Cálculo de posição com dados de navegação inercial pura (IMU)

Pontos-chave

O cálculo de posição baseado em dados inerciais puros (IMU) é uma tecnologia de posicionamento comum. Ele calcula a posição do objeto alvo em tempo real utilizando as informações de aceleração e velocidade angular obtidas pela Unidade de Medição Inercial (IMU), combinadas com as informações de posição inicial e atitude. Este artigo apresentará os princípios, cenários de aplicação e alguns desafios técnicos relacionados ao cálculo de posição baseado em dados de navegação inercial puros.

1. Princípio do cálculo de posição baseado em dados de navegação puramente inercial

O cálculo da posição por meio de dados de navegação inercial pura é um método de posicionamento baseado no princípio da medição inercial. A IMU (Unidade de Medição Inercial) é um sensor que integra um acelerômetro e um giroscópio. Ao medir a aceleração e a velocidade angular do objeto alvo em três direções, é possível obter informações sobre sua posição e atitude.

No cálculo da posição por meio de navegação inercial pura, é necessário primeiro obter as informações iniciais de posição e atitude do objeto alvo. Isso pode ser feito com a introdução de outros sensores (como GPS, bússola, etc.) ou por meio de calibração manual. As informações iniciais de posição e atitude desempenham um papel importante no processo de solução. Elas fornecem um ponto de partida para que os dados de aceleração e velocidade angular medidos pela IMU possam ser convertidos nas mudanças reais de deslocamento e atitude do objeto alvo.

Em seguida, com base nos dados de aceleração e velocidade angular medidos pela IMU, combinados com as informações iniciais de posição e atitude, algoritmos de integração numérica ou filtragem podem ser usados ​​para calcular a posição do objeto alvo em tempo real. O método de integração numérica obtém a velocidade e o deslocamento do objeto alvo por meio da discretização e integração dos dados de aceleração e velocidade angular. O algoritmo de filtragem utiliza métodos como a filtragem de Kalman ou a filtragem de Kalman estendida para filtrar os dados medidos pela IMU e obter a estimativa da posição e atitude do objeto alvo.

2. Cenários de aplicação do cálculo da posição de dados de navegação puramente inercial

O cálculo de posição baseado em dados de navegação inercial pura é amplamente utilizado em diversas áreas. Dentre elas, a navegação em ambientes internos é um dos cenários de aplicação típicos para o cálculo de posição com dados de navegação inercial pura. Em ambientes internos, os sinais de GPS geralmente não alcançam, e o cálculo de posição com dados de navegação inercial pura pode utilizar os dados medidos pela IMU (Unidade de Medição Inercial) para obter o posicionamento preciso de objetos-alvo em ambientes internos. Isso é de grande importância em áreas como direção autônoma e robôs de navegação em ambientes internos.

O cálculo da posição por meio de dados de navegação inercial pura também pode ser utilizado na área aeroespacial. Em aeronaves, como o sinal de GPS pode sofrer interferências em grandes altitudes ou longe do solo, o cálculo da posição por meio de dados de navegação inercial pura pode ser usado como um método de posicionamento alternativo. Ele permite calcular a posição e a atitude da aeronave em tempo real, utilizando os dados medidos pela IMU (Unidade de Medição Inercial), e fornecer essas informações ao sistema de controle de voo para estabilização de atitude e planejamento de trajetória de voo.

3. Desafios do cálculo de posição usando dados de navegação puramente inercial

O cálculo de posição baseado em dados de navegação inercial pura ainda enfrenta alguns desafios em aplicações práticas. Em primeiro lugar, o próprio sensor IMU apresenta erros e ruídos, o que afeta a precisão do posicionamento. Para melhorar a precisão da solução, o sensor IMU precisa ser calibrado e ter seus erros compensados, além de ser necessário utilizar um algoritmo de filtragem adequado para reduzir o erro.

O cálculo de posição baseado em dados de navegação puramente inercial é propenso a erros cumulativos durante movimentos de longa duração. Devido às características da operação de integração, mesmo que a precisão de medição do sensor IMU seja alta, a integração prolongada levará ao acúmulo de erros de posicionamento. Para solucionar esse problema, outros meios de posicionamento (como GPS, sensores visuais, etc.) podem ser introduzidos para posicionamento auxiliar, ou um método de navegação inercial acoplado de forma mais eficiente pode ser utilizado.

O cálculo da posição baseado em dados de navegação puramente inercial também precisa considerar o impacto do ambiente dinâmico. Em um ambiente dinâmico, o objeto alvo pode ser afetado por forças externas, causando desvios nos dados medidos pela IMU (Unidade de Medição Inercial). Para melhorar a robustez da solução, os efeitos de ambientes dinâmicos podem ser compensados ​​por meio de métodos como estimativa de movimento e calibração dinâmica.

Resumir

O cálculo de posição por dados inerciais puros é um método de posicionamento baseado em medições de IMU (Unidade de Medição Inercial). Ao adquirir dados de aceleração e velocidade angular, combinados com informações de posição e atitude iniciais, a posição e a atitude do objeto alvo são calculadas em tempo real. Possui ampla aplicação em navegação interna, aeroespacial e outras áreas. No entanto, o cálculo de posição por dados de navegação inercial pura também enfrenta desafios como erro de calibração, erro cumulativo e ambiente dinâmico. Para melhorar a precisão e a robustez da solução, é necessário adotar métodos de calibração adequados, algoritmos de filtragem e métodos de posicionamento auxiliares. A IMU MEMS desenvolvida pela Micro-Magic Inc. possui alta precisão, como os modelos UF300A e UF300B, que apresentam precisão superior e são produtos de nível de navegação. Se desejar saber mais sobre IMU, entre em contato com nossos técnicos especializados o mais breve possível.