Aplikacje Systemów. Nawigacja inercyjna. Gdańsk, 2016

Transkrypt

1 Aplikacje Systemów Wbudowanych Nawigacja inercyjna Gdańsk, 2016

2 Klasyfikacja systemów inercyjnych 2

3 Nawigacja inercyjna Podstawowymi blokami, wchodzącymi w skład systemów nawigacji inercyjnej (INS ang. Inertial Navigation Systems) są: blok pomiarowy (IMU ang. Inertial Measurement Unit), składający się z czujników: przyspieszeniomierzy, żyroskopów. blok obliczeniowy, składający się z mikroprocesora, którego zadaniem jest modelowanie pola grawitacyjnego Ziemi, całkowanie sygnałów wyjściowych z IMU oraz wyznaczanie i kontrolowanie pozycji obiektu. 3

4 Zasada działania Każdy obiekt w przestrzeni posiada sześć stopni swobody Miernik przyśpieszenia dokonuje pomiarów zmian kierunku i prędkości 4

5 Zasada działania Rejestracja zmian poszczególnych stopni swobody umożliwia precyzyjne określenie całkowitego przesunięcia 5

6 Zasada działania 6

7 Zasada działania Zmiany Δx, Δy, Δz w odniesieniu do warunków początkowych (x, y, z) Zmiana Δα, Δβ, Δγ w odniesieniu do warunków początkowych (x, y, z) systemu 7

8 Zalety układów nawigacji inercyjnej całkowita autonomiczność, czujniki pomiarowe znajdują się na obiekcie; brak promieniowania żadnej formy energii na zewnątrz, układ nie jest wrażliwy na zakłócenia zewnętrzne; wskazania parametrów ruchu obiektu oraz pozycji podawane są w sposób ciągły, niezależnie od miejsca położenia obiektu (m.in. w tunelach czy pod wodą); w celu wypracowania przez układ pozycji oraz parametrów ruchu obiektu nie jest wymagana informacja ze stacji naziemnych, a obszar działania systemów nawigacji inercyjnej jest praktycznie nieograniczony; jakość informacji nawigacyjnej jest niezależna od manewrów obiektu ruchomego; 8

9 Wady układów nawigacji inercyjnej spadek dokładności wyznaczenia pozycji oraz prędkości wraz z upływem czasu, nie ma tu znaczenia czy obiekt porusza się, czy nie; układy inercyjne wymagają czasochłonnej wstępnej kalibracji polegającej na ustawieniu kierunku oraz pionu; utrudnione jest poziomowanie układu inercyjnego na obiekcie ruchomym oraz dla szerokości geograficznych powyżej 75º. 9

10 Przykład 3DM-GX

11 Budowa sensorów inercyjnych 11

12 Żyroskopy Żyroskopy (żyra) mierzą prędkość obrotową w jednej (lub więcej) płaszczyźnie. Prędkość obrotowa najczęściej jest wyrażana w stopniach na sekundę ( /s) lub stopniach na godzin ę ( /h). W układach inercyjnych stosuje się trzy żyroskopy umieszczone ortogonalnie względem siebie, co daje trzy stopnie swobody. Urządzenia te można podzielić na trzy podstawowe grupy: układy z wibrującym elementem układy optyczne, Inne. 12

13 Żyroskopy Do grupy układów z wibrującym elementem należą żyroskopy mechaniczne, MEMS i ceramiczne. Podstawowy składnik tych żyr to element liniowo wibrujący ze znaną częstotliwością. W przypadku wystąpienia obrotu prostopadłego do wibrującego elementu, generowana jest siła Coriolisa. Ta zmiana jest traktowana jako różnica kątowa. Żyroskopy MEMS wypierają z rynku żyroskopy mechaniczne. Technologia MEMS wykorzystuje najnowsze osiągnięcia mechatroniki oraz nanotechnologii w dziedzinie miniaturowych urządzeń elektronicznych. 13

14 Żyroskopy Żyroskopy wykonane w technologii MEMS, ze względów technologicznych, wykorzystują następujące rozwiązania: układy z wibrującym strojonym elementem kamertonem układy z wirującą masą układy z rezonującą obręczą układy z wahadłem Focaulta 14

15 Akcelerometry Akcelerometr wykorzystuje drugą zasadę dynamiki Newtona. Są to zwykle konstrukcje mechaniczne, mierzące przesunięcie danej masy względem na stałe zamocowanej obudowy, a wartości pomiaru są wyrażane w jednostkach przyspieszenia ziemskiego g (1g = 9,81 m/sec2) lub mg. W chwili obecnej akcelerometry najczęściej wykonane są w technologii MEMS. Najprostszym rozwiązaniem konstrukcyjnym akcelerometru jest zastosowanie wahadła o jednym stopniu swobody. 15

16 Akcelerometry 16

17 Dokładność sensorów inercyjnych Dokładność wskazań systemu inercyjnego ma znaczący wpływu na jego działanie. W przypadku, gdy wymagana jest długotrwała praca z dużą precyzją, w dynamicznym środowisku, bez możliwości korekty wskazań (np. poprzez integrację z systemem GPS), koniecznym staje się zastosowanie specjalistycznych a co za tym idzie bardzo drogich układów. Jeżeli istnieją możliwości w miarę częstej korekty wskazań, a przeznaczenie układu nie zakłada dynamicznych zmian położenia, to możliwe staje się zastosowanie tańszych, ale mniej dokładnych czujników. 17

18 Dokładność żyroskopów Główne parametry opisujące dokładność żyroskopów to: bias (z ang. błąd systematyczny błąd poprawności wskazań) wskazuje jak szybko będzie narastał błąd wskazań w układzie żyroskopu ( /h) (a), błąd współczynnika skali (ang. scale factor error) to liniowa odchyłka od wartości rzeczywistej (b), nieliniowość wskazań (ang. linearity error) to odkształcenie na wyjściu w zależności od wartości (c), niedokładność kalibracji, szum. 18

19 Dokładność akcelerometrów Akcelerometry podają wartość przyspieszenia odniesioną względem przyspieszenia ziemskiego wynoszącego 1g = 9,81 m/s2, w zakresie podanym przez producenta. Podobnie, jak w przypadku żyroskopów, parametry opisujące dokładność akcelerometrów to: bias, błąd współczynnika skali, niedokładność kalibracji, szum. 19

20 Dokładność nawigacji inercyjnej Źródła błędów Temperatura Wewnętrzne układowe naprężenia mechaniczne Konwersja sygnału analogowego na cyfrowy Rodzaje błędów Błędy inicjalizacji związane z określeniem wstępnych parametrów pracy systemu Błędy wyrównania związane z wyrównaniem względem układu Błędy modelu grawitacji związane z przyjętym modelem grawitacyjnym 20

21 3DM-GX

22 3DM-GX

23 3DM-GX

24 Krokomierz 24

25 Pomiar przebytej drogi Prędkość Odległość Pomiar bez Pomiar z Błąd [%] [m/s] [cm] filtracji [cm] filtracją [cm] Błąd [%]

26 Pomiar przebytej drogi Prędkość Odległość Pomiar bez Pomiar z Błąd [%] [m/s] [cm] filtracji [cm] filtracją [cm] Błąd [%]

27 Pomiar przebytej drogi 27

28 Integracja nawigacji inercyjnej z systemem GPS 28