (ومن ثم مصطلح التنقل بالقصور الذاتي) حيث يتم دمجها مرة واحدة للحصول على السرعة الخطية ، ومرتين للحصول على الموضع الخطي.[10][11][12]

على سبيل المثال ، إذا كانت وحدة IMU المثبتة في طائرة متحركة على طول متجه باتجاه معين ، يُقاس تسارع الطائرة كما5 m/s2 لمدة ثانية واحدة ، ثم بعد تلك الثانية سيستنتج الكمبيوتر التوجيهي أن الطائرة يجب أن تسافر في 5 m/s ويجب أن تكون 2.5 متر من موقعها الأولي (على افتراض v0=0 و إحداثيات موقع البداية معروفة x0, y0, z0). إذا تم دمجها مع خريطة ورقية ميكانيكية أو أرشيف خريطة رقمية (الأنظمة التي يُعرف ناتجها عمومًا باسم عرض الخريطة المتحركة نظرًا لأن إخراج موضع نظام التوجيه غالبًا ما يتم اعتباره كنقطة مرجعية ، مما يؤدي إلى خريطة متحركة) ، يمكن أن يستخدم نظام التوجيه هذه الطريقة لإظهار موقع الطائرة للطيار جغرافيًا في لحظة معينة ، كما هو الحال مع نظام ملاحة GPS - ولكن دون الحاجة إلى الاتصال أو تلقي اتصالات من أي مكونات خارجية ، مثل الأقمار الصناعية أو أجهزة الإرسال اللاسلكية الأرضية ، على الرغم من أن المصادر الخارجية لا تزال تستخدم من أجل تصحيح أخطاء الانجراف ، وبما أن تردد تحديث الموقع الذي تسمح به أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي يمكن أن يكون أعلى ، يمكن اعتبار حركة السيارة على عرض الخريطة أكثر سلاسة. تسمى طريقة التنقل هذه الحساب الميت.

تم تصميم وبناء واحدة من أقدم الوحدات من قبل شركة فورد للمعدات لصالح القوات الجوية الأمريكية لمساعدة الطائرات على التنقل أثناء الطيران دون أي مدخلات من خارج الطائرة. تسمى مؤشر الموقع الأرضي ، بمجرد دخول الطيار في خط الطول وخط العرض للطائرة عند الإقلاع ، ستظهر الوحدة للطيار خط الطول وخط العرض بالنسبة إلى الأرض.[13] أنظمة التتبع الموضعية مثل GPS 

[14] يمكن استخدامها لتصحيح أخطاء الانحراف باستمرار (تطبيق مرشح كالمَن).

سلبيات

السلبية الرئيسية لاستخدام IMUs للملاحة هو أنها عادة ما تعاني من خطأ متراكم. نظرًا لأن نظام التوجيه يدمج التسارع باستمرار فيما يتعلق بالوقت لحساب السرعة والموضع (انظر الحساب الميت) ، يتم تراكم أي أخطاء قياس ، مهما كانت صغيرة ، بمرور الزمن. وهذا يؤدي إلى "الانجراف": وهو فرق متزايد باستمرار بين المكان الذي يعتقد النظام أنه يقع فيه والموقع الفعلي. بسبب التكامل ، ينتج عن خطأ ثابت في التسارع خطأ خطي في السرعة ونشوء خطأ تربيعي في الموضع.ينتج عن خطأ ثابت في معدل الموقف (الدوران) خطأ تربيعي في السرعة ونشوء خطأ مكعب في الموضع.[15]

أنظمة التتبع الموضعية مثل GPS [16]يمكن استخدامها لتصحيح أخطاء الانحراف باستمرار (تطبيق مرشح كالمَن).

أداء

توجد مجموعة متنوعة جدًا من IMUs ، اعتمادًا على أنواع التطبيقات ، مع نطاق أداء:[17]

  • من 0.1 °/s إلى 0.001 °/h للجيروسكوب
  • من 100 mg إلى 10 µg لأجهزة قياس التسارع.

