Inertiale Navigationssysteme und ihre praktischen Anwendungen

Hersteller	MicroStrain	Xsens Technologies	Cloud Cap Technology
Modell	3DM-GX1	MTi-G	Crista IMU
Interne Sensoren	Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Magnetometer, Temperatursensor	Beschleunigungsmesser, Magnetometer, Gyroskope, GPS	Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Temperatursensor
Gyroskope Bereich	± 300°/sec	± 300°/sec	± 300°/sec
Beschleunigungsmesser Bereich	± 5 g	± 5 g	± 10 g
Digitalausgang	RS-232, RS-485	RS-232, USB	RS-232, CAN
Temperaturbereich	-40°C bis +70°C	-20°C bis +60°C	-40°C bis +70°C
Größe mit Montage	64x90x25	58x58x33	52.07×38.8×25.04
Gewicht	75	68	38.6
Hersteller	Crossbow Technology	Analog Devices	Rotomotion
Modell	μNAV	ADIS 16400/405	AHRS200AV2.5
Interne Sensoren	Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Magnetometer, Temperatursensor, GPS	Beschleunigungsmesser, Magnetometer, Gyroskope, Temperatursensor	Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Magnetometer
Gyroskope Bereich	± 150°/sec	± 75-300°/sec	± 90°/sec
Beschleunigungsmesser Bereich	± 2 g	± 18 g	± 2 g
Digitalausgang	RS-232	SPI	RS-232, Ethernet
Temperaturbereich	-5°C bis +45°C	-40°C bis +85°C	-5°C bis +75°C
Größe mit Montage	57x45x11	31.9×23.5×22.9	„/>100x100x100
Gewicht	33	16	„/>100

Tisch 1.

Für die Durchführung von Vergleichsstudien wurde eine Kalibrierungsplattform entworfen, hergestellt und verwendet (Abb. 6b). Alle getesteten IMUs wurden auf der Plattform montiert und ihre Rohdaten wurden mit Hilfe der vorgestellten Kalibrierungsmethode auf das gemeinsame Koordinatensystem für alle Sensoren kalibriert. Es wurden mehrere Tests durchgeführt: der Vergleich der Rohdaten, der Vergleich der gefilterten Daten, die Zeitstabilität der Sensoren und die Fähigkeit zur Temperaturkompensation. In Abb. 7a ist der Vergleich der Messwerte der Beschleunigungssensoren des vorgestellten IMU-Sensors (CZK in der Grafik) und des MTiG-Sensors (MTI in der Grafik) und in Abb. 7b der Vergleich der Gyroskope dargestellt. Beide Vergleiche wurden während der Bewegung aufgezeichnet.

Es ist festzustellen, dass die Ausgabedaten des vorgestellten kalibrierten Sensors und des Referenzsensors fast identisch sind. Um die Unterschiede zu messen, haben wir das Signal aus den Rohdaten geschätzt und von der Rauschkomponente getrennt. Nur die Y-Messachse des Gyroskops wurde als Beispiel für die Präsentation gewählt. Die Wahl war möglich, weil die erzielten Ergebnisse unabhängig von der Achse und dem Sensor (Magnetometer, Beschleunigungsmesser oder Gyroskop) vergleichbar sind. Im rechten Teil von Abb. 8 ist dargestellt, dass die Standardabweichung des Rauschens für MTi-G28 und unseren Sensor etwa 0,04 beträgt, während das Ergebnis der Crista IMU etwa 0,12 beträgt. Der Unterschied zwischen der Standardabweichung des MTi-G28 und unseres Sensors beträgt nur 0,0035, was normalerweise vom menschlichen Auge nicht unterschieden werden kann.

Eine zusätzliche tabellarische Zusammenstellung des Signal-Rausch-Koeffizienten ist in Tab. 4.

Ein wichtiges Problem für Inertialmessgeräte ist die Zeitstabilität der Ausgabedaten. Wir haben eine Reihe von Stabilitätstests mit einer Dauer von 4 Stunden durchgeführt. Die in Abb. 9 dargestellten Ergebnisse wurden nach einer Mittelwertbildung aus fünf Abtastungen jeder IMU im Test ermittelt. Zwei wichtige Beobachtungen können gemacht werden. Erstens, dass die Ergebnisse des MTi-G28 und unserer IMU vergleichbar sind. Der Unterschied zwischen den erzielten Durchschnittswerten beträgt nur 0,00027 und der Unterschied zwischen den Standardabweichungswerten 0,00226, was sogar noch geringer ist als beim Test mit Bewegung. Die zweite Beobachtung ist, dass unsere Sensor- und MTi-G28-Ergebnisse mehr als 20 Mal näher am realen 0-Wert liegen.

