Inertial Measurement Unit (IMU)

เซนเซอรหรืออุปกรณที่ใชใน INS (Inertial Navigation System) ถูกเรียกวา Inertial Measurement Units (IMU) ซึ่งเปนสวนประกอบหลักของ INSs ที่ใชในเครื่องบิน, ยานอวกาศ และ เรือ เชนเดียวกับจรวดขีปนาวุธ IMU ประกอบดวย 2 สวนหลักคือ accelerometers 3 ทิศทาง และ gyroscopes 3 ทิศทาง ซึ่งรับความเรงยานพาหนะและความเร็วเชิงมุมตามลําดับ

โปรดทราบวา mechanic gyroscope และ accelerometer ถูกนํามากลาว ณ ที่นี้เพียงเพ่ือแสดงหลักการพ้ืนฐานของ IMU สําหรับ MEMS นั้น จะไมกลาวถึงอุปกรณ mechanic gyroscope และ accelerometer แตจะข้ึนอยูกับระบบ nanoelectromechanical และนาโนเทคโนโลยี

เซนเซอรใน IMU

• Gyroscope เปนอุปกรณสําหรับการวัด หรือการรักษาการปรับทิศทาง ข้ึนอยูกับหลักการของการอนุรักษโมเมนตัมเชิงมุม

ภาพที ่1 Mechanic gyroscope ซ่ึงมี two-degree of freedom (TDF)

• Accelerometer เปนอุปกรณที่ใชวัดความเรงตามแนวแกนที่เฉพาะเจาะจง ต้ังขอสังเกตไดวา accelerometers ใน IMU รับเพียง specific forces แนวคิดนี้เปนสิ่งสําคัญใน inertial navigation หรือระบบนําทางอาศัยแรงเฉ่ือย

ภาพที ่2 โครงสรางของ Accelerometer

ภาพที ่3 IMU วัดความเร็ว ทิศทาง และแรงโนมถวง ใชการรวมกันของ accelerometer และ gyroscope ดวยเทคโนโลยี Micro Electrical Mechanical Sensors (MEMS) ทําใหงายตอการผลิตใหมีขนาดเลก็และ

ราคาถูก

Global Positioning System (GPS)

ภาพที ่4 การใชงานของ GPS

GPS เปนระบบนําทางผานดาวเทียมที่ใหขอมูลสถานที่และเวลา ดําเนินการโดยสหรัฐอเมริกาและสามารถใชไดกับทุกคนที่มีอุปกรณรับสัญญาณ GPS ขอมูลตําแหนงที่ถูกคํานวณโดยขอมูลที่ไดรับจากดาวเทียมมีขอผิดพลาดบางอยางเนื่องจากขอจํากัดโดยธรรมชาติเชน atmospheric effects, multipath effects, ephemeris และ clock errors

GPS เปนการวัดที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด ใชไดในสภาพแวดลอมกลางแจงเพราะมันใหขอมูลตําแหนงที่แนนอน มันเกือบจะเปนไปไมไดที่จะไดรับขอมูลที่แนนอนในสภาพแวดลอมในรม แมจะมีจุดที่แข็งแกรงของ GPS แตการใชงานกอคอนขางจํากัด ปญหาที่รุนแรงที่สุดคือการถูกบล็อคและการสะทอน

ของสัญญาณ GPS จากดาวเทียม การหยุดชะงักของสัญญาณ GPS นี้เกิดข้ึนโดยตนไม อาคาร และอุปสรรคอ่ืน ๆ มันจึงมีขอจํากัดที่สําคัญอยางย่ิงตอการใช GPS ในสภาพแวดลอมในเมือง

ภาพที ่5 GPS module with antenna

ระบบ GPS ไดรับความนิยมมากที่สุด แมแหลงที่มาจะมีสัญญาณรบกวนอยางมีนัยสําคัญ เชน

multipath effect การคลาดเคลื่อนของวงโคจรดาวเทียม และ clock errors แตก็มักจะมี sampling rate (อัตราการสุมตัวอยาง) ตํ่ากวา 10 Hz วิธีการที่แตกตางกันถูกเสนอเพ่ือที่จะรวม GPS เขากับ Inertial Measurement Unit (IMU) ที่มี sampling rate สูงกวา อยางไรก็ตามในแผน Extended Kalman Filter (EKF) sampling rates ที่แตกตางกันมักนําไปสูการลดระดับของประสิทธิภาพการทํางาน และอาจทําใหเกิดปญหาดานเสถียรภาพ

Kalman filter

Kalman filter คือชุดสมการหลักที่ดําเนินการ ทํานาย-แกไข ประเมินการลดลงที่เหมาะสมของความแปรปรวนผิดพลาด (predictor-corrector type estimator optimally minimizing the estimated error covariance) ในเวลานี้ Kalman filter เปนเปาหมายของการวิจัยและการประยุกต โดยเฉพาะในระบบนําทางอัตโนมัติ หรือระบบชวยนําทาง

ทั้ง GPS และ INS จะผาน Kalman filter สําหรับการประมวลผลของขอมูลดิบที่ไดรับ ตําแหนง ความเร็วและเวลา มันคืออัลกอริทึมหลักของระบบนําทาง เปนตัวกรองที่เราหวังวามันจะถูกตองและทนทาน ความทนทานของระบบคือความสามารถในการกําจัดคาผิดปกติ

เพ่ือหลีกเลี่ยงอิทธิพลของคาผิดปกติ น้ําหนักเทียบเทาจะถูกนําไปใชกับ Kalman filter พรอมดวยขอจํากัดทางจลนศาสตรที่จะใหน้ําหนักราบรื่นสําหรับขอผิดพลาดการวัด ดวยวิธีนี้คาผิดปกติสามารถถูกกําจัดและการใหผลของการวัดดวยขอผิดพลาดใหญจะถูกระงับเพ่ือหลีกเลี่ยงสาเหตุของการเพ่ิมข้ึนอยางมีนัยสําคัญของความผิดพลาดมาตรฐาน