Inerciálny merací systém (IMS) patrí medzi navigačné systémy, ktoré umožňujú monitorovať polohu a orientáciu objektu v trojrozmernom priestore s vysokou frekvenciou záznamu, čo umožňuje monitorovať aj vysoko dynamické pohyby. Tento systém je nezávislý na externom signály, čo umožňuje jeho nasadenie aj vo vnútorných priestoroch budov, kde klasické navigačne systémy (ako napr. globálne navigačne družicové systémy) zlyhávajú. Touto problematikou sa zaoberá Ing. Pavol Kajánek z Katedry geodézie Stavebnej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave vo svojej práci Lokalizačný systém založený na využití dvojice protismerne rotujúcich IMS umiestnených na spoločnej základnici.
Ako uvádza, základnou nevýhodou IMS je to, že presnosť je závislá na čase merania. „Funkčný princíp IMS spočívajúci v integrácii inerciálnych meraní spôsobuje rapídne hromadenie systematických chýb vo výslednej polohe a orientácii systému.“ V rámci tohto projektu bol popísaný vývoj lokalizačného systému, ktorého hlavnou časťou je dvojica IMS umiestnených na koncoch základnice.
„Prudký vývoj v oblasti automatizácie výrobných procesov priniesol nové požiadavky v oblasti geodézie a navigačných metód. Okrem klasického určenia polohy objektu v definovanom súradnicovom systéme vznikla potreba vykonávať kontinuálne meranie polohy a orientácie objektu s dostatočnou frekvenciou záznamu tak, aby nedochádzalo k strate informácií. K naplneniu tejto požiadavky výrazne prispelo využitie inerciálnych meracích systémov (IMS). IMS umožňujú na základe meraní z inerciálnych snímačov (snímačov zrýchlenia a gyroskopov), umiestnených na spoločnej platforme kontinuálne monitorovať polohu, rýchlosť, zrýchlenie a orientáciu platformy v trojrozmernom priestore,“ popisuje v úvode svojej práce autor. Na rozdiel od iných navigačných metód (GNSS, rádio frekvenčná lokalizácia RFID), IMS nie sú viazané na externé merania ani na existujúcu infraštruktúru vysielačov. Naproti mnohým výhodám, je ich základnou nevýhodou nárast chyby v určení polohy a orientácie úmerný časovému intervalu merania. Funkčný princíp IMS spočívajúci v integrácii inerciálnych meraní spôsobuje rapídne akumulovanie systematických chýb inerciálnych meraní vo výslednej polohe a orientácii IMS.
Za účelom overenia vplyvu riadeného otáčania IMS na redukciu systematických chýb inerciálnych snímačov bol vyvinutý merací systém. Konštrukčná časť meracieho systému pozostávala z vozíka, na ktorom bola upevnená základnica. Základnica vozíka bola vyrobená z oceľového profilu dĺžky 1 m. Na oboch koncoch profilu boli umiestnené pozinkované platne pre umiestnenie IMS. Stred základnice bol osadený nad ťažiskom trojuholníka, ktorého vrcholy sa nachádzali v mieste uchytenia kolies vozíka o nosnú konštrukciu.
Navrhovaný model spracovania redukuje účinok systematických chýb s použitím riadeného otáčania platformy IMS. „Táto metóda je doplnená o identifikáciu dynamických stavov meracieho systému (stav pokoja, rozbiehanie, pohyb konštantnou rýchlosťou a otáčanie), na základe ktorých sú aplikované podmienky pre aktuálny stav systému (poloha, rýchlosť, zrýchlenie). Do modelu sú taktiež zapracované podmienky vyplývajúce z použitia dvojice synchrónne otáčajúcich sa IMS (tzv. RIMS) na spoločnej základnici. Za účelom porovnania výsledkov dosiahnutých pri použití rotujúcej a stabilnej platformy bol pri spracovaní meraní IMS so stabilnou platformou použitý rovnaký model (ako v prípade RIMS), z ktorého bol vylúčený krok odstránenia vplyvu riadeného otáčania. Rýchlosť meraná nezávisle pomocou optického snímača otáčok nevstupuje priamo do spracovania, ale je použitá ako referenčná hodnota rýchlosti pri analýze dosiahnutých výsledkov,“ popisuje autor.
