Princip určování orientace v prostoru inerciální měřící jednotkou

Ve zjednodušené verzi se používají k určování orientace 3 senzory a to elektronický gyroskop, akcelerometr a magnetometr. Proč nestačí pouze elektronický gyroskop, který měří úhlovou rychlost, jejíž integrací přeci získáme kýžené úhly?

Orientace jednotlivých úhlů

Problém je v tom, že mikromechanický (MEMS) elektronický gyroskop, který se za tímto účelem kvůli své dostupnosti využívá, trpí velkým offsetem. To by nemusel být zásadní problém, pokud by však byl tento offset neměnný, ale on je často závislý na teplotě či dokonce na orientaci samotného senzoru vůči Zemi a tedy na tíhové síle. Při integraci samozřejmě nadělá takový offset velkou paseku, protože senzor udává nenulovou úhlovou rychlost i pro neotáčející se objekt. Velkou výhodou těchto senzorů je však rychlost. Moderní elektronické gyroskopy jsou schopné snímat úhlovou rychlost až do ±2000 °/s.

Za účelem eliminace offsetu elektronického gyroskopu se používají ještě další dva senzory (akcelerometr a magnetometr). Uvažujeme-li těleso pohybující se bez zrychlení, akcelerometr měří pouze tíhové zrychlení g. Jelikož vektor tíhového zrychlení míří do středu Země, snadno  určíme orientaci senzoru z naměřeného vektoru zrychlení (vyjma natočení okolo naměřeného vektoru tíhového zrychlení - azimutálního úhlu). Pomocí magnetometru se měří magnetické pole země a z toho lze určit azimutální úhel (velmi podobně jako u kompasu) [1]. Nevýhoda magnetometru je v porovnání s elektronickým gyroskopem jeho malá vzorkovací frekvence a tedy i šířka pásma.

Orientaci inerciální jednotky určíme prvotně integrací úhlových rychlostí elektronického gyroskopu. "Ujíždění" úhlů způsobené integrací offsetu kompenzujeme úhly vypočtenými z naměřených hodnot akcelerometrem a magnetometrem. To však nelze vždy, neboť u akcelerometru jsme v předchozím odstavci zavedli nepříjemnou podmínku a to ohledně pohybu tělesa se zrychlením. Tělesa se běžně pohybují se zrychlením a to například i když jen zatáčejí, protože pak na ně působí dostředivé zrychlení. V takovém případě je nutné kompenzaci vypnout. Detekce těchto případů se provádí kontrolou velikosti naměřeného vektoru zrychlení. Pokud se významně liší od velikosti tíhového zrychlení, kompenzaci vypneme.  


Zdroje
[1] Jan Kříž. Inerciální měřicí jednotka v počítačovém modulu Gumstix Overo. Diplomová práce, ČVUT v Praze, 2011.

Motivace

Již pěknou řádku let se snažím každé letní prázdniny řádně využít a to jak pracovně, tak aktivním odpočinkem. Při výběru práce (brigády) jsem vždy dbal nejen na finanční ohodnocení, ale i na přínos pro mě do budoucna. Vždy pro mě bylo velmi přínosné pohybovat se v kolektivu zkušenějších lidí. Je pro mě obrovskou motivací snažit se v takovém kolektivu nezapadnout a být dobrý (snad podle hesla "Dohnat a předehnat!" :-)). V tomto ohledu otevírá studium na vysoké škole velké možnosti a to především v rámci pracovních stáží na katedrách napříč celou fakultou. Přeci právě ve výzkumných týmech na jednotlivých katedrách musí být takovýchto kolektivů velmi mnoho. Dále předpokládám, že se v rámci takového týmu dostanu k zajímavým problémům, které je potřeba vyřešit.

Jelikož studuji na Kybernetice a robotice obor Systémy a řízení, kterýžto spadá pod Katedru řídící techniky, byla by letní stáž na této katedře logickou volbou. Samozřejmě mě k tomuto kroku nevedl jen tento banální důvod. Končím druhý ročník, těžko mohu hodnotit kvalitu či výsledky jednotlivých kateder, přesto však na mne zapůsobila Katedra řídící techniky zdaleka nejvíce a to nejen velmi zajímavým výzkumem a jeho výsledky, ale i stylem výuky a náročností předmětů, které pod tuto katedru spadají. Právě podle oněch předmětů jsem předpokládal, že stáž na této katedře na mě sice bude klást vyšší nároky, ale za to mi nabídne o to více zkušeností a znalostí. Navíc vzhledem k tomu, že řízení je obecně interdisciplinární oblast, určitě si rozšířím vědomosti i do dalších oborů. 

Na katedře působí více výzkumných oddělení. Osobně mě nejvíce zaujalo Oddělení pokročilých algoritmů pro řízení a komunikace (AA4CC) . Mají velmi mnoho zajímavých výzkumných aktivit, z nichž mně byla nejbližší ta, zabývající se inerciálně stabilizovanou kamerovou hlavicí. Snad protože se v tomto projektu setkává robotika, mikroprocesorová technika a řízení, což jsou všechno oblasti, které mě velmi zajímají, a velmi rád si v nich rozšířím rozhledy.

Po domluvě s vedoucím tohoto projektu Ing. Zdeňkem Hurákem, Ph.D. a dalšími členy týmu mi byla nabídnuta práce na inerciální jednotce, která sleduje polohu a natočení základny kamerové hlavice, tedy v podstatě polohu a natočení nosného objektu, na kterém je hlavice přimontovaná. První fáze spočívá v nalezení, otestování a proměření menší verze gyra než je momentálně v jednotce použita. Gyro je označení, které se vžilo pro elektronický gyroskop. Důvodem hledání menší verze gyra je především snaha o miniaturizaci samotné jednotky. Vzhledem k tomu, že aktuální veze gyro senzoru má v sobě integrován i magnetometr a akcelerometr, bude nutné najít adekvátní náhrada i za ně. Cíl další fáze je zatím otevřený.

Úvodem

Letošní prázdniny budu trávit na letní stáži na Katedře řídící techniky v rámci Oddělení pokročilých algoritmů pro řízení a komunikace (AA4CC) na Elektrotechnické fakultě ČVUT v Praze. Konkrétně budu pracovat ve skupině vyvíjející inerciálně stabilizovanou kamerovou hlavici. Bližší informace o této skupině je možné získat zde. Na tomto blogu budu popisovat průběh této letní stáže.