Wissen Sie, was eine IMU ist? Wissen Sie, wofür sie steht? Und wissen Sie, wie sie eigentlich funktioniert?
Wenn Sie in der Fahrzeugtests, autonome Navigation, Kartierungoder sogar in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich sind Sie bei Ihrer Arbeit wahrscheinlich schon einmal auf den Begriff "IMU" gestoßen. In diesem Blog erklären wir Ihnen, was sie sind, warum sie wichtig sind und wie sie funktionieren.
IMU steht für Inertialmesseinheit
So geht's. Eine Trägheitsmesseinheit kann entweder als eigenständige Komponente einer Navigations-Engine existieren oder in ein Trägheitsnavigationssystem (INS) integriert sein. Genau das tun wir hier bei OxTS - unsere INS-Geräte verfügen über eine IMU, die mit einem GNSS-Empfänger verschmolzen ist, wobei beide harmonisch zusammenarbeiten, um genaue Positions- und Orientierungsdaten zu liefern.
Wozu verwenden Sie eine IMU?
Mit Hilfe von Trägheitsmessgeräten können Sie die Dynamik oder Bewegung eines Objekts messen.
IMUs sind für Fahrzeugtests unerlässlich
Die Automobilhersteller müssen ihre Fahrzeuge und die darin enthaltenen Systeme nach strengen Normen. Eine IMU (als Teil eines INS) liefert den Herstellern in jeder Phase eines Tests präzise Informationen über ihr Fahrzeug. Während eines Tests zur autonomen Notbremsung kann die IMU beispielsweise Auskunft darüber geben, wie schnell das Fahrzeug fuhr, als das System ausgelöst wurde, in welche Richtung es genau zeigte, wie stark die Verzögerung war und vieles mehr.
Auch Tests auf offener Straße werden immer wichtiger - in diesen Umgebungen trägt eine IMU dazu bei, dass Sie die Position Ihres Fahrzeugs jederzeit genau erfassen können.
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IMUs ermöglichen autonome Navigation
Ob es sich um Roboterachsen, automatische Obstpflücker oder UAVs handelt, IMUs sind für die autonome Navigation von grundlegender Bedeutung. All diese Fahrzeuge nutzen zwar GNSS-Signale, um Positionsdaten zu erhalten, aber dieses Signal ist nicht immer verfügbar.
Manchmal fährt ein Fahrzeug durch einen Tunnel, in einen Wald oder sogar in ein Gebiet mit GNSS-Störsendern, wenn es sich um Verteidigungsanwendungen handelt. In solchen Umgebungen hilft die IMU, das Fahrzeug durch Koppelnavigation auf Kurs zu halten. Das INS nimmt die letzte bekannte Position aus den GNSS-Daten und die Daten der IMU darüber, wie schnell es sich bewegt und in welche Richtung es fährt, und verwendet diese Daten, um die aktuelle Position zu schätzen.
Das Bild hier zeigt einen autonomen Entwicklungsroboter, den wir intern gebaut haben. Der Roboter verwendet ein AV200 INS (IMU und GNSS), das es dem Roboter ermöglicht, sowohl in Innen- als auch in Außenbereichen genau zu navigieren. Der Roboter nutzt das GNSS-Signal, um seine Position im Freien zu berechnen, und wenn kein GNSS-Signal verfügbar ist, kann der Roboter mit Hilfe der IMU und der Daten von anderen Onboard-Sensoren wie Kamera und LiDAR über die OxTS GAD-Schnittstelle.
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IMUs sorgen für genaue Positionsdaten bei Georeferenzierungsaktivitäten
Wenn Sie eine Vermessung über ein großes Gebiet durchführen, ob zu Lande oder mit einer Drohne, sind genaue Positionsdaten unerlässlich. Ein INS ist das Herzstück vieler Vermessungsnutzlasten. Es ermöglicht dem Benutzer, seine Position an jedem Punkt der Vermessung zu berechnen, sodass die Daten nach der Mission georeferenziert werden können. Genau wie bei der Navigation trägt die IMU zur Genauigkeit der INS-Daten bei, indem sie einen hochfrequenten Datenstrom zur Berechnung der Position, des Kurses und der Ausrichtung der Nutzlast liefert.
Um zu sehen, welchen Beitrag eine IMU leistet, betrachten Sie diese beiden Bilder. Der gelbe KML-Pfad ist die Position eines Autos, das durch London fährt, basierend auf den GNSS-Daten:
Sie sehen viele unregelmäßige, ungleichmäßige Linien und den Weg, der durch Gebäude führt - mit anderen Worten: ungenaue Daten. Hier sehen Sie dieselbe Route, aber mit den Daten der OxTS IMU hinzugefügt:
Wie Sie sehen können, verbessern die Daten der IMU die Genauigkeit der vom INS generierten Positionsdaten erheblich.
