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机器自动化2019-08-02

使用微型惯性传感器的精确虚拟测量

经济高效的惯性传感器可在二维和三维中实现精确的航位推算定位,从而实现更精确,更可靠的人员跟踪。

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个人导航系统为在复杂环境中操纵的个人提供了宝贵的资源。然而,商业解决方案仍然局限于户外环境。系统依赖外部参考源(如GPS)可防止操作员实现全面的定位功能。无论当地的设置和结构如何,开发一种经济实惠,独立的个人导航系统将为用户提供连续的本地化信息。普渡大学的研究工程师使用MicroStrain设备来实现高精度,集成的惯性计步器。该解决方案在一个小型,经济高效的平台上实现了精确的室内和室外导航。

原则上,个人导航系统将随时提供本地化数据,无论设置如何。然而,如果全球定位系统(GPS)信号被阻挡或降级,则行人位置估计系统的准确性受到限制。提供独立技术,包括光纤环和环形激光陀螺仪等奇特系统。这些技术在步行导航应用中的应用面临着ITAR和价格限制。跟踪诸如士兵和消防员等动态个体的位置需要外来解决方案的准确性,同时保持传统系统的价格点。


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温度补偿方向
微机电系统(MEMS)的最新进展有助于缩小系统精度和解决方案价格之间的差距。MicroStrain的3DM-GX2 惯性传感器为普渡大学的机械工程师提供了一个低成本,高性能的MEMS平台,用于开发他们的虚拟计步器。3DM-GX2通过三轴加速度计,陀螺仪和磁力计支持一系列完全校准的惯性输出数据量。另外,计算的方向提供精确的旋转矩阵以区分三维路线。MicroStrain惯性装置上的所有数量均经过全温度补偿,并在数学上与正交坐标系对齐,以提高可重复性。

机械工程助理教授Kartik Ariyur领导了该项目。Ariyur先生和他的团队在受试者的重心上对3DM-GX2设备进行了仪表测试,从这个位置他们能够利用三轴加速度计在每一步中记录的脉冲。(参见图2)已知的生物力学约束(例如腿长)被用作自校准系统的输入。在长时间步行和跑步测试中,开发并整合了步幅间隔和步幅之间的校正关系,用于位置估计。



高精度航位推算
Purdue展示了一种基于传感器的系统,可在二维和三维域中实现精确定位。在二维测试设置中,使用MicroStrain惯性传感器时出现的定位误差小于总行程距离的1%。在三维环境中,最大定位误差小于总行进距离的5%。


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当前的市场需求
低成本惯性导航设备的准确性和可靠性的进步将有助于促进军事和商业市场中个人系统的部署。Purdue使用MicroStrain惯性传感器的工作有助于为市场提供更易于使用的解决方案。一个特别感兴趣的市场涉及为部署士兵提供适当的导航和本地化工具以支持城市环境。从历史上看,军方采用士兵导航系统在很大程度上受到成本问题的限制。有效系统每单位成本可能超过100,000美元。MicroStrain的传感器支持有效的导航,而成本只是其中的一小部分。

估计位置在很大程度上受到惯性测量过程中的偏差的限制。在普渡大学,研究人员通过使用先进的过滤器成功地证明了控制惯性测量偏差影响的能力。他们的工作创新包括过滤方法的准确性,以及价格具有竞争力的人员跟踪平台的商业影响。


致谢
MicroStrain感谢Purdue大学的Kartik Ariyur分享他在这个案例研究中的应用细节和经验。本文不代表普渡大学对任何特定产品或应用的认可。