Инерциальная навигация

[Eugen Graf]

Многие не имеют понятия что это, так же как и я, пока не начал работать в фирме, которая ей занимается.
Начнём с простого, что такое навигация? В основном это определение абсолютной позиции. В нормальном человеческом мышлении это указатель направления. Допустим.
И так, самым сложным в навигации является правильное определение абсолютной позиции, а вот направление в котором нужно двигаться в следующий момент тоже конечно относится к навигации, но я не об этом. Так же должен заметить что имеется отличная, хорошо работающая система GPS, которая определяет абсолютную позицию антенны в абсолютной системе координат земли. Система непростая, но понятная. Существует несколько спутников (минимум три), которые посылают свою абсолютную позицию от центра земли и аналоговый сигнал (пускай это будет пинг). Ресивер, имея эту информацию, высчитывает собственную позицию из расстояния спутников от центра земли и времени передачи пинга от спутника до антенны (на самом деле система немного сложнее). Так вот, эта система имеет точность скажем в 5-10 метров, а так же очень неприятную особенность - сигнал передаётся по воздуху, ни под землёй, ни под водой сигнал "спутник<->антенна" не доступен. Что делать???
Здесь поможет инерциальная система навигации.
Существует много различных способов определения позиции. Например можно использовать радары, компас, одометр и много чего, всё это имеет преимущества и недостатки. Радар должен либо посылать сигнал, либо принимать сигнал (в военной технике это самое ужасное, потому что обнаружат источник), компас неточный, а ещё он сходит с ума на полюсах, одометр (если кто не знает, это как спидометр) имеет неприятную оособенность, если колёса прокручиваются или скользят (особенно заметно у поезда), то он сбивается.Существует независимая система навигации, которая работает как на земле, так в космосе. Она конечно так же имеет свои недостатки среди других, но она по крайней мере не нуждается во внешних источниках. Она работает сама по себе, это скажем так, механически прилепленный блок к автомобилю (чтобы было более понятно), который определяет !!!относительную!!! позицию со старта.
Как работает такая система? Это не сложно понять. В системе имеется сенсор ускорения и сенсор угла поворота (да, такие производятся). И так с помощью сенсора ускорения (акселерометр) мы определяем расстояние - трансляция (с помощью двойной интеграции), а с помощью сенсора угла поворота - ротацию. Всё вместе говорит нам о расстоянии от начальной точки отсчёта до объекта включая направление (конечно время играет играет здесь очень важную роль, поэтому Винда здесь не применима, или же нужен Таймстемп).
Теперь немного проще - акселерометр это пружинные весы, как на рынке. Сенсор угла поворота - это компас.

Продолжение следует

[mzu2006]

А всякие разные гироскопы - это тоже сюда?

[Konstantin Sumenko]

mzu2006, конечно: инклинометр не умеет определять угол поворота относительно оси, коллинеарной локальному вектору ускорения свободного падения.
eg, расстояние ту получаешь из a=x''. Там же еще нужно по возможности выделять участки с постоянным ускорением, правильно? Т.е в итоге из связки акселерометр+гироскоп ты произвольную кривую пути бьешь на ломанную, которая его приближает?

[Eugen Graf]

mzu2006, да, гироскоп для определения либо угла поворота, либо угловой скорости. Компас это образно, что бы всем понятно было.
Crowbar, да, так. Здесь входные параметры это ускорение, угол (или угловая скорость) и время. Через интеграцию определяется трансляционное движение и позиция объекта, а с помощью угла поворота его ротационное движение и направление. Если это делать с большой частотой в реальном времени, то вот уже и получится навигатор по одной плоскости. А если использовать три таких и три таких сенсора, то можно определить движение в трёх плоскостях.
Продолжение следует...

[toto]

Я сам к этой теме еще не прикасался, но знаю, что на наших мобильных комплексах такую штуку ставили, начальная позиция от GPS вроде бы снималась, а дальше инерциональная система, приемущество в том еще, что когда комплекс остановился то по GPS трудно определить его истинное направление относительно севера, так как приходится ставить порог какой-то по скорости, а маневрирование на малых скоростях (например парковка) сбивает...

