Kann ich die Daten eines Beschleunigungsmessers „integrieren“, um eine Bewegungsbahn aufzuzeichnen?

Ich möchte ein mit einem Beschleunigungsmesser ausgestattetes Gerät verwenden, um eine Bewegungsbahn mit möglichst hoher Auflösung und geringem Rauschen aufzuzeichnen. Nehmen wir zum Beispiel an, ich laufe eine Joggingroute von 6 Kilometern und kehre genau an den Ort zurück, an dem ich angefangen habe. Ich habe also die Idee, dass ich möglicherweise auf ein GPS-Modul verzichten und die Daten von einem Beschleunigungsmesser, beispielsweise einem ADXL345, mit konstanter Geschwindigkeit aufzeichnen könnte .

Meine Fragen also:

Kann ich einen 3-Achsen-Beschleunigungsmesser verwenden, um zweimal zu integrieren, von Beschleunigung über Geschwindigkeit bis hin zu Entfernungen?
Wenn die Einschränkung darin besteht, dass ich an den genauen Ort zurückkehre, an dem ich begonnen habe, kann ich eine Fehlerkorrektur auf die Trajektorie anwenden, die die Drift kompensiert, sodass die letzte (x, y, z) Koordinate der aufgezeichneten und integrierten Daten wird identisch mit dem ersten?
Sagen wir, ich renne von Ort A nach B und wieder zurück nach A. Wenn ich die erwähnte Driftkorrektur anwende, habe ich immer noch eine aussagekräftige / korrekte Position von Punkt B?

Wenn nicht, wie würde ich das erreichen? Muss ich den Beschleunigungsmesser mit einem GPS kombinieren?

sensor gps

— 0__
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Leider ist keine Ihrer Fragen spezifisch für den Raspberry Pi und hier nicht zum Thema. Wenn Sie sich Ihre Themen ansehen, werden Sie wahrscheinlich die größte Hilfe im Physik-Forum finden .

— Goobering

Dies erscheint ziemlich weit gefasst und würde wahrscheinlich einen Aufsatz für eine Antwort erfordern.

— Joan

Nun, ich würde gerne wissen, ob jemand so etwas auf dem Raspberry Pi gemacht hat. Die drei Fragen können so kurz wie Ja / Nein oder hoffentlich mit ein oder zwei Sätzen beantwortet werden. Ich sehe nicht, wie dies eine besonders breite Frage ist. Ist es machbar oder nicht? Wenn nicht, welcher Ansatz ist besser?

— 0__

Wie Mkeith sagt, benötigen Sie mindestens auch einen Kreisel (und Sie können ICs mit beiden integrierten kaufen), ABER zu so geringen Kosten hat die so gebildete Trägheitsnavigationseinheit aufgrund verschiedener Fehler nur eine kurzfristige Genauigkeit.

— Russell McMahon

Notieren Sie die Rohdaten vom Beschleunigungsmesser für einen Probelauf (beginnen Sie mit einem kurzen). Laden Sie es in Matlab - oder sogar in eine Tabelle und integrieren Sie es doppelt. Sehen Sie, wo es endet.

— Brian Drummond

Antworten:

Nein, dies funktioniert theoretisch oder praktisch nicht, da Sie keine Sensoren zur Erfassung der Rotationsbewegung haben. Wenn Sie einen Beschleunigungsmesser drehen, kann er nicht erkennen, dass sich sein Koordinatensystem in Bezug auf das gewünschte Koordinatensystem gedreht hat. Was Sie versuchen, wird als Trägheitsnavigation bezeichnet. Für die Trägheitsnavigation benötigen Sie im Prinzip einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser sowie einen dreiachsigen Kreisel (oder Winkelgeschwindigkeitssensor), um die Drehbewegung zu erfassen. Anschließend können die Beschleunigungsdaten in den von Ihnen verwendeten Referenzrahmen in Verschiebungen konvertiert werden.

Selbst wenn Sie einen Kreisel hinzufügen, ist dies in der Praxis sehr schwierig, da kleine konstante Beschleunigungsfehler während des Integrationsprozesses zu sehr großen Positionsfehlern werden. Die einzige Rettung in Ihrem Fall ist, dass Sie, wenn Sie die Annahme hinzufügen, dass Sie an derselben Stelle starten und stoppen, diese möglicherweise nutzen können, um die Drift zu kalibrieren (wiederum unter der Annahme, dass Sie einen 3-Achsen-Kreisel hinzufügen). Obwohl Benutzer CortAmmon seine Skepsis äußerte, dass diese zusätzlichen Informationen ausreichen würden, um eine Drift in der Beschleunigungsmessung zu kalibrieren.