للحصول على فكرة تقريبية ، هذا يعني أنه بالنسبة لمقياس تسارع واحد غير مصحح ، فإن أرخص (عند 100 mg) يفقد قدرته على إعطاء دقة 50 مترًا بعد حوالي 10 ثوان ، بينما يفقد أفضل مقياس تسارع (عند 10 µg) 50 مترًا الدقة بعد حوالي 17 دقيقة.[18]

إن دقة أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي داخل نظام قياس القصور الذاتي الحديث (IMU) لها تأثير أكثر تعقيدًا على أداء أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي (IMS) ويمكن العثور عليها في [1].

أخطاء الحساس

غالبًا ما يتم تمثيل سلوك الجيروسكوب ومستشعرات التسارع عبر نموذج يستند إلى الأخطاء التالية ، على افتراض أن لديهم نطاق القياس وعرض النطاق المناسب:

  • خطأ الإزاحة: يمكن تقسيم هذا الخطأ بين أداء الاستقرار (الانجراف بينما يظل المستشعر في ظروف ثابتة) والتكرار (الخطأ بين قياسين في ظروف مماثلة مفصولين بظروف متنوعة بين اثنين)
  • خطأ عامل المقياس: أخطاء في حساسية الدرجة الأولى بسبب عدم التكرار وعدم الخطية
  • خطأ عدم التوافق: بسبب التركيب الميكانيكي غير الكامل
  • حساسية المحور المتقاطع: القياس الطفيلي الناجم عن الالتماس على طول المحور المتعامد مع محور الاستشعار
  • الضجيج: يعتمد على الأداء الديناميكي المطلوب
  • حساسية البيئة: حساسية بشكل رئيسي للتدرجات الحرارية والتسارع

تعتمد كل هذه الأخطاء على الظواهر الفيزيائية المختلفة الخاصة بكل تقنية استشعار. اعتمادًا على التطبيقات المستهدفة والقدرة على الاختيار الصحيح للمستشعر ، من المهم جدًا مراعاة الاحتياجات المتعلقة بالاستقرار والتكرار وحساسية البيئة (بشكل أساسي البيئات الحرارية والميكانيكية) ، على المدى القصير والطويل. الأداء المستهدف للتطبيقات أفضل في معظم الأوقات من الأداء المطلق لأجهزة الاستشعار. ومع ذلك ، يمكن تكرار أداء المستشعر بمرور الوقت بدقة أكثر أو أقل ، وبالتالي يمكن تقييمه وتعويضه لتحسين أدائه. يعتمد تحسين الأداء في الوقت الفعلي على كل من أجهزة الاستشعار ونماذج IMU. سيتم بعد ذلك اختيار درجة تعقيد هذه النماذج وفقًا للأداء المطلوب ونوع التطبيق المطلوب. تعد القدرة على تحديد هذا النموذج جزءًا من أجهزة الاستشعار ومصنعي IMU. يتم حساب أجهزة الاستشعار ونماذج IMU في المصنع من خلال تسلسل معايرة مخصص باستخدام قرص دوار متعدد المحاور وحجرة مناخية. يمكن إما حسابها لكل منتج فردي أو عام للإنتاج بأكمله. ستعمل المعايرة عادةً على تحسين الأداء الخام لأجهزة الاستشعار لمدة عقدين على الأقل.

تركيب

طرف أپولو IMU المستقر

في كثير من الأحيان يتم تعليق وحدات IMU عالية الأداء ، أو وحدات IMU المصممة للعمل في ظل ظروف قاسية بواسطة ممتصات الصدمات. ممتصات الصدمات هذه مطلوبة لإتقان ثلاثة تأثيرات:

  • تقليل أخطاء الحساسات الناتجة عن عمليات التماس البيئة الميكانيكية
  • حماية أجهزة الاستشعار لأنها يمكن أن تتلف بسبب الصدمات أو الاهتزازات
  • تحتوي على حركة IMU طفيلية ضمن نطاق ترددي محدود ، حيث ستكون المعالجة قادرة على تعويضها.