[Eugen Graf]

направление относительно севера

Это у нас называется Yaw, а у других например Heading или Azimuth. Это один из плюсов инерциальной навигации, так же есть другие плюсы - например навигация без доступа внешнего сигнала (под землёй и под водой), а так же в дальнем космосе. Самое интересное это то, что такая система навигации независима, то есть имея при себе "волшебный клубок" можно прийти туда, куда хочешь.
Но конечно есть и минусы - это неточная сенсорика. С этим мы боремся с помощью калибрирования и поддержки системы с помощью тех же внешних источников информации. Калибрирование сенсоров каждые несколько лет (Calibration), так же калибрирование перед запуском системы (Alignment), ну и ежевременное калибрирование (улучшение), если присутствует доминирующий внешний сигнал.
Система на самом деле очень сложная, я так до конца и не понял как работает весь алгоритм, замешано очень много физики и математики, но мне предоставилась удача разрабатывать пользовательские интерфейсы для таких систем. А так же я занимаюсь самим калибрированием и автоматизацией калибрационных процессов. В общем программирую для пользователей наших систем навигации, так же для себя и трёх других калибраторов.

А тема на самом деле очень интересная, т.к. с недавнего времени разработчики стали встраивать такие системы (конечно в сотни раз хуже по точности) в различные сотовые телефоны и системы навигации для автомобилей.

Для оценки поясню, что например один сенсор у нас стоит около 2 тыс. евро, а таких нужно 6. А если брать триаду, то она стоит окото 15-20 тыс. евро. Прибавить электронику, механику, разработку, калибрирование и всё прочее. В общем такая система навигации выходит около 60-80 тыс. евро, это средний класс. Есть и за 10, есть и за 180.

Продолжение следует, жду откликов и вопросов

[Integro]

Приветствую, в поиске ответов на свои вопросы, вышел на этот пост, который успел покрыться большой бородой
Интересно узнать чем закончился этот проект.
На протяжении многих лет в сфере навигации, технологии можно пересчитать на пальцах 1-й руки. То ли тема настолько закрыта оборонкой, что только они могут играть в эксперименты, то ли идей как таковых не возникает.
Маск пытается создать собственный вариант на виртуальных 3D трекингах карт, но до сенсационных заявлений еще далеко и все там на зародышевой стадии.
Лет 15 назад, когда GPS навигаторы стали доступны широкому кругу и пользовательский софт стал расти как на дрожжах в битве за место под солнцем, я в надежде на финансирование, одному клиенту демонстрировал свой инерциальный алгоритм, но финансирование так и не открылось и я закинул тему на пыльный шкаф.
Сегодня я возвращаюсь к истокам, но уже с определенным багажом опыта и готов пообщаться, если автор того пожелает т будет сторонний интерес.
Жду отклика

[Borjomy_1]

Приветствую, в поиске ответов на свои вопросы, вышел на этот пост, который успел покрыться большой бородой
Интересно узнать чем закончился этот проект.
На протяжении многих лет в сфере навигации, технологии можно пересчитать на пальцах 1-й руки. То ли тема настолько закрыта оборонкой, что только они могут играть в эксперименты, то ли идей как таковых не возникает.
Маск пытается создать собственный вариант на виртуальных 3D трекингах карт, но до сенсационных заявлений еще далеко и все там на зародышевой стадии.
Лет 15 назад, когда GPS навигаторы стали доступны широкому кругу и пользовательский софт стал расти как на дрожжах в битве за место под солнцем, я в надежде на финансирование, одному клиенту демонстрировал свой инерциальный алгоритм, но финансирование так и не открылось и я закинул тему на пыльный шкаф.
Сегодня я возвращаюсь к истокам, но уже с определенным багажом опыта и готов пообщаться, если автор того пожелает т будет сторонний интерес.
Жду отклика

Твердотельные акселерометры и гироскопы (т.е на чипах) до сих пор на несколько порядков отстают по точности от механических устройств. Поэтому практического смысла инерциальная навигация не имеет. При этом учтите, что ракета летит полчаса, а навигация требуется при существенно более длительной работе.