Die weltweite Verfügbarkeit des GPS, die relativ hohe Zuverlässigkeit der Messwerte und die Tatsache, dass keine zusätzliche Infrastruktur erforderlich ist, sind die Hauptgründe dafür, dass die meisten modernen Trägheitsnavigationssysteme GPS verwenden. INS zeichnen sich typischerweise durch eine schnelle Aktualisierungsrate und einen kleinen, aber nicht begrenzten Fehler aus. Der GPS-Fehler ist begrenzt, aber die Aktualisierungszeit ist langsam und die Lagebestimmung ist nicht zuverlässig. Aufgrund der geschlossenen Architektur der meisten GPS-Module ist die beliebteste Art von Fusionsmethoden die sogenannte ungekoppelte oder lose gekoppelte Unterstützung. INS mit GPS wird in Fahrzeugsicherheitssystemen zur Schätzung des Seitenschlupfs eines Fahrzeugs verwendet. Die Standardanwendung ist die Fahrzeugführung und -navigation. Das GPS-Signal erfordert eine klare Sicht auf die Satelliten, was in den Canyons oft nicht möglich ist, insbesondere in städtischen Canyon-Umgebungen. Die GPS/INS-Systeme werden häufig zur Navigation eines Quadrocopters oder zur Lenkung von Raketen eingesetzt.

Wir haben ein inertiales Navigationssystem als komplette Navigationslösung entwickelt, die in eine einzige Leiterplatte eingebettet ist. Es enthält die oben vorgestellte 10-DOF-Inertialmesseinheit zusammen mit einem GPS-Modul (Global Positioning System). Um die geringe Genauigkeit der Höhenbestimmung des GPS zu kompensieren, wurde zusätzlich ein Barometer eingebaut. Das beschriebene INS ermöglicht die Messung von Winkeln in drei Dimensionen, von Beschleunigungen ebenfalls in drei Dimensionen, der Richtung des stärksten Magnetsignals und der Temperatur der Umgebung. Es nutzt die MEMS-Technologie, um sowohl Größe als auch Gewicht des Sensors zu reduzieren. Die INS-Leiterplatte mit MCX-Stecker wiegt 3,67 Gramm ohne Montage und 8,86 Gramm mit der Standardmontage.

Messdaten vom Sensor können je nach Version über den USB- oder CAN-Bus gesendet werden, die typischen Industriestandards für die Datenübertragung. Die Flexibilität wird von modernen Sensoren verlangt, um sie in bestehende Systeme zu integrieren. Aus dem gleichen Grund verfügt der Sensor über eine flexible Ausgangsdatenkonfiguration. Der Ausgang des Sensors kann in drei Versionen erfasst werden: als Rohdaten des Sensors, als Daten nach Kalibrierung und Temperaturkompensation oder als Ausgang des Verarbeitungsfilters. Die von den Sensoren gelieferten Daten können auch in verschiedenen Formen an den Benutzer geliefert werden. Die erste Form ist die Rotationsmatrix, die auf der Grundlage der Daten des Geräts erstellt wird. Die Daten können dem Endnutzer auch in Form von Euler-Winkeln und deren Werten in Grad oder im Bogenmaß geliefert werden. Die dritte Art der Darstellung von Ausgabedaten erfolgt durch die Verwendung von Quaternionen. Die vom GPS ausgegebenen Positionskoordinaten werden im ECEF-Koordinatensystem (Earth Centered Earth Fixed) übermittelt. Die Einheit der vom GPS geschätzten Geschwindigkeit ist m/s. Der verwendete eingebettete Luftdruckhöhenmesser ist durch eine interne Temperaturkompensation gekennzeichnet. Er ermöglicht die Messung des atmosphärischen Drucks im Bereich von 20 bis 110 kPa mit einer Auflösung von 1,5 Pa. Er kann verwendet werden, um die Höhe des Sensors mit einer Auflösung von 30 cm zu bestimmen. Die geografische Lokalisierung des Sensors wird mit Hilfe des GPS-Moduls berechnet. Das GPS ist über einen seriellen Kommunikationsbus mit dem Mikroprozessor verbunden. Um die Qualität der Koordinatenschätzung zu verbessern, ist es möglich, die GPS-Differentialkorrekturen (DGPS) zu nutzen. Die Ausgabe des GPS erfolgt im ECEF-Koordinatensystem (Earth Centered Earth Fixed) und die Frequenz beträgt 10 Hz.

Der vorgestellte INS-Sensor hat ein Volumen von weniger als 4 cm3 mit Gehäuse und wiegt 8,86 . Eine solche Größe des Sensors kann Designern von Robotern erlauben, von Geräten von beträchtlicher Größe zu den Designs der Mikroskala überzugehen. Die maximale Beschleunigung, die der Sensor aushalten kann, beträgt 500, die Eingangsspannung 3,5 bis 8 V und der Stromverbrauch 50 mA. Es gibt zwei verschiedene Gehäusetypen, die eine Befestigung des Sensors an verschiedenen Stellen ermöglichen. Die kleinste Version Micro (Abb. 10) hat eine Größe von 32,7 x 14,9 x 8,0 . Die Version mit dem MCX-Stecker (Abb. 3b) ist 32,7 x 14,9 x 12,1 groß. Das Volumen der erweiterten Version liegt unter 6 cm3. Der Sensor kann in einem breiten Temperaturbereich von -40°C bis 80°C betrieben werden.

Die physikalischen Abmessungen aller Versionen sind in Tab.5 dargestellt..