Инерциялық өлшеу модулі

Инерциялық өлшеу модулі (IMU) — меншікті күш, бұрыштық жылдамдық және кейде дененің кеңістіктегі бағдарын өлшейтін электрондық құрылғы. Ол акселерометрлер, гироскоптар және кейде магнитометрлер комбинациясын қолданады. Магнитометр қосылған жағдайда IMU құрылғылары IMMU деп аталады.^[1]

IMU құрылғылары қазіргі заманғы көлік құралдарын басқаруда кеңінен қолданылады, соның ішінде мотоциклдер, зымырандар, ұшақтар (бағдар және бағдарлау жүйелері), ұшқышсыз ұшу аппараттары (UAV), сондай-ақ ғарыш аппараттары, жерсеріктер және қону аппараттары. Соңғы жетістіктер IMU қолдайтын GPS құрылғыларын жасауға мүмкіндік берді; IMU GPS сигналы жоқ жағдайда, мысалы туннельдерде, ғимарат ішінде немесе электрондық кедергілер кезінде GPS қабылдағышының жұмысын жалғастыруына мүмкіндік береді.^[2]

IMU құрылғылары виртуалды шындық гарнитураларында, смартфондарда, сондай-ақ Wii Remote, Steam Controller, Nintendo Switch Pro Controller және DualSense сияқты қозғалысты бақылайтын ойын контроллерлерінде қолданылады.

Жұмыс істеу принципі

Инерциялық өлшеу модулі бір немесе бірнеше акселерометр арқылы сызықтық үдеуді және бір немесе бірнеше гироскоп арқылы айналу жылдамдығын анықтау арқылы жұмыс істейді.^[3] Кейбір үлгілерде бағытты анықтау үшін қолданылатын магнитометр де болады. Кейбір IMU құрылғылары, мысалы Adafruit компаниясының 9-DOF IMU модулі, температура датчигі сияқты қосымша сенсорларды қамтиды.^[4] Кәдімгі конфигурацияда үш негізгі осьтің тангаж, крен және иілу әрқайсысына бір акселерометр, бір гироскоп және бір магнитометр орнатылады.

Қолданылуы

IMU құрылғылары көбіне инерциялық навигация жүйелерінің құрамына кіреді. Мұндай жүйелер IMU-дан алынған бастапқы деректерді пайдаланып, кеңістіктегі бағдарды, бұрыштық жылдамдықты, сызықтық жылдамдықты және жаһандық координаталар жүйесіне қатысты орынды есептейді.

IMU негізіндегі INS жүйелері азаматтық және әскери техникалардың навигациясы мен басқаруының негізгі бөлігі болып табылады, мысалы:

пилотталатын ұшақтар,
зымырандар,
кемелер,
сүңгуір қайықтар,
жерсеріктер.

IMU құрылғылары ұшқышсыз ұшу аппараттары (UAV), ұшқышсыз жерүсті көліктері (UGV) және ұшқышсыз суасты аппараттары (UUV) сияқты автономды жүйелерді басқаруда да маңызды рөл атқарады.

INS жүйесінің жеңілдетілген нұсқалары AHRS деп аталады және олар магниттік солтүстікке қатысты кеңістіктегі бағдарды есептеу үшін IMU қолданады.

IMU сенсорларынан алынған деректер компьютерге аппараттың орнын инерциялық есептеу әдісі арқылы бақылауға мүмкіндік береді. Бұл деректер әдетте үш негізгі ось бойынша айналу бұрыштарын сипаттайтын Эйлер векторлары немесе кватерниондар түрінде беріледі.

Жерүсті көліктерінде IMU құрылғылары GPS негізіндегі автомобильдік навигация жүйелеріне немесе көлік бақылау жүйелеріне біріктірілуі мүмкін. Бұл жүйеге GPS сигналы жоғалған жағдайда орынды есептеуді жалғастыруға мүмкіндік береді, сондай-ақ көліктің:

жылдамдығы,
бұрылу жылдамдығы,
бағыты,
көлбеулігі,
үдеуі

туралы нақты деректерді жинауға көмектеседі.

Навигациядан бөлек, IMU құрылғылары көптеген тұрмыстық құрылғыларда бағдар сенсоры ретінде қолданылады. Қазіргі смартфондар мен планшеттердің көпшілігінде IMU бар. Фитнес-білезіктер мен басқа тағылатын құрылғылар қозғалысты, мысалы жүгіруді, бақылау үшін IMU пайдаланады.

IMU технологиясы сондай-ақ:

ойын индустриясында,
спорттық жаттығулар технологиясында,
анимацияда,
қозғалысты түсіру жүйелерінде

қолданылады.

IMU құрылғыларының арзандауы тұтынушылық дрон индустриясының кең таралуына ықпал етті. Сонымен қатар, Segway Personal Transporter тепе-теңдік жүйесінің негізінде де IMU технологиясы жатыр.