[Integro]

Возвращаюсь к запылившемуся алгоритму:
Итак для следования мобильной платформы по карте необходимы следующие составляющие:
Программная часть:
1. Навигационный Софт с поддержкой навигации в offline и GPS ресивером, функция проставления цифровых маркеров на маршруте (триггерные значения в диапазоне от 0.001 до 3.300").
2. По мере прохождения этих маркеров система фиксирует их триггерные значения как команды управления в сторону драйверов шаговых моторов). Такой метод имеет схожую методику по вводу координатных точек траектории перемещения многоосевых ARM манипуляторов.
3. Инструментальная среда - построитель маршрутов для ведомых аппаратных платформ. За основу можно брать HMI пульты для программирования тех же ARM с привязкой к PLC контроллерам, или применить специализированный десктопный софт, о котором пойдет речь чуть позже.
4. Функция ввода триггерных значений (поинтов) и их калибровки представляется тактильным алгоритмом, по аналогии, как это происходит в манипуляторах Baxter. Водитель должен провести "обучение" системы, т.е. прокатиться 1 раз по маршруту.
* Пусть для начала не будет перекрестков, пешеходных переходов и т.п. Т.е. грунтовка в лесном массиве...

[FredP]

На протяжении многих лет в сфере навигации, технологии можно пересчитать на пальцах 1-й руки. То ли тема настолько закрыта оборонкой, что только они могут играть в эксперименты, то ли идей как таковых не возникает.

Не согласен. Просто сверхточная инерциальная навигация была нужна только военным. А это пара тройка НИИ и все. И каждый делает свое. С появлением потребностей в сверхточной навигации в народном хозяйстве все изменилось. Мало того что прогресс в MEMS - сумасшедший, так еще и появились вещи вроде RTK GNSS. По сути, сейчас в "чип и дип"е можно купить спутниковый приемник с субсантиметровой точностью за 10 тысяч рублей. Военные в шоке: они не понимают что теперь с этим делать. Запретить, или принимать в работу? Помню как года до 2001 что ли для ввоза GPS приемника в РФ требовалась бумажка из ФСБ...

[Borjomy_1]

Между навигацией по GPS и инерциальной навигацией огромная пропасть. Это принципиально разные вещи. Так что не надо их смешивать

[Integro]

На протяжении многих лет в сфере навигации, технологии можно пересчитать на пальцах 1-й руки. То ли тема настолько закрыта оборонкой, что только они могут играть в эксперименты, то ли идей как таковых не возникает.

Не согласен. Просто сверхточная инерциальная навигация была нужна только военным. А это пара тройка НИИ и все. И каждый делает свое. С появлением потребностей в сверхточной навигации в народном хозяйстве все изменилось. Мало того что прогресс в MEMS - сумасшедший, так еще и появились вещи вроде RTK GNSS. По сути, сейчас в "чип и дип"е можно купить спутниковый приемник с субсантиметровой точностью за 10 тысяч рублей. Военные в шоке: они не понимают что теперь с этим делать. Запретить, или принимать в работу? Помню как года до 2001 что ли для ввоза GPS приемника в РФ требовалась бумажка из ФСБ...

Проблема существующей секретности на карты остро проявилась в феврале 2005 года в связи с запуском проекта Google Maps, позволяющего любому желающему пользоваться цветными космическими снимками высокого разрешения (до нескольких метров), хотя в России любой космический снимок с разрешением точнее 10 метров считается секретным и требует заказа в ФСБ процедуры рассекречивания. В других странах данная проблема разрешена тем, что применяется не площадная, а объектовая секретность. При объектной секретности запрещается свободное распространение крупномасштабных топографических карт и снимков строго определённых объектов, например, районов военных действий, военных баз и полигонов, стоянок военных кораблей. Для этого разработана методика создания топографических карт и планов любых масштабов, не имеющих грифа секретности и предназначенных для открытого пользования.
Другое дело космическая навигация, там где GPS система курит на заборе. К примеру тот же расчет посадки марсохода и взаимодействие его с дроном.

