IMU в беспилотнике: устройство инерциального измерительного блока

Введение

IMU — блок инерциальных измерений, обычно объединяющий акселерометры и гироскопы. В минимальном понимании IMU содержит акселерометры и гироскопы по нескольким осям; магнитометр иногда устанавливается отдельно. Выходом блока являются измеренные ускорения и угловые скорости, а не готовая географическая карта. Оценивание ориентации — работа программного алгоритма выше уровнем.

Физический смысл

IMU — это измерительный блок, обычно объединяющий акселерометры и гироскопы; в некоторых аппаратных реализациях присутствуют дополнительные чувствительные элементы. Сам по себе блок не вычисляет все навигационные параметры.

Некоторые изделия также включают магнитометр, но считать девять осей обязательным свойством любого IMU неверно.

Схематичный пример

Алгоритм получает сырые измерения в связанной с корпусом системе координат, затем оценивает ориентацию и движение. Различие между показанием датчика и результатом фильтра принципиально.

Ключевые определения

акселерометр — датчик удельной силы; гироскоп — датчик угловой скорости.

Надпись «девятиосевой IMU» не описывает автоматически качество калибровки или точность конечной навигации. Следует смотреть состав измерений, а не маркетинговую формулу.

Пределы интерпретации

Сам по себе IMU выдаёт измерения движения, тогда как координату и ориентацию оценивает более широкая вычислительная система.

Из чего состоит инерциальный измерительный блок

IMU объединяет несколько сенсоров, обычно измеряющих линейные ускорения и угловые скорости по осям. В зависимости от аппаратуры к ним добавляются другие датчики, однако их наличие следует проверять по документации конкретного устройства. Сам IMU обычно не знает географических координат: он выдаёт исходные измерения для вычислительной системы.

Важны понятия смещения нуля, масштаба измерения и шума. Два блока, называемых одинаково, могут иметь разную точность, температурную чувствительность и частоту выдачи данных. Поэтому термин «шестиосевой» описывает набор измерительных осей, но не является доказательством навигационного класса изделия.

В программном представлении дополнительно различают оси датчика и оси летательного аппарата. В статьях достаточно объяснить существование преобразования координат, не описывая процедуры настройки оборудования.

Измерительный блок и готовая навигация

Обычно IMU объединяет чувствительные элементы, которые регистрируют линейное ускорение и угловое движение. Нередко в изделии применяются MEMS-датчики — микромеханические устройства. Однако конкретный состав IMU и его свойства зависят от модели: нельзя по одному названию предполагать наличие магнитометра, барометра или внешнего навигационного интерфейса.

У блока есть частота выдачи измерений, диапазоны регистрируемых величин, шум и температурные свойства. Навигационное состояние получается позднее, при обработке сигналов программой. Если в описании сказано, что IMU измеряет «положение в мире», это чрезмерное упрощение: она не получает широту и долготу напрямую. В справочнике полезно рассматривать IMU как измерительную подсистему и отдельно объяснять, каким образом оценка ориентации отличается от оценки глобальной координаты.

Не всякая IMU одинакова: число осей, типы датчиков и их измерительные характеристики могут различаться. Нельзя считать установленное коммерческое наименование доказательством определённой точности всей системы. Приоритет при чтении паспорта — список измеряемых величин и условия испытаний.