陀螺儀和加速度計(jì)是IMU的主要部件,其精度直接影響慣性系統(tǒng)的精度。在實(shí)際工作中,由于各種不可避免的干擾因素,陀螺儀和加速度計(jì)會(huì)產(chǎn)生誤差。從初始對(duì)準(zhǔn)開始,其導(dǎo)航誤差隨著時(shí)間的推移而增大,尤其是位置誤差,這是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。因此,有必要利用外部信息實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航,從而有效減少誤差隨時(shí)間積累的問(wèn)題。為了提高可靠性,每個(gè)軸可以配備更多的傳感器。一般來(lái)說(shuō),IMU應(yīng)安裝在被測(cè)物體的重心上。
一般來(lái)說(shuō),一個(gè)IMU包括三個(gè)單軸加速度計(jì)和三個(gè)單軸陀螺儀。加速度計(jì)檢測(cè)物體在載體坐標(biāo)系中獨(dú)立三軸的加速度信號(hào),陀螺儀檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào),測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度,并以此計(jì)算物體的姿態(tài)。它在航海中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
IMU主要用于需要運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備,如汽車和機(jī)器人。它也用于需要精確的姿態(tài)位移估計(jì)的場(chǎng)合,如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備。
總結(jié)
采用三軸地磁解耦和三軸加速度計(jì),受外力加速度影響較大。在運(yùn)動(dòng)/振動(dòng)環(huán)境下,輸出方向角誤差較大。這種磁場(chǎng)傳感器有缺點(diǎn)。它的絕對(duì)參考點(diǎn)是地磁場(chǎng)的磁力線。地磁的特點(diǎn)是用途廣泛,但強(qiáng)度較低,約為高斯的十分之一,很容易受到其他磁體的干擾。如果結(jié)合z軸陀螺儀的瞬時(shí)角度,可以使系統(tǒng)數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。加速度是按重力方向測(cè)量的。在沒(méi)有外力加速度的情況下,能準(zhǔn)確輸出滾/俯仰兩軸姿態(tài)角,且該角度不會(huì)有累積誤差,在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度下是準(zhǔn)確的。但是,加速度傳感器在測(cè)量角度方面的缺點(diǎn)是,加速度傳感器實(shí)際上是采用MEMS技術(shù)來(lái)檢測(cè)慣性力引起的微小變形,而慣性力在本質(zhì)上與重力相同,因此加速度傳感器不會(huì)區(qū)分重力加速度和外力加速度。當(dāng)系統(tǒng)在三維空間中變速時(shí),其輸出是不正確的。
陀螺儀的輸出角速度是一個(gè)瞬時(shí)量,不能直接用于姿態(tài)平衡。計(jì)算角度需要角速度和時(shí)間積分。將得到的角度變化量與初始角度相加,得到目標(biāo)角度。積分時(shí)間DT越小,輸出角度越精確。但是陀螺儀的工作原理決定了它的測(cè)量基準(zhǔn)是自身,在系統(tǒng)之外沒(méi)有絕對(duì)的參考。另外,DT不能無(wú)限小,所以積分的累積誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移迅速增大,導(dǎo)致輸出角度與實(shí)際不一致,所以陀螺儀只能在較短的時(shí)間尺度內(nèi)工作。
因此,在沒(méi)有其他參考的基礎(chǔ)上,為了獲得更真實(shí)的姿態(tài)角,我們應(yīng)該利用加權(quán)算法揚(yáng)長(zhǎng)避短,結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn),摒棄各自的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)一種算法,在短時(shí)間尺度上增加陀螺儀的權(quán)重,在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上增加速度權(quán)重,使系統(tǒng)輸出角度接近真實(shí)值。
IMU工作原理
IMU是一種捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三個(gè)加速度傳感器和三個(gè)角速度傳感器(陀螺儀)組成。加速度計(jì)用于感知飛行器相對(duì)于地面垂直線的加速度分量,速度傳感器用于感知飛行器的角度信息。該子器件主要由兩個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器ad7716b和64K e/eprom存儲(chǔ)器X25650組成。a/d轉(zhuǎn)換器利用IMU各傳感器的模擬變量,將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息,經(jīng)CPU計(jì)算后輸出飛機(jī)俯仰角、傾斜角和側(cè)滑角。e/eprom存儲(chǔ)器主要存儲(chǔ)各IMU傳感器的線性曲線圖和各IMU傳感器的零件號(hào)和序列號(hào)。當(dāng)零件剛啟動(dòng)時(shí),圖像處理單元讀取e/eprom中的線性曲線參數(shù),為后續(xù)角度計(jì)算提供初始信息。艾瑞科提供FOG IMU和MEMS IMU解決方案,如果您感興趣,請(qǐng)隨時(shí)與我們聯(lián)系。
審核編輯:湯梓紅
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