ผลลัพธ์ของ IMU คืออะไร?

ในฐานะผู้ให้บริการหน่วยวัดแรงเฉื่อย (IMU) ฉันมักถูกถามอยู่เสมอว่า IMU ให้ผลลัพธ์อะไรกันแน่ ในบล็อกโพสต์นี้ ฉันจะเจาะลึกรายละเอียดของผลลัพธ์ของ IMU ความสำคัญของมัน และวิธีการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ

ทำความเข้าใจพื้นฐานของ IMU

ก่อนที่เราจะพูดถึงผลลัพธ์ เรามาทำความเข้าใจสั้นๆ กันก่อนว่า IMU คืออะไร หนึ่งหน่วยวัดแรงเฉื่อย IMUเป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดและรายงานแรงเฉพาะของร่างกาย อัตราเชิงมุม และบางครั้งการวางแนวของร่างกาย โดยใช้เครื่องวัดความเร่ง ไจโรสโคป และบางครั้งก็เครื่องวัดสนามแม่เหล็กร่วมกัน

ส่วนประกอบเอาท์พุตของ IMU

เอาต์พุตมาตรวัดความเร่ง

มาตรความเร่งใน IMU จะวัดความเร่งที่เหมาะสม ซึ่งเป็นความเร่งที่สัมผัสได้เมื่อเทียบกับการล้มอย่างอิสระ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือวัดแรงเร่งความเร็วที่กระทำต่ออุปกรณ์ รวมถึงแรงโน้มถ่วงด้วย โดยทั่วไปเอาต์พุตจะมีหน่วยเป็น g (โดยที่ 1 g มีค่าประมาณ 9.81 m/s²)

ตัวอย่างเช่น เมื่อ IMU อยู่นิ่งบนพื้นผิวเรียบ มาตรความเร่งจะวัดความเร่งประมาณ 1 กรัมในทิศทางตรงข้ามกับแรงโน้มถ่วง หาก IMU อยู่ในการเคลื่อนที่ มาตรความเร่งจะวัดผลรวมของความเร่งโน้มถ่วงและความเร่งเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์

เอาท์พุตของมาตรความเร่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น การตรวจจับการเคลื่อนไหว การวิเคราะห์การสั่นสะเทือน และการกำหนดความเอียงหรือการเอียงของวัตถุ ตัวอย่างเช่น ในวิทยาการหุ่นยนต์ ข้อมูลมาตรความเร่งสามารถใช้เพื่อตรวจจับการเคลื่อนไหวอย่างกะทันหันหรือการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของหุ่นยนต์ ซึ่งสามารถช่วยป้องกันล้มหรือการชนได้

เอาท์พุตไจโรสโคป

ไจโรสโคปใน IMU จะวัดอัตราเชิงมุมหรืออัตราการหมุนของอุปกรณ์รอบแกนสามแกน (โดยปกติจะมีป้ายกำกับเป็น x, y และ z) โดยทั่วไปเอาต์พุตจะได้รับเป็นหน่วยองศาต่อวินาที (°/s) หรือเรเดียนต่อวินาที (rad/s)

ไจโรสโคปแตกต่างจากเครื่องวัดความเร่งซึ่งวัดความเร่งเชิงเส้นตรงที่มุ่งเน้นไปที่การเคลื่อนที่แบบหมุน โดยให้ข้อมูลว่าอุปกรณ์หมุนเร็วแค่ไหนในแต่ละทิศทาง ข้อมูลนี้จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการควบคุมทิศทางที่แม่นยำ เช่น โดรน อุปกรณ์สวมศีรษะความเป็นจริงเสมือน และระบบนำทาง

ตัวอย่างเช่น ในโดรน เอาต์พุตไจโรสโคปจะใช้เพื่อรักษาเสถียรภาพของโดรนและควบคุมทิศทางระหว่างการบิน ด้วยการวัดอัตราเชิงมุมอย่างต่อเนื่อง ตัวควบคุมการบินของโดรนจึงสามารถปรับความเร็วของมอเตอร์เพื่อตอบโต้การหมุนที่ไม่ต้องการ และรักษาระดับของโดรนและอยู่ในเส้นทาง

เอาต์พุต Magnetometer (อุปกรณ์เสริม)

IMU บางตัวยังมีแมกนีโตมิเตอร์ซึ่งใช้วัดความแรงและทิศทางของสนามแม่เหล็กรอบอุปกรณ์ โดยทั่วไปเอาต์พุตจะได้รับในหน่วยเกาส์ (G) หรือเทสลา (T)

แมกนีโตมิเตอร์สามารถใช้เพื่อกำหนดการวางแนวของอุปกรณ์ที่สัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กของโลก ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น การนำทางด้วยเข็มทิศ ด้วยการรวมข้อมูลแมกนิโตมิเตอร์เข้ากับข้อมูลมาตรความเร่งและไจโรสโคป IMU จึงสามารถให้ภาพการวางแนวของอุปกรณ์ในพื้นที่สามมิติที่แม่นยำและครอบคลุมยิ่งขึ้น

อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือเอาต์พุตของแมกนีโตมิเตอร์อาจได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กภายนอก เช่น สนามแม่เหล็กที่เกิดจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือวัตถุที่เป็นโลหะในบริเวณใกล้เคียง ดังนั้นจึงมักต้องใช้เทคนิคการสอบเทียบและการกรองเพิ่มเติมเพื่อให้มั่นใจในความถูกต้องของข้อมูลแมกนิโตมิเตอร์

