İçeriğe geç

Ataletsel navigasyon (INS) nedir? IMU, kayma ve sınırlar

Yayın:

Ataletsel navigasyon (INS), bir aracın konumunu, hızını ve yönelimini yalnızca ivmeölçer ve jiroskop ölçümlerinden kestirir. Dış sinyale ihtiyaç duymadığı için GPS yokken de çalışır, ancak hatası zamanla büyür. Bu denge, her GPS'siz navigasyon sisteminin nasıl kurulduğunu belirler.

IMU nedir?

Ataletsel ölçüm birimi (IMU), üç eksende kuvveti ölçen ivmeölçerleri ve üç eksen etrafındaki dönüş hızını ölçen jiroskopları bir araya getirir. Drone'larda kullanılan IMU'ların çoğu MEMS tabanlıdır: küçük, hafif ve uygun maliyetli.

IMU tek başına yalnızca aracın nasıl ivmelendiğini ve döndüğünü bildirir. Bu ölçümleri konuma çevirmek ataletsel navigasyon algoritmasının işidir.

Ataletsel navigasyon nasıl çalışır?

Algoritma önce jiroskop ölçümlerini entegre ederek yönelimi takip eder. Bu yönelimi kullanarak ivmeölçer ölçümlerini navigasyon eksenine döndürür, yerçekimini çıkarır ve ivmeyi bir kez entegre ederek hızı, bir kez daha entegre ederek konumu bulur.

Bu sürece parakete hesabı (dead reckoning) denir: her yeni kestirim bir öncekinin üzerine kurulur. Yüksek frekansta çalışır ve harekete anında tepki verir; IMU'nun çoğu navigasyon sisteminin omurgası olmasının nedeni budur.

Ataletsel navigasyon neden kayar?

Konum, ölçümlerin iki kez entegre edilmesiyle bulunduğu için küçük sensör hataları hızla büyür. Başlıca kaynaklar şunlardır:

  • Sapma (bias): İvmeölçer ya da jiroskoptaki, sıcaklık ve zamanla yavaşça değişen küçük sabit kayma.
  • Gürültü: Her ölçümdeki rastgele değişim; birikerek rastgele yürüyüş hatasına dönüşür.
  • Ölçek faktörü ve hizalama hataları: Sensörün gerçek değerden biraz fazla ya da az okuması veya eksenlerinin tam hizalı olmaması.
  • Yönelim hatası: Küçük bir eğim hatası, yerçekiminin bir kısmını yatay ivme gibi gösterir ve bu konum hatasına dönüşür.

Drone'lar ataletsel kaymayı nasıl sınırlar?

Pratikte IMU uzun süre tek başına kullanılmaz. Kayması, genellikle bir Kalman filtresi içinde sensör füzyonuyla başka kaynaklar tarafından düzeltilir:

  • Kamera, görsel odometri ya da VIO ile hızı ve konumu sınırlar.
  • Barometrik altimetre dikey hatayı sınırlar.
  • Manyetometre yönün kararlı kalmasına yardım eder.
  • Arazi referanslı navigasyon ya da mümkün olduğunda GNSS gibi mutlak referanslar biriken hatayı sıfırlar.
GPS'siz navigasyon: yöntemlerin karşılaştırması →

Sık sorulan sorular

IMU, ivmeyi ve dönüşü ölçen sensördür. INS ise bütün sistemdir: IMU ve bu ölçümleri konuma, hıza ve yönelime çeviren algoritma.

Sensör kalitesine bağlıdır. Küçük drone'larda yaygın olan düşük maliyetli MEMS IMU'larda konum hatası hızla büyür; bu yüzden genellikle başka kaynaklarla birlikte kullanılırlar. Daha yüksek sınıf ataletsel sensörler çok daha yavaş kayar, ama daha pahalı ve ağırdır.

Evet. Ataletsel navigasyon yalnızca araç üstü sensörleri kullanır ve dış sinyal gerektirmez; GPS'siz navigasyonun omurgası olmasının nedeni budur. Sınırlaması sinyale bağımlılık değil, kaymadır.

Parakete hesabı, bilinen önceki bir konuma o andan beri ölçülen hareketi ekleyerek şimdiki konumu kestirmektir. Ataletsel navigasyon, tekerlek odometrisi ve görsel odometri bunun birer biçimidir.