Между навигацией по GPS и инерциальной навигацией огромная пропасть. Это принципиально разные вещи. Так что не надо их смешивать

Не едиными гироскопами и земной магнитудой ... много статей на этот счет и каждый интерпретирует по своему, какое физическое свойство можно брать за основу в рассчетах координат (поинтах) в навигации.

[Andrew Lunev]

Не едиными гироскопами и земной магнитудой ... много статей на этот счет и каждый интерпретирует по своему, какое физическое свойство можно брать за основу в рассчетах координат (поинтах) в навигации.

Название темы "Инерциальная навигация", что накладывает ограничения на физические свойства, доступные к использованию. На что вам Borjomy_1 и намекнул. Но видимо недостаточно...

[FredP]

Название темы "Инерциальная навигация", что накладывает ограничения на физические свойства, доступные к использованию. На что вам Borjomy_1 и намекнул. Но видимо недостаточно...

Говорить, что инерциальная навигация это только полностью автомноная система - может только дилетант. Я хочу сказать, что соврменная инерциальная навигация - это прежде всего инерциалка с коррекцией. Эта коррекция может выполняться разными способами. Когда я коснулся этой темы - думал, что для строгих, военных применений никакая коррекция недопустима. А потом узнал о корректируемой ИНС ракеты Р-5, о современных планирующих авиабомбах с коррекируемой по ГЛОНАСС ИНС, конечно же современных БПЛА (военных в первую очередь) и даже на РН "Союз" - корректируемая инерциальная навигация. Это все говорит о том, что обсуждать полностью автономную ИНС - настолько частный случай, что... что даже не знаю, где такой используется. А вот алгоритмы коррекции, источники данных - это действительно тема интересная.
Интересующимся, предлагаю статью во вложениях.
Авторы конструируют "гибридную", или в отечественных терминах "комплексированную" навигацию возращаемой ракеты-носителя.
Задача: суборбитальный полет и посадка как на баржу, так и на сушу. Для полета точность требуется не очень большая, а вот при посадке - меньше полуметра.

Требования тоже интересные, особенно non ITAR и COTS. Для тех кто ранее не слышал эти аббревиатуры: первая - это ограничение на военное оборудование от США, а COTS - это концепция использования оборудования industrial для задач значительно превышающих допустимые нагрузки\точности\требования. И это все родилось не спроста. Как и в Российской Федерации, технологии разработки гиростабилизированных платформ сверхвысокой точности даже в США - почти утеряны. Так как потребности почти нет, то и нет инженеров, денег на новые разработки. Клемпают старушек, подходящих для "ядерного кулака". А вот легких (для автомобилей, сверхлегких ракет), доступных для покупки физическим лицам в магазине радиодеталей - таких нет. Поэтому, появилось вот это вот все.
А вот таблица погрешности различных систем спутниковой навигации, которую наряду с лазерными высотомерами, барометрами и прочими датчиками предлагатся использовать для коррекции ИНС:

А если для вас ракеты, БПЛА - слишком далеко, то давайте вспомним о дронах-курьерах, беспилотных сельскохозяйственных комбайнах, беспилотных автомобилях, да даже грейдеры для строительства взлетно-посадочных полос и т.п.

[Andrew Lunev]

Говорить, что инерциальная навигация это только полностью автомноная система - может только дилетант. Я хочу сказать, что соврменная инерциальная навигация - это прежде всего инерциалка с коррекцией.

Хорошо, давайте договоримся о терминах. Дайте определение термину "инерциальная навигация", желательно со ссылкой на какой-то ВУЗовский учебник. То, что современная навигация практически всегда комплексная не дает права делать равнозначными термины "навигация" и "инерциальная навигация". Навигационная система вообще может не содержать инерционных компонентов и в настоящее время чаще всего не содержит. Тот же ВОГ не основан на инерции. То, что реально разработанные БИНС имеют в составе коррекцию по другим навигационным системам не означает, что и термин "инерциальная навигация" изменился, это жаргонизм. Я всего лишь указал, что тема называется "инерциальная навигация", хотите обсуждать комплексную навигацию, просто создайте новую тему "навигация".