モーション補正とポジション:慣性センサーの役割と重要な機能

2021年11月15日

動作補正と位置とは、正確な位置情報を維持するために、動作や動きを調整または補正する、一般的にセンサーやデバイスを含むシステムの能力を指す。

この補正により、外部からの動きや外乱にもかかわらず、信頼性の高い一貫した位置と姿勢のデータが維持される。

気候変動、汚染、生態系といった今日の環境問題の中で、海洋学は極めて重要な役割を果たしている。

海洋学者は、課題の理解と解決に不可欠な、より高いパフォーマンスのために急速に進化する技術に依存している。

当社は15年以上にわたり、マリーン 業界向けに慣性航法システムを製造してきました。慣性航法システムとは何か、どのように利用されているかを説明します。さらに、MRUやINS/GNSSを海洋観測機器の動き補正や正確な位置追跡のために選択する際に重要なパラメータを紹介します。

 

正確なモーション、ナビゲーション計測の味方

慣性航法システムはINSとも呼ばれ、ロール、ピッチ、ヘディング、位置、速度、ヒーブを提供する航法装置である。様々な要素で構成されている:INSの中核となる慣性計測ユニット(IMU)、マイクロプロセッサー、GPS/GNSS受信機などです。

IMUには、3つの加速度計、3つのジャイロスコープ、そして方位要求に応じて3つの地磁気計が組み込まれている。

IMUは、ピッチ、ロール、ヨーを決定するために回転することにより、3軸にわたってオイラー角を測定する。

マイクロプロセッサは、拡張カルマンフィルタ(EKF)を実行し、位置、速度、GNSSベースの方位が必要な場合は、GNSSとリアルタイムで慣性データを融合します。さらに、一部のINSは、あらゆる海洋作業やミッションのための波浪測定データも提供します。

モーション補正とポジション
モーション補正とポジション:プラットフォームの動き

 

 

海洋学者は、環境パラメータ(例えば塩分濃度)、堆積学、潮流など、様々な要素を測定するために様々な機器を使用する。これには、機器やプラットフォームの動きを補正する慣性航法システムも含まれる。

ブイ、船舶、地上システム、海底システムなど、さまざまなタイプのプラットフォームに設置することができる。USV, ROVAUV)などの様々なプラットフォームに取り付けることができ、サイズ、消費電力、筐体などがソリューションを選択する際の決め手となりますが、それだけではありません。以下は、慣性センサを選択する際にチェックすべき有用なヒントです。

 

1 - ロバスト性とデータの再現性をチェックするには?

慣性センサーは、何カ月も海上に滞在する可能性のあるプラットフォームに組み込まれているため、センサーの堅牢性は極めて重要です。そのため、すべてのSBG Systems' MRUとINSは、多軸回転テーブルと温度チェンバーを使用した個別のハイエンド校正手順の恩恵を受けています。

これらのセンサーは、-40~85℃の温度範囲で広範囲に校正されており、各センサーには校正レポートが添付されます。これは、システムが最適な一定の動作を維持し、最も過酷な環境条件であっても、すべての環境条件において正確なデータを継続的に提供することを保証するもので、生産における重要なステップです。

SBGでは、特定の社内認定プロセスにより、生涯にわたって同じレベルの性能が保証され、大きなドリフトは発生しません。校正の際、慣性センサーは厳格なスクリーニング・プロセスを経て、仕様に適合しないセンサーはすべて取り除かれるため、専門家はミッション中に一貫した測定値を期待することができます。

 

2 - ヒーブ測定 - 海の状態によってセンサーを選ぶ

Ellipse と呼ばれるSBGの小型慣性センサーが、波の周期に合わせて自動的に調整する5cm精度のリアルタイム・ヒーブを提供する場合、それは限られた波の周期で行われます。波の周期がより大きかったり、より複雑であったりするミッションを可能にするため、SBGの上位グレードの製品には遅延ヒーブ機能が付いており、その結果、少し遅れてリアルタイムで計算された2cm精度のヒーブが得られる。