يمكن أن تقدم وحدات IMU المعلقة أداءً عاليًا للغاية ، حتى عند إرسالها إلى البيئات القاسية. ومع ذلك ، للوصول إلى هذا الأداء ، من الضروري تعويض ثلاثة سلوكيات رئيسية ناتجة:

  • المخروطية: تأثير طفيلي يسببه دورانان متعامدان
  • التجديف: هو تأثير طفيلي ناتج عن تسارع متعامد مع دوران
  • تأثيرات التسارع بالطرد المركزي.

يميل تقليل هذه الأخطاء إلى دفع مصممي IMU لزيادة ترددات المعالجة ، الأمر الذي يصبح أسهل باستخدام التقنيات الرقمية الحديثة. ومع ذلك ، فإن تطوير خوارزميات قادرة على إلغاء هذه الأخطاء يتطلب معرفة بالقصور الذاتي العميق والوحدة القوية مع أجهزة الاستشعار / تصميم IMU. من ناحية أخرى ، إذا كان من المحتمل أن يؤدي التعليق إلى تمكين أداء IMU ، فإن له تأثيرًا جانبيًا على الحجم والكتلة.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ^ "GPS system with IMUs tracks first responders". Archived from the original on 2012-10-03. Retrieved 2011-06-16.
  2. ^ http://www.patentstorm.us/patents/5067084/description.html Archived 2009-12-13 at the Wayback Machine Description of IMU aiding from Roll isolated Gyro
  3. ^ Inertial Navigation: 40 Years of Evolution - Overview at http://www.imar-navigation.de www.imar-navigation.de
  4. ^ http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/toolbox/aeroblks/index.html?/access/helpdesk/help/toolbox/aeroblks/threeaxisinertialmeasurementunit.html Three Axis IMU
  5. ^ http://www.starlino.com/imu_guide.html A Guide To using IMU (Accelerometer and Gyroscope Devices) in Embedded Applications
  6. ^ Iosa, Marco; Picerno, Pietro; Paolucci, Stefano; Morone, Giovanni (2016). "Wearable inertial sensors for human movement analysis". Expert Review of Medical Devices. 13 (7): 641–659. doi:10.1080/17434440.2016.1198694. ISSN 1743-4440. PMID 27309490.
  7. ^ "An IMU-based Sensor Network to Continuously Monitor Rowing Technique on the Water". ethz.ch.
  8. ^ "The fascination for motion capture - Xsens 3D motion tracking". xsens.com.
  9. ^ "GNSS/INS". Xsens 3D motion tracking (in الإنجليزية الأمريكية). Retrieved 2019-01-22.
  10. ^ "OpenShoe". www.openshoe.org (in الإنجليزية الأمريكية). Retrieved 2018-04-04.
  11. ^ "GT Silicon Pvt Ltd". www.gt-silicon.com. Retrieved 2018-04-04.
  12. ^ Nilsson, J. O.; Gupta, A. K.; Händel, P. (October 2014). "Foot-mounted inertial navigation made easy". 2014 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN): 24–29. doi:10.1109/IPIN.2014.7275464. ISBN 978-1-4673-8054-6.
  13. ^ "Robot Navigator Guides Jet Pilots." Popular Mechanics, May 1954, p. 87.
  14. ^ IV, Hyatt Moore. "Moore Stanford Research" (PDF). web.stanford.edu.
  15. ^ Siciliano, Bruno; Khatib, Oussama (20 May 2008). Springer Handbook of Robotics. Springer Science & Business Media. ISBN 9783540239574 – via Google Books.
  16. ^ IV, Hyatt Moore. "Moore Stanford Research" (PDF). web.stanford.edu.
  17. ^ "IMU, what for: performance per application infographic - Thales Group". www.thalesgroup.com.
  18. ^ Calculated from reversing S=1/2.a.t^2 into t=√(2s/a), where s=distance in meters, a is acceleration (here 9.8 times g), and t is time in seconds.
تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=وحدة_قياس_بالقصور_الذاتي&oldid=3860916"