Was beeinflusst die Genauigkeit der IMU (Inertial Measurement Unit)?

Kontext

Ich muss die Leistung eines Systems analysieren, das Trägheitssensorwerte als Eingabe verwendet. Meine Kenntnisse über IMUs sind sehr grundlegend, da ich nur einige Einführungstexte gelesen habe.

Mein Verständnis ist, dass sich die IMU-Genauigkeit bei kontinuierlicher Verwendung aufgrund von Drift verschlechtert, was zu akkumulierten Fehlern führt.

Fragen

Welche anderen Betriebsfaktoren (dh nicht das spezifische Gerät / die spezifischen Komponenten, sondern IMUs im Allgemeinen) beeinflussen die Genauigkeit von IMUs?

Ich habe in meiner Anwendung festgestellt, dass sich die Systemleistung verschlechtert, wenn sich das Objekt bewegt, insbesondere wenn die Bewegung schnell ist, und sich dann verbessert, sobald die Bewegung langsamer wird und zum Stillstand kommt. Welche Aspekte von IMUs verursachen dies?

BEARBEITEN

Genauer gesagt geben die Sensoren die Orientierung als Quaternionen an (Rotationsversatz vom Sensorkoordinatensystem zu einem globalen Koordinatensystem). Der Fehler schwankt mit der Zeit (Dauer ca. 15 Sekunden), es gibt jedoch keine zeitliche Neigung des Fehlers. Auf dieser Grundlage glaube ich, dass die IMU-Drift hier kein Problem darstellt.

Was mich interessiert zu verstehen, ist, warum der Schätzfehler der Ausrichtung des Objekts basierend auf dem Ausmaß und der Geschwindigkeit der Bewegung des Objekts schwankt.

Wenn es hilft, verwende ich Xsen MTx IMUs.

Ich habe festgestellt, dass einige Beschleunigungsmesser und Gyros einen gewissen Memory-Effekt haben.

Sie können beispielsweise ein Beschleunigungsmesser horizontal platzieren und den Messwert auf Null setzen. Ich werde nahe Null bleiben, aber natürlich immer noch ein wenig driften. Bewegen Sie es nun seitwärts und wieder zurück in die ursprüngliche Position, und der Messwert wird nicht mehr Null sein. Je stärker und plötzlicher die Bewegung ist, desto mehr scheint sich der Nullpunktversatz zu ändern.

Es ist diese unvorhersehbare Verschiebung des Nullwerts, die die Trägheitsnavigation über einen längeren Zeitraum durcheinander bringt. Manchmal dauert es bei MEM-Gyros und Beschleunigungsmessern nur wenige Sekunden.

Ich habe einmal ein Sportkopf-Tracking-Gerät durchgeführt, und selbst wenn Sie die Person vor dem Starten einer Bewegung ruhig halten würden, wäre die Position nach ein paar Sekunden unbrauchbar. Glücklicherweise war das lang genug, und wir haben den Algorithmus so konzipiert, dass Dinge wie Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit direkt verwendet werden, anstatt sich stark auf ihre Integrale zu verlassen. Dies war mit ziemlich billigen MEMs-Einheiten.

Die korrekte Achsenausrichtung ist eine: Lineare Sensoren haben lineare Übertragungsfunktionen zwischen den tatsächlichen Nick- / Gier- / Roll- / 3D-Beschleunigungsachsen und den Ausgängen jedes entsprechenden Sensors (oder einer Teilmenge davon, wenn Sie keine vollständige 6-Achsen-IMU verwenden ).

Idealerweise ist die Übertragungsfunktion die Identitätsmatrix: Die Bewegung in jeder beabsichtigten Achse wirkt sich nur auf die entsprechende Achse aus. In realen Systemen gibt es eine Kreuzkopplung, die von der Sensorausrichtung abhängt. Wenn Sie beispielsweise um 1 Grad versetzt sind, erhalten Sie auf einer Achse ein kleines Ausgangssignal für die Bewegung auf einer anderen Achse.

Ein weiterer Faktor hat mit der Nichtlinearität zu tun, die sehr stark von dem speziellen Mechanismus abhängt, der für die Erfassung verwendet wird. Pendel- oder Fluidneigungssensoren bei großen Winkelverschiebungen weisen Linearitätsprobleme auf.

Selbst die beste IMU wird einen Fehler haben. Normalerweise summieren sich diese Fehler im Laufe der Zeit bis zu dem Punkt, an dem ihre Ausgabe unbrauchbar wird. Natürlich haben die besseren Einheiten weniger Fehler, daher dauert es länger, bis sich die Fehler aufgebaut haben - aber sie bauen sich trotzdem auf.

Normalerweise haben IMUs eine Methode, um diese Fehler zu beseitigen. Dazu verwenden sie mehrere Sensoren, die sich gegenseitig ergänzen. Zum Beispiel hat ein GPS eine große Langzeitgenauigkeit (Ferngespräche oder lange Zeiträume), aber eine schreckliche Kurzzeitgenauigkeit. Ein Beschleunigungsmesser ist das Gegenteil und hat eine schreckliche Langzeitgenauigkeit, aber eine ziemlich gute Kurzzeitgenauigkeit. Mit beiden Sensortypen können Sie das Beste aus beiden Welten herausholen.

Natürlich verstößt ein GPS etwas gegen den "internen" Teil der IMU, aber Sie haben die Idee. Es ist unmöglich, eine IMU zu erhalten, die ohne externe Eingabe (GPS, Sternentracker usw.) für immer funktioniert, da selbst bei den besten Systemen immer eine Fehlerquelle auftritt, die sich im Laufe der Zeit ansammelt.

Es ist jedoch unmöglich, Ihnen eine detailliertere Antwort zu geben als "Fehler, die sich im Laufe der Zeit aufbauen", ohne sich die genauen verwendeten Sensoren anzusehen - und wie diese Sensordaten in die endgültige Ausgabe integriert werden.

Bei landwirtschaftlichen Präzisionslandwirtschaftsmaschinen (GPS-gesteuerte Traktoren) werden häufig IMUs verwendet, um den Antennenversatz des Traktors zu korrigieren. Wenn ein Traktor kippt, bewegt sich die Antenne außerhalb Ihres vorgegebenen Fahrwegs. Die RTK-DGPS-Geräte können bis zu 1 cm XY (2 cm Z) genau messen, daher müssen Sie dies korrigieren. Glücklicherweise ist es möglich, redundante Systeme zu haben: Roll / Pitch kann mit Inclino und Gyro durchgeführt werden, wobei ein Gieren mit Gyro und der gefahrenen Route durchgeführt werden kann. Um eine hohe Datenrate mit genauen Winkeln zu erhalten, müssen Sie verschiedene Geräte kombinieren.

Jeder Sensor hat eine begrenzte Bandbreite. Ein Inclino ist ein absolutes Messgerät mit geringer Bandbreite. Es kann einige Sekunden dauern, bis ein stabiles Signal vorliegt: Es ist absolut.

Ein Kreisel kann die Winkelgeschwindigkeit messen und kann integriert werden, um einen Versatz zu erhalten, sodass Sie einen anderen Winkel erhalten. Wenn Sie es mit dem Inclino-Wert filtern, erhalten Sie einen Live-Winkel. Kreisel haben jedoch eine Grenze, wie viel Grad / Sekunde sie auch genau messen können. Wenn es schief geht, sollte es nicht wegdriften, weil es mit einem Inclino korrigiert wird.