Pozycja bezwładnościowa

Powrót do słownika

Pozycja inercyjna to oszacowana trójwymiarowa lokalizacja poruszającego się obiektu, obliczona wyłącznie na podstawie pomiarów inercyjnych. System nawigacji inercyjnej (INS) określa tę pozycję poprzez ciągłą integrację pomiarów przyspieszenia z inercyjnego zespołu pomiarowego (IMU), kompensując jednocześnie położenie pojazdu i obrót Ziemi. Ponieważ obliczenia opierają się wyłącznie na czujnikach pokładowych, pozycja inercyjna pozostaje dostępna w środowiskach, w których globalne systemy nawigacji satelitarnej (GNSS) są niedostępne lub zawodne.

Proces szacowania rozpoczyna się od konkretnych pomiarów sił zebranych przez trójosiowe akcelerometry w układzie odniesienia ciała. System INS te pomiary do układu odniesienia nawigacyjnego przy użyciu macierzy położenia $\mathbf{C}_b^n$​, uzyskane z żyroskopów lub systemu odniesienia położenia i kursu (AHRS). Następnie przywraca się wpływ grawitacji w celu uzyskania rzeczywistego przyspieszenia liniowego:

$$\mathbf{a}_n = \mathbf{C}_b^n \mathbf{f}_b + \mathbf{g}_n$$

gdzie $\mathbf{f}_b$ jest zmierzoną siłą właściwą, a $\mathbf{g}_n$​ to wektor grawitacji lokalnej.

Prędkość oblicza się metodą całkowania numerycznego:

$$\mathbf{v}(t)=\mathbf{v}_0+\int_{t_0}^{t}\mathbf{a}_n(\tau)\,d\tau$$

Wynik wynika z drugiego całkowania:

$$\mathbf{p}(t) = \mathbf{p}_0 + \int_{t_0}^{t} \mathbf{v}(\tau) \, d\tau$$

Te aktualizacje mechanizacji są wykonywane w czasie rzeczywistym z częstotliwością próbkowania wynoszącą zazwyczaj od 100 Hz do ponad 4000 Hz, co pozwala uchwycić dynamikę pojazdu w zakresie wysokich częstotliwości i zminimalizować błąd numerycznej integracji.

Odchylenieakcelerometru powoduje błędy prędkości, które rosną liniowo w czasie, oraz błędy położenia, które rosną kwadratowo.

Odchylenieżyroskopu powoduje błędy orientacji, które nieprawidłowo odwzorowują grawitację, generując dodatkowe błędy przyspieszenia i przyspieszając dryft położenia. W rezultacie położenie inercyjne stopniowo odbiega od rzeczywistej trajektorii podczas pracy autonomicznej.

Odchylenie pozycji

Aby ograniczyć dryft pozycji podczas długotrwałej eksploatacji, nowoczesne systemy nawigacyjne wykorzystują rozszerzone filtry Kalmana (EKF), filtry Kalmana typu „Unscented” (UKF) lub algorytmy wygładzania grafu pozycji. Filtr szacuje wektory błędów pełnego stanu (pozycja, prędkość, orientacja, odchylenia czujników i współczynniki skalowania) poprzez połączenie INS o wysokiej częstotliwości z danymi bezwzględnymi o niższej częstotliwości pochodzącymi z czujników pomocniczych, takich jak:

• Globalne systemy nawigacji satelitarnej (GNSS): dzięki zastosowaniu dwóch wysoce precyzyjnych technik korekcji – RTK i PPP – błąd ten można ograniczyć do centymetrów, a nawet milimetrów.
• Czujniki akustyczne/prędkości: czujniki prędkości dopplerowskie (DVL), liczniki przebiegu na kołach
• Czujniki percepcyjne: odometria LiDAR (LOAM), odometria wizualno-inercyjna (VIO)

W przypadku GNSS zintegrowany filtr propaguje oszacowania stanu poprzez INS w trybie nawigacji zliczeniowej. Wykorzystuje on resztkowe modele czujników, aby ograniczyć narastanie błędu do momentu przywrócenia zewnętrznych sygnałów referencyjnych.

Wysokowydajny żyroskop światłowodowy (FOG), żyroskop laserowy pierścieniowy (RLG) oraz taktyczny INS oparty na technologii MEMS INS dokładne określenie pozycji inercyjnej przez dłuższy czas. Pozycja inercyjna zapewnia ciągłe rozwiązanie nawigacyjne poprzez integrację dynamiki ruchu. Jej długoterminowa dokładność zależy od wydajności czujników inercyjnych oraz zewnętrznych pomiarów pomocniczych.