慣性航法システム（INS）とは？-OxTS

慣性航法とは？慣性航法システムとは？INSって何の略？これらは、日常生活に関連する良い質問です。例えば、車で職場までナビゲートしようとするときなど。このブログでは、このような疑問にお答えするお手伝いをいたします。

INSとは？

慣性航法システムにはさまざまな形や大きさがある。しかし、共通しているのは、複数の慣性センサーと、それらのセンサーからの測定値を追跡するための何らかの中央処理装置を使用していることです。INSは様々な技術を使用しますが、一般的には以下のようなものがあります：

+ 慣性計測ユニット（IMU）

- 加速度計

- ジャイロスコープ

+ GNSSレシーバー

+ 中央演算処理装置（CPU）

INSが実際にどのように機能するのかについては後ほど説明するが、今のところ最も重要なことは、GPSとの違いである。

GPS受信機のスイッチを入れ、すべてが正常に動作すると仮定すると、短時間で位置測定が生成されます。GPSの不正確さを無視すると、受信機が生成する位置測定は非常に具体的です。「あなたの現在地はこの緯度と経度に位置しています」と言う具合に、既知の座標システムを使用して絶対的な位置を与えてくれます。慣性ナビゲーションシステムは、そのようには動作しません。慣性ナビゲーションシステムの場合、生成される測定値は最後の既知の位置に対して相対的です。そのため、慣性ナビゲーションシステムがオンになってから数分経っても、「あなたの現在地はこの緯度と経度です」とは言えませんが、「あなたがスタートした場所から移動していません」と言うことはできます。

では、なぜ人々は慣性航法システムを使うのでしょうか？もし彼らがあなたの居場所を教えてくれないなら、どうやって月まで人類をナビゲートすることができたのか、なぜ潜水艦はいつも墜落しないのか、飛行機やミサイルはどうやって自分の道を見つけているのか？ありがたいことに、これらの質問に対する答えは簡単です。慣性航法システムは、それがどこから始まったかを教えれば、それが今どこにいるかを独自の測定値に基づいて簡単に割り出すことができます。宇宙船、潜水艦、航空機、ミサイルなどはすべてINSを使って航行することに成功していますが、それは彼らがどこから始まったかを知っているからです。

さて、慣性航法システムとは何かについて説明してきたが、次の論理的な質問はこうだ。 INSは実際にどのように機能するのか？

慣性航法システムを完全に理解するには、次のことも知っておくと便利です。 INSの参照フレームX軸、Y軸、Z軸に登録された値を正確に解釈できるようにするためです。また、ほとんどの慣性航法システムで使用されているセンサーの種類についても知っておく必要があります。加速度センサーとジャイロスコープ.慣性ナビゲーション・システムが3次元空間内の位置をどのように把握しているかを理解するためには、次のことも知っておく必要があります。推測航法.そして、INSの長所と短所を理解するためには、ドリフトについても知る必要がある。ドリフト。

自動車テストにINSが必要ですか？- もっと読む

マッピングにINSが必要？- もっと読む

オートノミーのアプリケーションにINSが必要ですか？- もっと読む

慣性航法技術、センサーなど

すでに述べたように、慣性ナビゲーション・システムは RT3000 v4は複数の異なるテクノロジーとセンサーで構成されています。慣性計測ユニット（IMU）には、ピッチ／ロールや加速度などの幅広い慣性計測を提供する加速度計とジャイロスコープが多数搭載されている。また、GNSSレシーバーも搭載されており、位置の更新と中央処理ユニットによるデータ管理を行います。このセクションでは、INSを構成する技術とセンサーについて詳しく見ていきます。

1) GNSS受信機

GNSS補助慣性航法システムは、GNSS受信機からの位置更新を使用して、搭載された慣性測定ユニットによって作成された測定値を補足します。GNSS受信機は、複数の衛星コンステレーションからの衛星信号を追跡します。4つの主要衛星コンステレーションは、Galileo、GLONASS、GPS、BeiDouです。

衛星からの入力をIMUからのデータとブレンドすることで、OxTS GNSS/INSは、高い更新レートで、3軸すべての方位と加速度で、センチメートルレベルの位置精度をリアルタイムで提供することができる。

GNSS受信機について詳しくはこちら

2) 加速度センサー

加速度計は、すべてのOxTS 慣性航法システムで使用されるセンサーの種類の1つです。その名が示すように、加速度計は加速度のみを測定します。しかし、速度などの他の測定値は、加速度に時間などの他の要素を乗じることで計算することができます。