Навигацияда

Инерциялық навигация жүйесі

Навигациялық жүйеде IMU берген деректер процессорға жіберіледі, ол биіктікті, жылдамдықты және орынды есептейді.^[5]

Көп таралған тәсілдердің бірі Strap Down Inertial System деп аталады. Онда гироскоптан алынған бұрыштық жылдамдық деректері бұрыштық орынды есептеу үшін интегралданады. Бұл мәліметтер акселерометр өлшеген ауырлық векторымен бірге Калман сүзгісі арқылы біріктіріліп, кеңістіктегі бағдар анықталады.

Алынған бағдар акселерометр үдеуін инерциялық координаталар жүйесіне түрлендіру үшін пайдаланылады. Кейін бұл үдеу:

бір рет интегралданса — сызықтық жылдамдық,
екі рет интегралданса — сызықтық орын

есептеледі.^[6]

IMU қолданылатын навигациялық жүйелердің негізгі кемшілігі — қателіктің уақыт өте жиналуы (drift). Себебі жүйе үдеуді уақыт бойынша үздіксіз интегралдайды, сондықтан өте кішкентай өлшеу қатесі де уақыт өте үлкен орын ауытқуына әкеледі.

Өнімділігі

IMU құрылғыларының түрлері өте көп және олардың сипаттамалары қолданылу саласына байланысты өзгереді:

гироскоп дәлдігі: 0.1°/с бастап 0.001°/сағ дейін;
акселерометр дәлдігі: 100 mg бастап 10 μg дейін.

Заманауи IMU құрылғыларындағы сенсорлардың дәлдігі инерциялық навигация жүйесінің жұмысына айтарлықтай әсер етеді.^[7]

Негізгі қателік түрлері:

ығысу қатесі (offset error),
масштаб коэффициентінің қатесі,
орнату дәлсіздігі,
осьаралық сезімталдық,
шу,
температура мен механикалық әсерлерге сезімталдық.

Құрастырылуы

Жоғары дәлдіктегі немесе ауыр жағдайларда жұмыс істейтін IMU құрылғылары көбіне амортизаторлар арқылы бекітіледі. Бұл:

механикалық діріл әсерін азайтады,
сенсорларды соққыдан қорғайды,
паразиттік қозғалыстарды шектейді.

Сымсыз IMU құрылғысы WIMU деп аталады.

Сондай-ақ қараңыз

Жарты шар тәрізді резонатор гироскопы
PIGA акселерометрі
Шулер тюнингі
Діріл құрылымды гироскоп
Intelsat 708 — апат себебі ретінде кейін IMU істен шығуы анықталған қытайлық зымыран

Дереккөздер

↑ Fang, Bin; Sun, Fuchun; Liu, Huaping; Liu, Chunfang (2018). "3D human gesture capturing and recognition by the IMMU-based data glove". Neurocomputing 277: 198–207. doi:10.1016/j.neucom.2017.02.101. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925231217314054. Retrieved 2022-09-02.
↑ GPS system with IMUs tracks first responders. Басты дереккөзінен мұрағатталған 3 қазан 2012. Тексерілді, 16 маусым 2011.
↑ 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.
↑ Adafruit 9-DOF Absolute Orientation IMU Fusion Breakout - BNO055. Adafruit. Тексерілді, 21 мамыр 2024.
↑ GNSS/INS (ағыл.). Xsens 3D motion tracking. Басты дереккөзінен мұрағатталған 22 қаңтар 2019. Тексерілді, 22 қаңтар 2019.
↑ OpenShoe (ағыл.). www.openshoe.org. Тексерілді, 4 сәуір 2018.
↑ von Hinüber, Edgar If you intend to use an inertial measurement system. FAQ for using inertial Technology. (21 шілде 2024). Тексерілді, 21 шілде 2024.

[1] Fang, Bin; Sun, Fuchun; Liu, Huaping; Liu, Chunfang (2018). "3D human gesture capturing and recognition by the IMMU-based data glove". Neurocomputing 277: 198–207. doi:10.1016/j.neucom.2017.02.101. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925231217314054. Retrieved 2022-09-02.

[2] GPS system with IMUs tracks first responders. Басты дереккөзінен мұрағатталған 3 қазан 2012. Тексерілді, 16 маусым 2011.

[IosaPicerno2016-3] 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.

[4] Adafruit 9-DOF Absolute Orientation IMU Fusion Breakout - BNO055. Adafruit. Тексерілді, 21 мамыр 2024.

[5] GNSS/INS (ағыл.). Xsens 3D motion tracking. Басты дереккөзінен мұрағатталған 22 қаңтар 2019. Тексерілді, 22 қаңтар 2019.

[6] OpenShoe (ағыл.). www.openshoe.org. Тексерілді, 4 сәуір 2018.

[7] von Hinüber, Edgar If you intend to use an inertial measurement system. FAQ for using inertial Technology. (21 шілде 2024). Тексерілді, 21 шілде 2024.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]