Hlavným cieľom experimentálneho merania bolo overiť efektívnosť navrhnutého modelu spracovania pri eliminácii systematických chýb IMS. Za týmto účelom bola vykonaná séria meraní, pri ktorých bol navrhnutý merací systém tlačený po preddefinovanej trajektórii, pozostávajúcej z 9 pozorovaných bodov.
Pri analýze vplyvu rotujúcej platformy IMS na vývoj chybovej zložky v meranom zrýchlení bola použitá rýchlosť meraná pomocou optického snímača otáčok. Z dosiahnutých výsledkov pri použití stabilnej platformy je možné vidieť, že chybová zložka v rýchlosti sa výrazne mení v dôsledku zmeny dynamiky pohybu v okamihu otáčania meracieho systému vyvolaného pohybom po trajektórii.
IMS vďaka svojim výhodám (vysoká frekvencia záznamu, nezávislosť systému od externého signálu) zohráva významnú úlohu v oblasti monitorovania polohy objektu a jeho dynamických vlastností, uvádza sa v popise práce. „Funkčný princíp IMS založený na integrácii inerciálnych meraní spôsobuje rapídne hromadenie systematických chýb signálu v chybe určenia polohy a orientácie IMS. Nárast chyby v určení polohy a orientácie závislý na časovom intervale merania výrazne obmedzuje ich využitie v geodetických aplikáciách.“
S cieľom redukovať systematickú chybu signálu IMS a tým rozšíriť ich aplikačné možnosti bol popísaný matematický model spracovania inerciálnych meraní založený na využití riadeného otáčania platformy IMS pri eliminácii systematických chýb inerciálnych meraní. „Pri riadenom otáčaní platformy IMS konštantná chybová zložka signálu (v rámci jedného otočenia IMS) nadobúda periodický priebeh, čo vedie k jej eliminácii. Vzhľadom na krátke časové intervaly (dĺžka periódy riadeného otáčania), v ktorých uvažujeme s konštantným priebehom chybovej zložky, je možné efektívnejšie eliminovať aj nelineárny priebeh chybovej zložky signálu IMS. Slabou stránkou tohto postupu je skutočnosť, že pri rotácii platformy IMS okolo jednej osi sme schopní eliminovať len systematické chyby snímačov v smere kolmom na os rotácie. Za účelom riešenia tohto problému bola využitá dvojica protismerne rotujúcich IMS umiestnených na spoločnej základnici. Vďaka navrhnutému algoritmu pre elimináciu systematickej chyby gyroskopov, model dosahuje vyššiu presnosť v určení orientácie a s tým súvisiace zvýšenie presnosti v určení polohy,“ konštatuje v závere Ing. Pavol Kajánek.
Efektívnosť navrhnutého modelu spracovania je podľa neho závislá na správnom nastavení frekvenčného filtra, ktorý z meraného signálu odstráni zložku odpovedajúcu riadenému otáčaniu. „Rýchlosť adaptácie filtra a variácia uhlovej rýchlosti otáčania platformy IMS ovplyvňujú výslednú presnosť určenia polohy a orientácie monitorovaného objektu. Významným výstupom článku je návrh nízko nákladového meracieho systému, ktorý umožňuje monitorovať pohyb objektu so submetrovou presnosťou. Takýto systém môže byť nasadený v priemyselných závodoch v prípadoch, kde postačuje submetrová presnosť pri monitorovaní pohybujúceho sa zariadenia.“
Zdroj informácií: http://gis.tuzvo.sk/fmg2018/
Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Ilustračné foto: Pixabay.com /OpenClipart-Vectors/
Uverejnila: VČ