Sistemas de navegación inercial y sus aplicaciones prácticas

Productor	MicroStrain	Xsens Technologies	Cloud Cap Technology
Modelo	3DM-GX1	MTi-G	Crista IMU
Sensores internos	acelerómetros, giroscopios, magnetómetros, sensor de temperatura	acelerómetros, magnetómetros, giroscopios, GPS	acelerómetros, giroscopios, sensor de temperatura
Giroscopios rango	± 300°/seg	± 300°/seg	± 300°/seg
Rango de los acelerómetros	± 5 g	± 5 g	± 10 g
Salida digital	RS-232, RS-485	RS-232, USB	RS-232, CAN
Rango de temperatura	-40°C a +70°C	-20°C a +60°C	-40°C a +70°C
Tamaño con montaje	64x90x25	58x58x33	52.07×38.8×25.04
Peso	75	68	38.6
Productor	Tecnología Crossbow	Dispositivos Analógicos	Rotomotion
Modelo	μNAV	ADIS 16400/405	AHRS200AV2.5
Sensores internos	acelerómetros, giroscopios, magnetómetros, sensor de temperatura, GPS	acelerómetros, magnetómetros, giroscopios, sensor de temperatura	acelerómetros, giroscopios, magnetómetros
Giroscopios rango	± 150°/seg	± 75-300°/seg	± 90°/seg
Rango de los acelerómetros	± 2 g	± 18 g	± 2 g
Salida digital	RS-232	SPI	RS-232, Ethernet
Rango de temperatura	-5°C a +45°C	-40°C a +85°C	-5°C a +75°C
Tamaño con montaje	57x45x11	31.9×23.5×22.9	«/>100×100
Peso	33	16	«/>100

Tabla 1.

Para realizar los estudios comparativos se diseñó, produjo y utilizó una plataforma de calibración (fig. 6b). Todos los IMUs probados se montaron en la plataforma y sus datos brutos se calibraron al sistema de coordenadas común para todos los sensores utilizando el método de calibración presentado. Se realizaron varias pruebas: la comparación de los datos brutos, la comparación de los datos filtrados, la estabilidad temporal de los sensores y la capacidad de compensación de la temperatura. En la fig. 7a se presenta la comparación de las lecturas de los acelerómetros del sensor IMU presentado (CZK en el gráfico) y del sensor MTiG (MTI en el gráfico) y en la fig. 7b se presenta la comparación de los giroscopios. Ambas comparaciones se registraron durante el movimiento.

Se puede notar que los datos de salida del sensor calibrado presentado y el sensor de referencia son casi los mismos. Para medir las diferencias hemos estimado la señal a partir de los datos brutos y la hemos separado de la componente de ruido. Sólo se ha elegido como ejemplo para la presentación el eje de medición Y del giroscopio. La elección fue posible porque los resultados obtenidos son comparables independientemente del eje y del sensor (magnetómetros, acelerómetros o giroscopios). En la parte derecha de la fig. 8 se presenta que la desviación estándar del ruido para el MTi-G28 y nuestro sensor es de aproximadamente 0,04 mientras que el resultado de la IMU Crista es de aproximadamente 0,12. La diferencia entre la desviación estándar de MTi-G28 y nuestro sensor es sólo 0,0035 que es generalmente indistinguible por el ojo humano.

La tabla adicional de cotejo del coeficiente señal/ruido se presenta en la pestaña. 4.

Un problema importante para las unidades de medición inercial es la estabilidad temporal de los datos de salida. Hemos realizado una serie de pruebas de estabilidad con una duración de 4h. Los resultados presentados en la fig. 9 fueron adquiridos después de promediar cinco muestras de cada IMU en la prueba. Se pueden hacer dos observaciones principales. En primer lugar, los resultados del MTi-G28 y de nuestra IMU son comparables. La diferencia de los valores medios obtenidos es sólo de 0,00027 y la diferencia entre los valores de desviación estándar es de 0,00226, que es incluso menor que durante la prueba con movimiento. La segunda observación es que los resultados de nuestro sensor y del MTi-G28 están más de 20 veces más cerca del valor real 0.

La disponibilidad global del GPS, la fiabilidad relativamente alta de las lecturas y la no necesidad de infraestructura adicional son las principales razones por las que la mayoría de los sistemas modernos de navegación inercial utilizan el GPS. Los sistemas de navegación inercial suelen caracterizarse por una rápida tasa de actualización y un error pequeño pero no limitado. El error del GPS está limitado, pero el tiempo de actualización es lento y la estimación de la actitud no es fiable. Debido a la arquitectura cerrada de la mayoría de los módulos GPS, el método más popular de los métodos de fusión se denomina ayuda desacoplada o débilmente acoplada. El INS con el GPS se utiliza en los sistemas de seguridad de los vehículos para estimar el deslizamiento lateral de un vehículo. El uso estándar consiste en el guiado y la navegación del vehículo. La señal GPS requiere una visibilidad clara de los satélites que a menudo no es posible en los cañones, especialmente en los entornos urbanos de los cañones. Los sistemas GPS/INS se utilizan a menudo para la navegación de un cuadricóptero o el guiado de misiles.