Es ist nicht perfekt - London ist aufgrund der vielen Straßenschluchten und Tunnel eine der größten Herausforderungen für eine genaue Positionsbestimmung - aber die gute Nachricht ist, dass OxTS es noch besser kann, wie wir Ihnen weiter unten zeigen werden.
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Intelligenz, Vermessung und Aufklärung (ISR)
Jetzt wissen wir also, was IMU bedeutet und was eine IMU leisten kann. Aber wie funktioniert sie eigentlich?
Was ist eine Trägheitsmesseinheit?
Die einfache Antwort ist, dass eine IMU Änderungen der linearen Beschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit misst. Wenn sie in ein INS integriert ist, werden diese Daten verwendet, um die Geschwindigkeit, den Kurs und die Ausrichtung der IMU (und aller anderen daran angeschlossenen Geräte) zu schätzen.
Man könnte es sich so vorstellen: Kennen Sie das Gefühl, in den Sitz zurückgedrückt zu werden, wenn Ihr Auto beschleunigt, oder zur Seite gedrückt zu werden, wenn es um eine Kurve fährt? Eine IMU erfährt ähnliche Schubkräfte und kann anhand dieser Daten berechnen, wie sie sich bewegt.
Eine IMU misst diese Dinge mithilfe einer Sammlung von Beschleunigungsmessern und Gyroskopen. Aber nicht alle IMUs sind gleich aufgebaut, wie wir gleich besprechen werden.
Verschiedene IMU-Technologien
Die beliebteste IMU-Technologie ist MEMS, was für mikroelektromechanische Systeme steht. Das bedeutet, dass die gesamte IMU so klein ist, dass sie auf eine Leiterplatte passt. Dadurch eignet sich die MEMS-Technologie ideal für Anwendungen, bei denen die Größe eine Rolle spielt, z. B. in Smartphones oder Drohnen. Sie können aus Quarz hergestellt werden, aber die meisten bestehen aus Silizium.
Es gibt auch FOG- und RLG-IMUs (diese stehen für faseroptisches Gyroskop bzw. Ringlaserkreisel). Diese IMUs verwenden, wie der Name schon sagt, eine andere Art von Gyroskop zur Messung der Winkelgeschwindigkeit - die Beschleunigungssensoren können durchaus die gleichen sein, die man in einer MEMS-IMU findet.
RLG- und FOG-IMUs sind größer und teurer als MEMS-IMUs und genießen seit langem den Ruf, genauer und stabiler zu sein als MEMS-IMUs (d. h. ihre Genauigkeit lässt langsamer nach). Die MEMS-Technologie wird jedoch ständig verbessert - und bei OxTS haben wir jahrelang präzise Kalibrierungstechniken und fortschrittliche Datenverarbeitungsalgorithmen entwickelt, um die beste Leistung aus unserer MEMS-IMU-Technologie herauszuholen. Wir haben uns auch auf die Verwendung einer Vielzahl zusätzlicher Sensoren konzentriert, um die Genauigkeit weiter zu verbessern und unseren Nutzern eine Leistung auf FOG-Niveau mit MEMS-Technologie (und zu MEMS-Preisen!) zu bieten.
Um Ihnen zu zeigen, was wir meinen - erinnern Sie sich an das Bild der Positionsdaten für eine Fahrt durch London? Durch die IMU sind die Daten viel genauer als GNSS-Daten allein, aber es gibt immer noch Fehler - Sie können zum Beispiel Linien sehen, die durch Gebäude verlaufen.
Eine der Innovationen, an denen wir auf OxTS gearbeitet haben, ist LiDAR-Trägheits-Odometrieoder kurz OxTS LIO. Sie verwendet Geschwindigkeitsdaten von einem LiDAR-Scanner, um Orientierungs- und Geschwindigkeitsdaten zu berechnen, die in die Berechnungen des INS einfließen können. Wenn man diese Daten zusätzlich zur IMU hinzufügt, erhält man Positionsdaten, die wie folgt aussehen:
Viel genauer - und das ohne teure FOG- oder RLG-IMU.
Wir haben nur an der Oberfläche gekratzt
Dieser Blog richtet sich an diejenigen, die neu auf dem Gebiet der Trägheitsnavigation sind - daher gibt es natürlich noch viel mehr zu besprechen. Wie wirkt sich die Erddrehung auf meine IMU aus? Was tun Sie, wenn Ihre IMU und Ihr GNSS unterschiedliche Entfernungen messen? Was hat das alles mit PNT zu tun? Ihre Reise in die Feinheiten der Trägheitsnavigation hat gerade erst begonnen...
Sie können die oben verlinkten Blogs lesen, um mehr über Trägheitsnavigation zu erfahren - oder mit unserem Team über Ihr Projekt und Ihre Fragen sprechen. Wir lieben es, über dieses Thema zu sprechen! Kontaktieren Sie uns einfach über das untenstehende Formular und wir melden uns bei Ihnen!
