Inercyjne systemy nawigacyjne i ich praktyczne zastosowania

Charakterystyka wewnętrzna prezentowanej inercyjnej jednostki pomiarowej.

Tabela 3.

Globalna dostępność GPS, stosunkowo wysoka wiarygodność odczytów oraz brak konieczności posiadania dodatkowej infrastruktury to główne powody, dla których większość współczesnych systemów nawigacji inercyjnej wykorzystuje GPS. INS zazwyczaj charakteryzuje się dużą szybkością aktualizacji i małym, ale nie skrępowanym błędem. Błąd GPS jest ograniczony, jednak czas aktualizacji jest wolny, a estymacja położenia nie jest wiarygodna. Ze względu na zamkniętą architekturę większości modułów GPS najpopularniejszym typem metod fuzji jest tzw. wspomaganie niesprzężone lub luźno sprzężone. INS z GPS jest wykorzystywany w systemach bezpieczeństwa pojazdów do estymacji poślizgu bocznego pojazdu. Standardowe zastosowanie obejmuje prowadzenie pojazdu i nawigację. Sygnał GPS wymaga dobrej widoczności satelitów, co często nie jest możliwe w kanionach, zwłaszcza w miejskich kanionach. Systemy GPS/INS są często wykorzystywane do nawigacji quadrocoptera lub naprowadzania pocisków rakietowych.

Opracowaliśmy system nawigacji inercyjnej jako kompletne rozwiązanie nawigacyjne osadzone w pojedynczej płytce PCB. Zawiera on przedstawioną powyżej inercyjną jednostkę pomiarową 10-DOF wraz z modułem GPS (Global Positioning System). W celu skompensowania niskiej dokładności estymacji wysokości przez GPS wbudowano dodatkowy barometr. Opisywany INS pozwala na pomiar kątów w trzech wymiarach, przyspieszeń również w trzech wymiarach, kierunku najsilniejszego sygnału magnesu oraz temperatury otoczenia. Wykorzystuje on technologię MEMS w celu zmniejszenia zarówno rozmiarów jak i wagi czujnika. Płytka drukowana INS ze złączem MCX waży 3,67 grama bez montażu i 8,86 grama ze standardowym montażem.

Dane pomiarowe z czujnika w zależności od wersji mogą być przesyłane przez magistralę USB lub CAN, które są typowymi standardami przemysłowymi przesyłu danych. Elastyczność jest wymagana od nowoczesnych czujników w celu zintegrowania ich z istniejącymi systemami. Z tego samego powodu czujnik posiada elastyczną konfigurację danych wyjściowych. Dane wyjściowe z czujnika mogą być pobierane w trzech wersjach: jako surowe dane z czujnika, jako dane po kalibracji i kompensacji temperaturowej lub jako wyjście filtra przetwarzającego. Dane z czujników mogą być również dostarczane w różnych postaciach do użytkownika. Pierwszą formą jest macierz obrotu, która jest generowana na podstawie danych z urządzenia. Dane mogą być również dostarczane do użytkownika końcowego w postaci kątów Eulera i ich wartości podawanych w stopniach lub radianach. Trzecim rodzajem reprezentacji danych wyjściowych jest wykorzystanie kwaternionów. Współrzędne pozycji wyjściowej z GPS są przesyłane w układzie współrzędnych ECEF (Earth Centered Earth Fixed). Jednostką szacowanej przez GPS prędkości jest m/s. Zastosowany wbudowany wysokościomierz ciśnienia atmosferycznego charakteryzuje się wewnętrzną kompensacją temperatury. Umożliwia on pomiar ciśnienia atmosferycznego w zakresie od 20 do 110 kPa z rozdzielczością 1,5 Pa. Za jego pomocą można oszacować wysokość położenia czujnika z rozdzielczością 30cm. Lokalizacja geograficzna czujnika jest obliczana za pomocą modułu GPS. GPS jest połączony z mikroprocesorem za pomocą szeregowej magistrali komunikacyjnej. W celu poprawy jakości estymacji współrzędnych możliwe jest przekazanie do GPS poprawek różnicowych (DGPS). Wyjście z GPS jest w układzie współrzędnych ECEF (Earth Centered Earth Fixed), a częstotliwość 10 Hz.

Prezentowany czujnik INS ma objętość poniżej 4cm3 z obudową i waży 8,86 . Taka wielkość czujnika może pozwolić projektantom robotów na przejście od urządzeń o znacznych rozmiarach do konstrukcji w skali mikro. Maksymalne przyspieszenie jakie jest w stanie wytrzymać czujnik to 500 , natomiast napięcie wejściowe wynosi od 3,5 do 8V, a pobór prądu to 50 mA. Istnieją dwa różne typy obudowy, które umożliwiają zamocowanie czujnika w różnych miejscach. Najmniejsza z nich wersja Micro (rys. 10) o wymiarach z mocowaniem 32,7 x 14,9 x 8,0 . Wersja ze złączem MCX (rys. 3b) ma wymiary 32,7 x 14,9 x 12,1 . Objętość wersji rozszerzonej jest mniejsza niż 6cm3. Czujnik może pracować w szerokim zakresie temperatur od -40°C do 80°C.

Pomiary fizyczne wszystkich wersji przedstawiono w Tab.5.

INS typ	Dim. X	Dim. Y	Dim. Z	Units	Volume
Micro version	32.7	14.9	8.0	mm	3,897 cm3
Wersja rozszerzona	32,7	14.9	12,1	mm	5,895 cm3
Parametry wspólne	Min.	Typ	Max.	Jednostki
Waga (bez obudowy)	–	3.67	–	gram
Waga (w/obudowa)	–	8.86	–	gram
Temperatura pracy	-40	–	80	°C
Temperatura przechowywania	-.60	–	100	°C
Maksymalne przyspieszenie	–	500	–	g
Napięcie wejściowe	3.5	5,0	6,0	V
Prąd	40	50	60	mA

Tabela 5.

Charakterystyka fizyczna czujnika.

Kalibrowane orientacje osi są wygrawerowane i pokolorowane na górnej stronie, jak przedstawiono na Rys. 11.

Wprowadzony INS został porównany z najmniejszym IMU o objętości poniżej 2 . Na rys. 12ab zaznaczono osie wymiarów i wielkości. Wymiar X mikro IMU 5 wynosi 18,6 co stanowi około 57% wielkości INS. Wymiar Y wynosi 14.7, co stanowi około 99% rozmiaru INS, a wymiar Z IMU jest mniej więcej równy 91% rozmiaru wersji Micro INS i 60% rozmiaru wersji Extended. Jednakże wersja Extended LEMO IMU ma rozmiar 18, co stanowi 225% wersji micro INS. Porównanie na podstawie objętości pozwala jedynie stwierdzić, że wersja micro INS jest mniej niż dwa razy większa (195% wersji micro IMU).

.