Przypadek błądzącego żyroskopu (Inertial Measurement Unit)

Przypadek błądzącego żyroskopu (Inertial Measurement Unit)

Ian Beavers

Pytanie:

Słyszałem, że wskazanie żyroskopu może akumulować błąd dryftu przez długi czas. Czy to może zdarzyć się w przypadku IMU?

 

Odpowiedź:

Żyroskop typu MEMS, który mierzy prędkość kątową, powoduje powstanie błędu na skutek kilku czynników. Jedną ze składowych błędu jest niestabilność obciążenia. Jednak układ typu IMU (inercyjna jednostka pomiarowa) ma w porównaniu do komponentu dyskretnego kilka zalet, które pozwalają uzyskać lepsze parametry. IMU z sześcioma stopniami swobody składa się z kilku inercyjnych czujników MEMS z kompensacją temperaturową, które zostały skalibrowane tak, aby zapewnić zgodność z ortogonalnymi osiami współrzędnych. Wewnętrzny trójosiowy żyroskop mierzy obrót względem znanego punktu, natomiast trójosiowy akcelerometr mierzy przesunięcie. Następnie przetwarzanie w układzie cyfrowym lub mikrokontrolerze pozwala uzyskać łączny odczyt z obu tych czujników.

Żyroskopy są narażone na niestabilność niezrównoważenia – w takiej sytuacji odczyt zera na żyroskopie będzie dryfował w czasie na skutek sumowania niemożliwych do usunięcia niedoskonałości i szumów występujących w urządzeniu. Niezrównoważenie można ustabilizować, dokonując kalibracji w znanym zakresie temperatur pracy IMU. Jednak stale zmieniające się niezrównoważenie spowoduje błąd określenia kąta. Błędy te będą się sumować, zatem wyznaczony za pomocą żyroskopu kąt obrotu lub kierunek także będzie dryfował w długim okresie. Niepożądanym skutkiem dryftu jest ciągły i nieograniczony przyrost wyznaczanej wartości. Natomiast akcelerometry zachowują się inaczej – są wrażliwe na wstrząsy i inne przyspieszenia niezwiązane z grawitacją.

Dryft żyroskopu wynika głównie z całkowania dwóch składowych: wolno zmieniającego się (niemal stałego) niestabilnego obciążenia i szumu na wyższych częstotliwościach, zwanego kątowym spacerem losowym (angular random walk – ARW). Te parametry są mierzone w stopniach obrotu w danej jednostce czasu. Oś odchylenia jest najbardziej narażona na dryft tego typu. Natomiast duża część dryftu w osi pochylenia (wysokości) i przechylenia może zostać usunięta w IMU poprzez monitorowanie za pomocą sprzężenia zwrotnego pozycji odniesionej do wektora grawitacji. Filtrowanie wyjścia oscyloskopu w IMU za pomocą filtru dolnoprzepustowego lub filtru Kalmana jest również powszechnie stosowaną metodą usunięcia części błędu wynikającego z dryftu.

W idealnym przypadku wystarczą dwa źródła referencyjne, aby skorygować dryft żyroskopu wzdłuż wszystkich osi. Natomiast układ IMU z 9. stopniami swobody zazwyczaj zawiera dodatkowe czujniki w postaci magnetometrów odpowiadających za każdą z trzech osi. Magnetometr mierzy natężenie pola odniesione do północnego bieguna magnetycznego Ziemi. Czujniki te można wykorzystać razem z danymi z akcelerometru jako dodatkowe źródło referencyjne, aby zniwelować skutki dryftu żyroskopu wzdłuż osi odchylenia. Jednak trudniejsze może być zaprojektowanie magnetometrów poprawnie mierzących przestrzeń, niż akcelerometru, ponieważ istnieje wiele źródeł generujących pola magnetyczne o amplitudzie zbliżonej do pola ziemskiego.

Jedną z najbardziej skutecznych metod eliminacji długoterminowego dryftu jest aktualizacja zerowej prędkości kątowej żyroskopu. Jeśli skądinąd wiadomo, że urządzenie jest w danym momencie nieruchome, odchylenie żyroskopu w danej osi można wyzerować. Występowanie takiej okoliczności może się znacząco zmieniać w zależności od zastosowania, jednak w każdej sytuacji, gdy system znajduje się w stanie spoczynku, można wyzerować jego wskazania. Typowe sytuacje tego typu to np. zatrzymany samochód, stacjonarny autonomiczny robot, lub moment między dwoma krokami idącego człowieka.

Oczywiście wykorzystanie wysokiej klasy IMU, która zapewnia minimalną niestabilność niezrównoważenia, ma bezpośredni wpływ na dryft żyroskopu. Stały błąd niezrównoważenia żyroskopu można zmierzyć, uśredniając wartość na wyjściu w długim odcinku czasu, podczas którego urządzenie się nie obraca. Wykres wariancji Allana układu IMU pokazuje dryft żyroskopu w stopniach na godzinę w zależności od czasu integracji Tau. Zazwyczaj przedstawia się go w skali logarytmicznej.

Układ ADIS16490 jest najnowszym produktem w ofercie ADI obejmującej wysokiej klasy układy IMU o wyśrubowanych parametrach. Niestabilność niezrównoważenia ADIS16490 wynosi tylko 1,8 stopnia na godzinę. Jest to widoczne na wykresie wariancji Allana układu ADIS16490 przedstawionym na rys. 1, na którym wartość 1,8 odpowiada okresowi godziny (3600 sekund).

Rys. 1. Wykres wariancji Allana układu ADIS16490

O autorze