計器ブイの青写真
運動、安定化、位置監視のための計装ブイ上のINS/GNSS

 

 

3 - マルチコンステレーションGNSS受信機と補正機能

新世代のエントリーレベルGNSSレシーバーは、GPS、Glonass、Beidou、Galileoを利用できるようになったため、衛星のカバー範囲が限られている困難な地域での衛星の利用可能性が高まった。測位位置が研究に十分でない場合、ハイエンドのシステムではPPP補正により5cmのリアルタイム測位が可能です。

この技術は、より手頃でシンプルなソリューションを提供するために、常に進化しています。センチメートル単位の位置を提供するRTKは、海岸に近い場所では今でも最も正確な測位ソリューションです。データがリアルタイムで必要でない場合は、後処理ソフトウェアを使用することでさらに高精度が可能になります。

 

4 - ローダイナミクスやミッションが極に近い場合、どのようなヘディング・ソリューションがあるか?

私たちの経験から、ほとんどの海洋学アプリケーションでは、デュアルアンテナINS(同じGPS/GNSSレシーバーに2つのアンテナを使用)の重要性が強調されています。

実際、この種の慣性センサーは、2つのGPS/GNSSアンテナを使用し、シングルアンテナGPSとは逆に、静止しているときや非常に低いダイナミクスでも有効な位置、速度、真の方位角を提供する。

また、磁力計やジャイロコンパスが影響を受けるような磁気の乱れや地球の自転の影響を受けることなく、どのような状況でも真の方位を提供します。これは、特に現在の研究や極地でのミッションにとって重要な機能である。

SBGでは、Ellipse-D 第3世代を発表したばかりです。これは、17グラムの2周波およびデュアルアンテナGNSS/INSで、ハイエンドの機能を備えており、海洋学にとって理想的なソリューションとなっています。

Ellipse-Dボックス_OEM_ハンド
Ellipse-D デュアルアンテナおよびデュアル周波数INS/GNSS

 

 

5 - 容易な統合と技術サポート

慣性センサーは、どのようなマリーン プロジェクトにも簡単に統合することができます。これは、多数の業界ソフトウェアおよびプロトコル(SBGでは90種類以上のメッセージ)との互換性のおかげです。また、自律型プラットフォームに簡単に統合できるよう、ROSドライバも提供されています。

センサーを選ぶときは、データシートだけでなく、統合中や統合後の会社のサポートも重視すること。

プロジェクトの成功には、サポートの対応力と適切さが鍵となる。慣性センシングとナビゲーションは、多くのパラメーターを考慮する学問である。トレーニングを通じていくつかの基礎を学ぶことは、プロジェクト開発の迅速性を大きく変える可能性もある。

我々は、Ellipse のような新しい小型センサーが、ほとんどの海洋学的アプリケーションに適合することを見てきた。ハイエンドのINS/GNSSは、様々なグレードの計器を統合した完全装備の船舶で、様々な計器を補正します。

SBG Systems は、0.02°~0.007°のロール/ピッチ性能等級を持つ慣性計測ユニットを特徴とする、Navsight マリーン ソリューションを提供する。

Navsight堅牢なプロセッシング・ユニットに、フュージョン・インテリジェンス、サーベイ グレードのGNSSレシーバー、データ・ロガー、さまざまな接続オプションが統合されている。

この先進的なソリューションは、海洋学に特化した船団全体に適している。例えば、マルチビーム・エコーサウンダーなどの機器を補正する必要がある。

どのようなタイプのアプリケーションにとっても、慣性センサを選ぶことは、プロジェクト開発のパートナーを選ぶようなものです。これらのアドバイスが今後の統合を成功に導く一助となれば幸いです。

Navsight Ekinox 2 INS
Navsight 海底Ekinox グレードIMU付き

 

 

記事全文は、マリーン Technology Reporter 2月号に掲載された。

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