باعتباري مزودًا لوحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs)، غالبًا ما يتم سؤالي عن مخرجات IMU بالضبط. في منشور المدونة هذا، سأتعمق في تفاصيل مخرجات IMU وأهميتها وكيفية استخدامها في مختلف الصناعات.
فهم أساسيات IMU
قبل أن نناقش المخرجات، دعونا نفهم بإيجاز ما هو IMU. انوحدة قياس القصور الذاتي IMUهو جهاز يقيس القوة النوعية للجسم، والمعدل الزاوي، وأحيانًا اتجاه الجسم، ويبلغ عنها، باستخدام مجموعة من مقاييس التسارع، والجيروسكوبات، وأحيانًا مقاييس المغناطيسية.
مكونات الإخراج من IMU
مخرجات مقياس التسارع
يقيس مقياس التسارع في IMU التسارع المناسب، وهو التسارع الذي يواجهه بالنسبة للسقوط الحر. بمعنى آخر، فهو يقيس قوى التسارع المؤثرة على الجهاز، بما في ذلك قوة الجاذبية. عادةً ما يتم إعطاء الإخراج بوحدات g (حيث يبلغ 1 g حوالي 9.81 م/ث²).
على سبيل المثال، عندما يكون IMU في حالة سكون على سطح مستو، فإن مقياس التسارع سيقيس تسارعًا يبلغ حوالي 1 جم في الاتجاه المعاكس لقوة الجاذبية. إذا كانت وحدة IMU في حالة حركة، فسيقوم مقياس التسارع بقياس مجموع تسارع الجاذبية والتسارع الناتج عن حركة الجهاز.
يعد مخرج مقياس التسارع أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقات مثل اكتشاف الحركة وتحليل الاهتزاز وتحديد ميل الجسم أو ميله. في مجال الروبوتات، على سبيل المثال، يمكن استخدام بيانات مقياس التسارع للكشف عن الحركات المفاجئة أو التغييرات في موضع الروبوت، مما يمكن أن يساعد في منع السقوط أو الاصطدامات.
إخراج الجيروسكوب
يقيس الجيروسكوب في IMU المعدل الزاوي أو معدل دوران الجهاز حول محاوره الثلاثة (عادةً ما يتم تسميتها بـ x وy وz). يتم تقديم الإخراج عادةً بوحدات الدرجات في الثانية (°/s) أو الراديان في الثانية (rad/s).
على عكس مقياس التسارع، الذي يقيس التسارع الخطي، يركز الجيروسكوب على الحركة الدورانية. فهو يوفر معلومات حول مدى سرعة دوران الجهاز في كل اتجاه. تعتبر هذه البيانات ضرورية للتطبيقات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في الاتجاه، مثل الطائرات بدون طيار، وسماعات الواقع الافتراضي، وأنظمة الملاحة.
على سبيل المثال، في الطائرة بدون طيار، يتم استخدام مخرج الجيروسكوب للحفاظ على استقرار الطائرة بدون طيار والتحكم في اتجاهها أثناء الطيران. من خلال قياس المعدل الزاوي بشكل مستمر، يمكن لوحدة التحكم في الطيران الخاصة بالطائرة بدون طيار ضبط سرعة المحركات لمواجهة أي دوران غير مرغوب فيه والحفاظ على مستوى الطائرة بدون طيار وفي المسار الصحيح.
مخرج مقياس المغناطيسية (اختياري)
تشتمل بعض وحدات IMU أيضًا على مقياس مغناطيسي، والذي يقيس قوة واتجاه المجال المغناطيسي حول الجهاز. عادة ما يتم إعطاء الإخراج بوحدات غاوس (G) أو تسلا (T).
يمكن استخدام مقياس المغناطيسية لتحديد اتجاه الجهاز بالنسبة للمجال المغناطيسي للأرض، وهو أمر مفيد لتطبيقات مثل الملاحة بالبوصلة. من خلال الجمع بين بيانات مقياس المغناطيسية وبيانات مقياس التسارع والجيروسكوب، يمكن لوحدة IMU تقديم صورة أكثر دقة وشمولاً لاتجاه الجهاز في الفضاء ثلاثي الأبعاد.
ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن مخرجات مقياس المغناطيسية يمكن أن تتأثر بالمجالات المغناطيسية الخارجية، مثل تلك التي تولدها الأجهزة الإلكترونية القريبة أو الأجسام المعدنية. لذلك، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى تقنيات معايرة وتصفية إضافية لضمان دقة بيانات مقياس المغناطيسية.
