Краткое руководство по основным принципам работы инерциальных датчиков

Инерциальный датчик — это устройство, способное измерять состояние движения объекта в пространстве, опираясь исключительно на внутренние физические законы, без использования каких-либо внешних сигналов (таких как GPS или Wi-Fi). Его основными компонентами являются акселерометры и гироскопы; эти устройства часто работают в тандеме, иногда дополняя их магнитометром для коррекции ориентации.

1. Акселерометр: датчик инерционной силы и гравитации.

Акселерометр измеряет линейное ускорение объекта в определенном направлении — то есть скорость изменения его скорости. В качестве примера рассмотрим наиболее распространенный тип — емкостной MEMS-акселерометр: представьте себе крошечную «пробную массу», подвешенную на пружинах внутри миниатюрного корпуса. Когда весь датчик ускоряется, пробная масса смещается в противоположном направлении из-за инерции, вызывая растяжение или сжатие пружин. Это незначительное смещение затем преобразуется в изменение емкости (где более близкое расположение приводит к большей емкости), что позволяет рассчитать ускорение. Согласно общей теории относительности, гравитация эквивалентна ускорению; следовательно, когда датчик неподвижен и лежит горизонтально, он регистрирует постоянное значение 9,8 м/с² (ускорение свободного падения). Именно так смартфон определяет, находится ли он в «альбомном» или «портретном» режиме — по направлению гравитации. Однако акселерометры имеют существенное ограничение: они не могут различать гравитацию и ускорение, вызванное движением. Например, если смартфон ускоряется вертикально вверх, его показания превысят 9,8 м/с²; наоборот, при свободном падении показания будут стремиться к нулю.

2. Гироскоп: определение «вращения»

Гироскоп измеряет угловую скорость объекта — скорость его вращения — вокруг определенной оси. В качестве примера рассмотрим вибрационный гироскоп MEMS, использующий физическое явление, известное как эффект Кориолиса: представьте себе крошечный камертон или инерционную массу, быстро колеблющуюся взад и вперед. Когда датчик вращается целиком, на эту колеблющуюся массу действует сила — сила Кориолиса — перпендикулярная как направлению колебаний, так и оси вращения. Эта сила вызывает незначительное боковое смещение массы; измерив величину этого смещения, можно рассчитать угловую скорость вращения. Ценность гироскопа заключается в его независимости от внешних источников; он по своей природе способен измерять собственное вращение. Эта возможность делает его более мощным, чем такие устройства, как компасы или уровни: в то время как компас подвержен влиянию магнитных полей, а уровень требует опоры на гравитацию, гироскоп работает полностью автономно.

3. Почему необходима комбинация обоих методов? — Принципы инерциальной навигации

Использование акселерометров или гироскопов по отдельности сопряжено с определенными трудностями; однако, комбинируя оба метода с алгоритмами слияния данных, можно достичь инерциальной навигации. Гироскоп предоставляет информацию о текущем положении и угловой скорости (например, «ориентирован на 30° к востоку от севера, вращается со скоростью 5° в секунду»), в то время как акселерометр сообщает об ускорении вдоль различных осей (например, «ускорение вверх составляет 2 м/с², ускорение вперед составляет 0,5 м/с²»). Однако для вычитания гравитационной составляющей из этих показаний необходимо знать текущее положение, предоставляемое гироскопом. Конкретный процесс вычислений выглядит следующим образом: интегрирование угловой скорости гироскопа дает положение (углы тангажа, крена и рыскания); используя эту информацию о положении, гравитационная составляющая вычитается из показаний акселерометра для определения истинного ускорения движения; Интегрирование ускорения движения один раз дает скорость, а повторное интегрирование скорости дает перемещение (изменение положения). Следовательно, при условии, что известны начальное положение, скорость и ориентация, инерциальная навигационная система может непрерывно вычислять и выдавать текущее положение и ориентацию на протяжении всего движения, работая полностью независимо от внешних сигналов.

4. Врожденный недостаток, который необходимо устранить — дрейф.

Инерциальные датчики страдают от неизбежного недостатка: кумулятивной ошибки интегрирования, обычно называемой «дрейфом». Акселерометры демонстрируют незначительный уровень шума; при интегрировании для определения скорости эта ошибка усиливается один раз, а при повторном интегрировании для определения смещения ошибка резко возрастает. Одновременно гироскопы также вносят незначительные ошибки в измерения угловой скорости; при интегрировании для определения углового положения эта ошибка линейно возрастает со временем. В результате чисто инерциальная навигационная система будет испытывать значительные отклонения в течение нескольких секунд или минут. Хотя дорогостоящие волоконно-оптические или лазерные гироскопы (обычно используемые в самолетах и ​​ракетах) могут сохранять точность в течение более длительных периодов, недорогие MEMS-датчики, используемые в мобильных телефонах, могут дрейфовать на несколько метров всего за несколько секунд. Поэтому крайне важно периодически корректировать кумулятивные ошибки инерциальных датчиков, используя другие датчики абсолютных измерений, такие как GPS-приемники, магнитометры, барометры или видеокамеры. 5. Повсеместное применение в повседневной жизни

Инерциальные датчики широко применяются как в повседневной жизни, так и в высокотехнологичных областях: в мобильных телефонах они обеспечивают вращение экрана (акселерометры определяют гравитацию), подсчет шагов (акселерометры определяют вибрации при ходьбе) и управление направлением движения в играх (гироскопы); в автомобильных системах электронной стабилизации (ESP) они определяют, не заносит ли автомобиль или не скользит ли он, что позволяет мгновенно тормозить отдельные колеса; в дронах и роботах они поддерживают стабильное зависание и обеспечивают автономную навигацию (особенно при потере сигналов GPS); в VR/AR-гарнитурах они точно отслеживают мельчайшие движения головы, чтобы минимизировать укачивание; а в аэрокосмических и ракетных системах они служат основным механизмом наведения на заключительных этапах полета или в случаях отказа сигналов GPS или их помех.

Вкратце, инерциальные датчики измеряют ускорение, используя «инерцию инерционной массы», и измеряют угловую скорость, используя «эффект Кориолиса на вибрирующей массе». Объединяя эти измерения и выполняя интеграционные вычисления, они могут автономно определять положение, скорость и ориентацию объекта, не полагаясь на какие-либо внешние сигналы, хотя эта возможность сопряжена с неизбежным компромиссом в виде накопления ошибок дрейфа с течением времени.