การรวมผลลัพธ์สำหรับการประมาณทิศทาง

แม้ว่ามาตรความเร่ง ไจโรสโคป และแมกนีโตมิเตอร์จะให้ข้อมูลอันมีค่าในตัวเอง แต่พลังที่แท้จริงของ IMU อยู่ที่ความสามารถในการรวมเอาท์พุตเหล่านี้เพื่อประมาณการวางแนวของอุปกรณ์ในพื้นที่สามมิติ

วิธีการทั่วไปวิธีหนึ่งในการประมาณค่าการวางแนวคือการใช้อัลกอริธึมการรวมเซ็นเซอร์ เช่น ตัวกรองคาลมานหรือตัวกรองเสริม อัลกอริธึมเหล่านี้จะคำนึงถึงจุดแข็งและจุดอ่อนของเซ็นเซอร์แต่ละตัว และรวมเอาต์พุตเข้าด้วยกันเพื่อสร้างการประมาณทิศทางของอุปกรณ์ที่แม่นยำและเสถียรยิ่งขึ้น

ตัวอย่างเช่น มาตรความเร่งสามารถวัดการวางแนวคงที่ของวัตถุได้ดี (เช่น การเอียงหรือการเอียง) แต่อาจได้รับผลกระทบจากการสั่นสะเทือนและการเคลื่อนไหวอย่างกะทันหัน ในทางกลับกัน ไจโรสโคปมีความแม่นยำมากในการวัดการเปลี่ยนแปลงการวางแนวในระยะสั้น แต่อาจคลาดเคลื่อนไปตามกาลเวลาเนื่องจากข้อผิดพลาดในการรวมระบบ ด้วยการรวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์ทั้งสองโดยใช้อัลกอริธึมการรวมเซ็นเซอร์ เราจึงสามารถประมาณการวางแนวของอุปกรณ์ได้แม่นยำและเชื่อถือได้มากขึ้น

การประยุกต์ใช้เอาต์พุต IMU

ผลลัพธ์ของ IMU มีการใช้งานที่หลากหลายในอุตสาหกรรมต่างๆ รวมไปถึง:

การบินและอวกาศและกลาโหม

ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและการป้องกันประเทศ IMU ใช้สำหรับการนำทาง การนำทาง และการควบคุมเครื่องบิน ขีปนาวุธ และยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ (UAV) เอาต์พุต IMU ให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับตำแหน่ง ทิศทาง และการเคลื่อนที่ของยานพาหนะ ซึ่งจำเป็นสำหรับการรักษาเสถียรภาพ การนำทางที่แม่นยำ และการดำเนินการที่ซับซ้อน

ยานยนต์

ในอุตสาหกรรมยานยนต์ IMU ถูกนำมาใช้สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงระบบควบคุมเสถียรภาพทางอิเล็กทรอนิกส์ (ESC) การตรวจจับการพลิกคว่ำ และระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) เอาต์พุต IMU ช่วยในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงกะทันหันในการเคลื่อนที่ของยานพาหนะ เช่น การลื่นไถลหรือการกลิ้ง และสามารถเรียกใช้คุณสมบัติด้านความปลอดภัยเพื่อป้องกันอุบัติเหตุ

เครื่องใช้ไฟฟ้า

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค IMU พบได้ในสมาร์ทโฟน แท็บเล็ต นาฬิกาอัจฉริยะ และชุดหูฟังความเป็นจริงเสมือน ข้อมูลมาตรความเร่งและไจโรสโคปใช้สำหรับคุณสมบัติต่างๆ เช่น การหมุนหน้าจอ การจดจำท่าทาง และแอปพลิเคชันความเป็นจริงเสริม ตัวอย่างเช่น ในสมาร์ทโฟน มาตรความเร่งสามารถตรวจจับได้เมื่อโทรศัพท์เอียงหรือสั่น ซึ่งสามารถใช้เพื่อกระตุ้นการกระทำหรือเกมบางอย่างได้

วิทยาการหุ่นยนต์

ในวิทยาการหุ่นยนต์ IMU ใช้สำหรับการควบคุมการเคลื่อนไหว การทรงตัว และการนำทาง เอาท์พุต IMU ให้ข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่ง การวางแนว และการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ ซึ่งสามารถใช้เพื่อควบคุมข้อต่อและมอเตอร์ของหุ่นยนต์ และนำทางผ่านสภาพแวดล้อมของมัน ตัวอย่างเช่น ในหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ IMU สามารถช่วยหุ่นยนต์รักษาสมดุลขณะเดินหรือทำงานอื่นๆ

บทสรุป

โดยสรุป ผลลัพธ์ของ IMU ประกอบด้วยข้อมูลจากมาตรความเร่ง ไจโรสโคป และบางครั้งแมกนีโตมิเตอร์ ซึ่งให้ข้อมูลเกี่ยวกับความเร่งเชิงเส้นของอุปกรณ์ อัตราเชิงมุม และสนามแม่เหล็ก ด้วยการรวมเอาต์พุตเหล่านี้โดยใช้อัลกอริธึมฟิวชั่นเซ็นเซอร์ IMU จึงสามารถประมาณการวางแนวของอุปกรณ์ในพื้นที่สามมิติ ซึ่งมีการใช้งานที่หลากหลายในอุตสาหกรรมต่างๆ

หากคุณสนใจที่จะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ IMU ของเรา หรือมีคำถามใดๆ เกี่ยวกับผลลัพธ์หรือการใช้งาน โปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเรา เรายินดีที่จะหารือเกี่ยวกับความต้องการเฉพาะของคุณและช่วยคุณค้นหาโซลูชันที่เหมาะสมสำหรับโครงการของคุณ

อ้างอิง

• "ระบบนำทางเฉื่อยพร้อมแอปพลิเคชัน Geodetic" โดย Gérard Lachapelle และ Michael E. Cannon
• คาร์วิเนน
• "ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการเดินเรือเฉื่อย" โดย Paul D. Groves