الجمع بين النواتج لتقدير الاتجاه
في حين أن كل من مقياس التسارع والجيروسكوب ومقياس المغناطيسية يوفر معلومات قيمة بمفرده، فإن القوة الحقيقية لوحدة IMU تكمن في قدرتها على الجمع بين هذه المخرجات لتقدير اتجاه الجهاز في مساحة ثلاثية الأبعاد.
إحدى الطرق الشائعة لتقدير الاتجاه هي استخدام خوارزميات دمج المستشعرات، مثل مرشح كالمان أو المرشح التكميلي. تأخذ هذه الخوارزميات في الاعتبار نقاط القوة والضعف لكل مستشعر وتجمع مخرجاتها لإنتاج تقدير أكثر دقة واستقرارًا لاتجاه الجهاز.
على سبيل المثال، يعد مقياس التسارع جيدًا في قياس الاتجاه الثابت لجسم ما (على سبيل المثال، ميله أو ميله)، ولكنه يمكن أن يتأثر بالاهتزازات والحركات المفاجئة. من ناحية أخرى، يعد الجيروسكوب دقيقًا جدًا في قياس التغيرات قصيرة المدى في الاتجاه، ولكنه قد ينحرف بمرور الوقت بسبب أخطاء التكامل. من خلال الجمع بين البيانات من كلا المستشعرين باستخدام خوارزمية دمج المستشعرات، يمكننا الحصول على تقدير أكثر دقة وموثوقية لاتجاه الجهاز.
تطبيقات إخراج IMU
يحتوي مخرج IMU على مجموعة واسعة من التطبيقات عبر مختلف الصناعات، بما في ذلك:
الفضاء والدفاع
في صناعة الطيران والدفاع، تُستخدم وحدات IMU للملاحة والتوجيه والتحكم في الطائرات والصواريخ والمركبات الجوية بدون طيار (UAVs). يوفر مخرج IMU معلومات مهمة حول موضع السيارة واتجاهها وحركتها، وهو أمر ضروري للحفاظ على الاستقرار وتحقيق الملاحة الدقيقة وأداء المناورات المعقدة.
السيارات
في صناعة السيارات، تُستخدم وحدات IMU لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك التحكم الإلكتروني في الثبات (ESC)، واكتشاف الانقلاب، وأنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS). يساعد مخرج IMU في اكتشاف التغيرات المفاجئة في حركة السيارة، مثل الانزلاق أو التدحرج، ويمكن أن يؤدي إلى تشغيل ميزات السلامة لمنع وقوع الحوادث.
الالكترونيات الاستهلاكية
في الإلكترونيات الاستهلاكية، توجد وحدات IMU في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والساعات الذكية وسماعات الواقع الافتراضي. يتم استخدام بيانات مقياس التسارع والجيروسكوب لميزات مثل تدوير الشاشة والتعرف على الإيماءات وتطبيقات الواقع المعزز. على سبيل المثال، في الهاتف الذكي، يمكن لمقياس التسارع اكتشاف متى يتم إمالة الهاتف أو اهتزازه، والذي يمكن استخدامه لتشغيل إجراءات أو ألعاب معينة.
الروبوتات
في مجال الروبوتات، تُستخدم وحدات IMU للتحكم في الحركة والتوازن والملاحة. يوفر مخرج IMU معلومات حول موضع الروبوت واتجاهه وحركته، والتي يمكن استخدامها للتحكم في مفاصل الروبوت ومحركاته والتنقل عبر بيئته. على سبيل المثال، في الروبوت البشري، يمكن لـ IMU مساعدة الروبوت في الحفاظ على توازنه أثناء المشي أو أداء مهام أخرى.
خاتمة
في الختام، يتكون إخراج IMU من بيانات من مقياس التسارع والجيروسكوب وأحيانًا مقياس المغناطيسية، والتي توفر معلومات حول التسارع الخطي للجهاز والمعدل الزاوي والمجال المغناطيسي. من خلال الجمع بين هذه المخرجات باستخدام خوارزميات دمج أجهزة الاستشعار، يمكن لـ IMU تقدير اتجاه الجهاز في الفضاء ثلاثي الأبعاد، والذي يحتوي على نطاق واسع من التطبيقات عبر مختلف الصناعات.
إذا كنت مهتمًا بمعرفة المزيد عن وحدات IMU الخاصة بنا أو لديك أي أسئلة حول مخرجاتها أو تطبيقاتها، فلا تتردد في الاتصال بنا. سنكون سعداء بمناقشة احتياجاتك المحددة ومساعدتك في العثور على الحل المناسب لمشروعك.
مراجع
- "أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي مع التطبيقات الجيوديسية" بقلم جيرار لاشابيل ومايكل إي كانون
- الكارفينين
- "مقدمة في الملاحة بالقصور الذاتي" بقلم بول د. جروفز