Inercijalni sistem

T. NinkovV. Bulatović

Inercijalni sistem

• Sistem za navigaciju koji koristi akcelerometre i žiroskope u cilju kontinualnog računanja pozicije, orjentacije, brzineorjentacije, brzine

• Koristi se na vozilima, letelicama, krstarećim raketama...

Inercijalni sistem

• senzori kretanja (akcelerometri)• senzori rotacije (žiroskopi)

Akcelerometri

• Kontinualno mere linearnu ili ugaonu relativnu promenu ubrzanja

• 3 akcelerometra kontinualno mere promenu ubrzanja po sve 3 ose

Primer: t=0s automobil stojiPrimer: t=0s automobil stojiautomobil ubrzava 2m/s2

t=10s automobil dostiže brzinuautomobil usporava 2m/s2

t=20s automobil se zaustavljaKoliki je pređeni put?

AkcelerometriOd 0te do 10 sekunde brzina se linearno menja i u 10toj sekundi dostiže 20m/s, nakon

toga vozilo linearni usporava i u 20toj sekundi se zaustavlja.U prvih 10 sekundi vozilo prelazi 100m, u drugih 10 još 100m. Ukupan pređeni put je

200m.Kumulativna površina na prvom grafiku odnosi se na brzinu u momentu tKumulativna površina na drugom grafiku odnosi se na pređeni put u momentu t

1

2

a

10 20 t

-1

-2

10

10

20

v

20 t

2 2

2

1 1

*

t t

t t

S a dt

→

= ∫ ∫

Akcelerometri

• Korišćenjem 3 akcelerometra koji mere promenu ubrzanja po sve 3 referentne ose, u svakom momentu t može se odrediti položaj u odnosu na referentnu tačku

• Ako se definiše 3D koordinatni sistem u kojem akcelerometri mere promenu ubrzanja po sve 3 ose i ako je poznata početna koordinata može se odrediti tekući je poznata početna koordinata može se odrediti tekući položaj u momentu t

• Pozicioniranje se vrši na sličan način kao GPS-om, ali bez eksternih komponenti (sateliti i kontrolne stanice)

• Inicijalizacija podrazumeva unošenje početnog položaja od strane operatora ili GPS-a

Žiroskop

Žiroskop

Prednost i nedostaci IMU

• Robusniji sistem• Ne zahteva eksterne resurse (sateliti i sl.)• Služi i za pozicioniranje i za određivanje

orjentacijeorjentacije

• Greška pozicioniranja se akumulira sa vremenom

GPS vs IMU+GPS

GPS+IMU

• Inicijalizacija IMU se vrši GPS-om• Nakon inicijalizacije, greška određivanja pozicije

je 5m posle 2min (greška se nagomilava kao kod slepog vlaka)kod slepog vlaka)

• Između 2 inicijalizacije, pozicije se određuju sa greškom od 2cm (kao kod umetnutog vlaka)

• Omogućuje precizno pozicioniranje u tunelu (pod uslovom da se inicijalizuje pre i posle tunela)

Tehničke specifikacijePositioning GPS Receiver Dependent

Positioning Accuracy 0.02m

Velocity Accuracy 0.05km/h RMS

Acceleration– Bias– Linearity– Scale Factor– Range

10 mm/s²0.01%0.1%

100 m/s²(Optional 30G)

Roll/Pitch 0.03°

Heading 0.1°

Angular Rate 0.01°/s 1sAngular Rate– Bias– Scale Factor– Range

0.01°/s 1s0.1% 1s100°/s

Update Rate 100Hz

Calculation Latency 3.9ms

Power 9–18Vdc, 15W

Dimensions (mm) 234 x 120 x 76

Weight 2.2 kg

Operating Temperature –10 to 50°C

Shock Survival 100G, 11ms

Internal Storage 2 GB

NMEA izlaz• Podržava sistem okidača (jedan uređaj inicira merenje na drugom

uređaju)• Podržava brojne tipove rečenicaTip OpisGGA Geographical Fix Information HDT Heading TrueZDA Date and Time ZDA Date and Time VTG Velocity and Track over Ground GST GPS Pseudorange Noise Statistics TableRMC Recommended Minimum data for GPS TablePASHR Heading, Pitch, Roll TableGSV GPS Satellites in view TableGSA GPS DOP and active satellites TablePTCF Orientation and angular rate Table

Integracija GPS-a i IMU

Skener + GPS + IMU

X=r*sin θ*cos φ

Y=r*sin θ*sin φ

Z=r*cos θ

Lokalni koordinatni sistem skenera

*Svaki frejm ima sopstveni koordinatni sistem, drugačiju orjentaciju skenera i drugačiju poziciju

Transformacija frejma u jedinstveni koordinatni sistem

Xwgs84=t+R*Xskener

t- vektor translacijeR- matrica 3D rotacijeR- matrica 3D rotacije

*Orjentacija i pozicija skenera jedinstveni su za svaki frejm

Kalibracija montiranog laseraOdredjivanje parametara eksentriciteta obavlja se laboratorijski

Parametri eksentriciteta

Podešavanje preko 4 sceneCrveno: pozicije GPS/IMUPlavo: pozicije skeneraCrno: kontrolne tačke