加速度センサーは、慣性ナビゲーション・システムにおいて有用である。なぜならば、加速度センサーは、自動車の速度、走行距離、そして自動車試験において重要なことである衝撃までの時間に関する重要な情報をユーザーに提供するのに役立つからである。

加速度センサーにはさまざまな種類があるが、OxTS 慣性航法システムは微小電気機械システム（MEMS）加速度センサーを使用している。

加速度ピックアップについて詳しくはこちら

3) ジャイロスコープ

ジャイロスコープ（ジャイロ）は、慣性航法システムに使用されるセンサーで、デバイスの回転を測定する。

OxTS 慣性航法システムは、微小電気機械システム（MEMS）ジャイロスコープを使用します。MEMSジャイロスコープには多くの種類がありますが、OxTS 慣性航法システムは角速度を°/sで測定するものを使用しています。

加速度センサーの働きと同じように、ジャイロセンサーはINSの向きを即座に教えてくれるわけではないが、この情報さえあれば、それ以降はINSの向きを知ることができる。

ジャイロスコープについて詳しくはこちら

4) INSの参照フレーム

データ収集プロジェクトの前に、慣性航法システムにとって重要なのは、3D空間における自分の向き、つまり「参照フレーム」を理解することです。搭載されたIMUは、INSの動きと方向に関する情報を提供しますが、これを正確に行う前に、まず上下左右の方向を知る必要があります。

OxTS 慣性航法システムは、最初にどの参照フレームにいるかを知っている限り、ある参照フレームから別の参照フレームに動きを変換することができる。これは通常、設定段階で行われます。

INSの参照枠について詳しくはこちら

5) 死の再会

OxTS 慣性航法システム内の慣性計測ユニットには、3つの加速度計と3つのジャイロスコープが含まれている。それぞれ3つずつ使用することで、デバイスは推測航法として知られるプロセスを使用して3D空間内の位置を把握し、追跡することができる。

慣性ナビゲーション・システムは、搭載されたジャイロスコープと加速度計のどれに力が加わっても、その測定値を最後に確認した位置に加算するだけで、3D空間での位置を計算する。その結果、現在地がわかる。

デッドレコニングの仕組みについてはこちら

6) ドリフト

ほとんどのものがそうであるように、慣性航法システムにも長所と短所があります。慣性航法システムは、GNSS受信機からの位置更新を使用して、IMUからの測定値を補助することで機能します。追加の補助ソースが利用できない場合、INSは「補助なし」となり、IMU測定値のみを使用します。非補助」の場合、ジャイロスコープと加速度計の測定値に小さな誤差が蓄積されるため、位置ドリフトが発生します。

GNSSがない場合、位置ドリフトを抑制するために他の補助ソースをナビゲーションエンジンに統合することができます。OxTS 、追加の航法支援ソースを活用するための作業について、詳しくはこちらをご覧ください。 OxTS 汎用航法支援データ（GAD）インターフェース

ドリフトについて詳しくはこちら

慣性航法システムの仕組み

INSとは何かについて説明してきましたが、どのように機能するのでしょうか？慣性航法システムは複雑な装置である。ユーザーが3D空間内の自分の位置を正確に把握できるように、複数のテクノロジーで構成されています。INSの中心はIMUです。加速度センサーとジャイロスコープの集合体で、デバイスの動きと向きに関する正確な測定値をユーザーに提供します。

GNSS受信機との統合により、システムはドリフトしないことを保証できる。GNSSがない場合の位置ドリフトをさらに抑制するために、他の技術やセンサーを使用することができる。

最も単純に言えば、INSはそれに作用する力を理解することで機能する。そして、速度と移動距離を計算することで、既知の出発点に基づく新しい相対位置を提供する。

INSは、姿勢、位置、速度の最新情報を提供することができる。

姿勢

姿勢計測は、自動車試験やマッピングを含む多くのアプリケーションにおいて、測位に重要です。姿勢は、3D環境における物体の位置（ロール、ピッチ、ヨー）に関する情報を提供します。測定値は、水平面と真北の基準フレームを基準として計算されます。

速度と位置

加速度計は加速度しか測定しないため、INSは速度を直接測定することはできません。しかし、INSが速度を測定できないわけではない。物体にどれだけの加速度があり、それがどれだけの時間続いたかを記録することで、INSは加速度に時間をかけることで簡単に速度を割り出すことができる。

デッドレコニング（推測航法）と呼ばれるプロセスにより、誘導されていないINSでも正確な位置を計算することができます。最後の位置を把握し、どこに向かっているのか、そこまでの所要時間を知ることで、INSは新しい推定位置を計算することができます。しかし、補助なしのINSは時間とともにドリフトすることを考慮に入れることが重要です。