CortAmmon weist darauf hin, dass die Trägheitsmesseinheit Northrup Grumman LN200 90.000 US-Dollar kostet und nach der Zeit, die für einen Lauf benötigt wird, ein Positionsfehler in km gemessen werden kann. Artikel wie dieser sind nicht nur sehr teuer, sondern wahrscheinlich "exportkontrolliert", wenn sie in den USA hergestellt werden. Der Grund ist, dass Trägheitsnavigationseinheiten in Raketen eingesetzt werden. Dies gibt ihnen die Möglichkeit, ein Ziel zu treffen, selbst wenn GPS gestört ist.

— Mkeith
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Wenn Sie einen Kreisel und ein GPS hinzufügen, können Sie die Sensordaten verwenden, um eine Dead-Reckoning (Trägheitsnavigation) zwischen GPS-Fixes durchzuführen. Das ist die beste Wahl. Dead Reckoning ist ein alter Begriff, der bis in die Zeit der Segelschiffe zurückreicht.

— Mkeith

Eine Stunde ist eine sehr, sehr lange Zeit für eine IMU, um durch Integration zu rechnen. Betrachten Sie das Beispiel eines LN200, der in einigen hochzuverlässigen Militärgeräten verwendet wird und unglaublich teuer ist. Ich habe Schätzungen von 90.000 US-Dollar für ein Gerät gesehen. Trotzdem werden sie am Ende Ihres Laufs kilometerweit entfernt sein, und es ist sehr schwierig, Beschleunigungsfehler rückgängig zu machen, indem Sie einfach erklären: "Ich bin wieder da, wo ich angefangen habe, reparieren Sie den Rest des Pfades"

— Cort Ammon

@CortAmmon, danke für die Information. Halten Sie das, was das OP versucht, für hoffnungslos, selbst wenn verschiedene Einschränkungen / Annahmen berücksichtigt werden?

— Mkeith

Eine Trägheitsnavigation über diese Zeiträume mit einer nützlichen Genauigkeit ist hoffnungslos, es sei denn, Sie verschmelzen die Daten mit einer anderen Quelle. Eine Fehlerausbreitung von einigen hundert Mikrogees über eine Stunde ist einfach zu schwer zu beseitigen, wenn Sie nur zwei Registrierungspunkte erhalten, einen am Anfang und einen am Ende. Und jede IMU, die sich dieser Präzision auch nur annähernd annähern kann, ist weitaus teurer als ein GPS. Ein Parallax-GPS-Gerät für 20 US-Dollar liefert viel bessere Ergebnisse als die Integration der Daten einer IMU für 200.000 US-Dollar.

— Cort Ammon

Die tatsächlichen Grenzwerte variieren von Land zu Land, aber international folgen die meisten Länder dem Vertrag über das Missile Technology Control Regime. Der technische Anhang des MTCR legt eine Wiederholgenauigkeit des minimalen Beschleunigungsmesser-Skalierungsfaktors von besser als 1250 ppm und eine Vorspannungswiederholbarkeit von besser als 1250 uG fest. Gyros sind auf eine RMS-Drift von weniger als 0,5 Grad RMS / h begrenzt. Bessere Leistung als diese Grenzwerte und Ihr Gerät ist durch Rüstungskontrolle eingeschränkt.

— Peter

Ja, Sie können die Beschleunigung (zumindest in einer geraden Linie) integrieren, um die Entfernung zu ermitteln.

Wie Mkeith angibt, wäre es, selbst wenn es funktionieren würde, nur für sehr kurze Strecken genau.

Selbst in Kombination mit einem GPS können Sie diese Methode nicht verwenden, um die GPS-Ungenauigkeiten auszugleichen. Es ist möglich, ein Differential-GPS zu kaufen, aber für die meisten Hobbiester sind sie unerreichbar.

Sie kennen Ihre Anwendung nicht, können jedoch eine Triangulation durch IR-LEDs in Betracht ziehen.

— KDM
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Natürlich hast du recht! Ich wäre dort angekommen, wenn ich die zusätzliche Millisekunde dafür aufgewendet hätte !! Wird das herausarbeiten. Hmmm. Jetzt ist es eher ein Kommentar als eine Antwort!

— KDM

Vielen Dank. "Kenne deine Anwendung nicht" - wir sind ein Kunstprojekt, also stürzt kein Auto ab, wenn ein Berechnungsfehler auftritt. Da das GPS zu teuer ist, werde ich wahrscheinlich nur eine Kombination aus Beschleunigungsmesser und Gyroskop ausprobieren.

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@ 0__, wenn Sie auch einen elektronischen Kompass (Fluxgate-Kompass) hinzufügen können, mit dessen Hilfe die Kreiselfehler kalibriert werden können. Je mehr Annahmen Sie in die Datenverarbeitungsphase einbeziehen können, desto wahrscheinlicher ist es im Allgemeinen, dass Sie ein akzeptables Ergebnis erzielen.

— Mkeith