Hemos desarrollado un sistema de navegación inercial como una solución de navegación completa incrustada en un solo PCB. Contiene la unidad de medición inercial de 10-DOF presentada anteriormente acompañada del módulo del Sistema de Posicionamiento Global (GPS). Para compensar la baja precisión de la estimación de la altitud del GPS se incorporó un barómetro adicional. El INS descrito permite medir ángulos en tres dimensiones, aceleraciones también en tres dimensiones, la dirección de la señal magnética más fuerte y la temperatura del entorno. Utiliza la tecnología MEMS para reducir tanto el tamaño como el peso del sensor. La placa de circuito impreso INS con conector MCX pesa 3,67 gramos sin montaje y 8,86 gramos con el montaje estándar.

Los datos de medición del sensor, dependiendo de la versión, pueden enviarse a través del bus USB o CAN, que son los estándares típicos de la industria para la transferencia de datos. La flexibilidad se requiere de los sensores modernos con el fin de integrarlo con un sistema existente. Por la misma razón, el sensor tiene una configuración de datos de salida flexible. La salida del sensor puede adquirirse en tres versiones: como datos brutos del sensor, como datos después de la calibración y la compensación de la temperatura, o como la salida del filtro de procesamiento. Los datos de los sensores, también pueden ser entregados en varias formas al usuario. La primera forma es la matriz de rotación, que se genera a partir de los datos del dispositivo. Los datos también pueden ser suministrados al usuario final en forma de ángulos de Euler y sus valores dados en grados o en radianes. El tercer tipo de representación de los datos de salida es mediante el uso de cuaterniones. Las coordenadas de posición de salida del GPS se envían en el sistema de coordenadas fijas centradas en la Tierra (ECEF). La unidad de la velocidad estimada por el GPS es m/s.El altímetro de presión atmosférica integrado utilizado se caracteriza por la compensación interna de la temperatura. Permite medir la presión atmosférica en el rango de 20 a 110 kPa con una resolución de 1,5 Pa. Puede utilizarse para estimar la altitud del sensor con una resolución igual a 30cm. La localización geográfica del sensor se calcula mediante el módulo GPS. El GPS está conectado al microprocesador mediante un bus de comunicación en serie. Para mejorar la calidad de la estimación de las coordenadas es posible pasar al GPS correcciones diferenciales (DGPS). La salida del GPS está en el sistema de coordenadas fijo centrado en la Tierra (ECEF) y la frecuencia es de 10 Hz.

El volumen del sensor INS presentado está por debajo de 4cm3 con la carcasa y pesa 8,86 . Tal tamaño del sensor puede permitir a los diseñadores de robots para pasar de dispositivos de tamaño considerable a los diseños de la escala micro. El sensor de aceleración máxima es capaz de soportar es de 500 , mientras que la tensión de entrada es de 3,5 a 8V, y el consumo de corriente es de 50 mA. Hay dos tipos diferentes de la carcasa que permite la fijación del sensor en varios lugares. La más pequeña versión Micro (fig. 10) tamaño con montaje es 32,7 x 14,9 x 8,0 . La versión con el conector MCX (fig. 3b) es de 32,7 x 14,9 x 12,1 . El volumen de la versión ampliada es inferior a 6 cm3. El sensor puede funcionar en un amplio rango de temperaturas que van desde -40°C hasta 80°C.

Las medidas físicas de todas las versiones se presentan en la Tab.5.

Las orientaciones de los ejes calibrados están grabadas y coloreadas en la parte superior como se presenta en la Fig. 11.

El INS introducido se comparó con la IMU más pequeña con un volumen inferior a 2 . Tanto los ejes de medición como los de tamaño están marcados en la fig 12ab. La dimensión X de la micro IMU 5 es de 18,6 que es aproximadamente el 57% del tamaño del INS. La dimensión Y es de 14,7 que es aproximadamente el 99% del tamaño del INS y el tamaño Z de la IMU es más o menos igual al 91% de la versión Micro del INS y el 60% de la versión Extendida. Sin embargo, la versión LEMO extendida de la IMU es de 18, lo que supone el 225% de la versión micro del INS. La comparación basada en el volumen sólo permite afirmar que la versión micro del INS es menos de dos veces mayor (195% de la versión micro de la IMU).