وحدة قياس القصور الذاتي

وحدة القياس بالقصور الذاتي ( IMU ) هي جهاز إلكتروني يقيس ويُبلغ عن القوة النوعية للجسم ، ومعدل دورانه الزاوي ، وأحيانًا اتجاهه ، باستخدام مزيج من مقاييس التسارع ، والجيروسكوبات ، وأحيانًا مقاييس المغناطيسية . وعند استخدام مقياس المغناطيسية، يُشار إلى وحدات القياس بالقصور الذاتي باسم وحدات القياس بالقصور الذاتي المتكاملة (IMMU). ^{[ 1 ]}

تُستخدم وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) عادةً لتوجيه المركبات الحديثة، بما في ذلك الدراجات النارية والصواريخ والطائرات ( كنظام مرجعي للوضع والاتجاه )، بما في ذلك الطائرات بدون طيار (UAVs)، وغيرها الكثير، والمركبات الفضائية ، بما في ذلك الأقمار الصناعية والمركبات الهابطة . وقد أتاحت التطورات الحديثة إنتاج أجهزة GPS مزودة بوحدات IMU ؛ حيث تُمكّن وحدة IMU جهاز استقبال GPS من العمل حتى في حال عدم توفر إشارات GPS، كما هو الحال في الأنفاق أو داخل المباني أو عند وجود تداخل إلكتروني. ^{[ 2 ]}

تُستخدم وحدات IMU في سماعات الواقع الافتراضي والهواتف الذكية ، وكذلك في أجهزة التحكم في الألعاب التي تتعقب الحركة مثل Wii Remote و Steam Controller و Nintendo Switch Pro Controller و Dualsense .

تعمل وحدة القياس بالقصور الذاتي عن طريق رصد التسارع الخطي باستخدام مقياس تسارع واحد أو أكثر، ومعدل الدوران باستخدام جيروسكوب واحد أو أكثر . ^{[ 3 ]} وتتضمن بعضها أيضًا مقياسًا مغناطيسيًا يُستخدم عادةً كمرجع للاتجاه. وتحتوي بعض وحدات القياس بالقصور الذاتي، مثل BNO055 المستخدمة في لوحة Adafruit's 9-DOF IMU Breakout، على مستشعرات إضافية مثل مستشعر درجة الحرارة. ^{[ 4 ]} وتتضمن التكوينات النموذجية مقياس تسارع وجيروسكوب ومقياس مغناطيسي لكل محور من المحاور الرئيسية الثلاثة: الميل، والدوران، والانعراج .

غالبًا ما تُدمج وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي ، التي تستخدم قياسات IMU الخام لحساب الوضعية، ومعدلات الدوران، والسرعة الخطية، والموقع بالنسبة إلى إطار مرجعي عالمي. تُشكل أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي المزودة بوحدات IMU العمود الفقري للملاحة والتحكم في العديد من المركبات التجارية والعسكرية، مثل الطائرات المأهولة، والصواريخ، والسفن، والغواصات، والأقمار الصناعية. كما تُعد وحدات IMU مكونات أساسية في توجيه والتحكم في الأنظمة غير المأهولة مثل الطائرات بدون طيار (UAVs) ، والمركبات الأرضية غير المأهولة (UGVs) ، والمركبات تحت الماء غير المأهولة (UUVs) . تستخدم نسخ أبسط من أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي، تُسمى أنظمة مرجعية الوضعية والاتجاه، وحدات IMU لحساب وضعية المركبة مع اتجاهها بالنسبة إلى الشمال المغناطيسي. تسمح البيانات التي يتم جمعها من مستشعرات IMU للحاسوب بتتبع موقع المركبة، باستخدام طريقة تُعرف باسم الملاحة التقديرية . تُعرض هذه البيانات عادةً في متجهات أويلر التي تُمثل زوايا الدوران في المحاور الرئيسية الثلاثة أو في شكل رباعي .

في المركبات البرية، يمكن دمج وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) في أنظمة الملاحة بالسيارات القائمة على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو أنظمة تتبع المركبات ، مما يمنح النظام قدرة على حساب المسار بدقة والقدرة على جمع أكبر قدر ممكن من البيانات الدقيقة حول السرعة الحالية للمركبة ومعدل دورانها واتجاهها وميلها وتسارعها، بالإضافة إلى مخرجات مستشعر سرعة عجلات المركبة ، وإشارة الترس العكسي إن وجدت، لأغراض مثل تحسين تحليل حوادث المرور .

إلى جانب أغراض الملاحة، تُستخدم وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) كمستشعرات توجيه في العديد من المنتجات الاستهلاكية. تحتوي جميع الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية تقريبًا على وحدات IMUs كمستشعرات توجيه. كما قد تتضمن أجهزة تتبع اللياقة البدنية وغيرها من الأجهزة القابلة للارتداء وحدات IMUs لقياس الحركة، مثل الجري. تتميز وحدات IMUs أيضًا بقدرتها على تحديد مستويات النمو للأفراد أثناء الحركة من خلال تحديد خصوصية وحساسية معايير محددة مرتبطة بالجري. تستخدم بعض أنظمة الألعاب، مثل أجهزة التحكم عن بُعد لجهاز نينتندو وي، وحدات IMUs لقياس الحركة. وقد ساهمت وحدات IMUs منخفضة التكلفة في ازدهار صناعة الطائرات بدون طيار الاستهلاكية. كما تُستخدم بكثرة في تكنولوجيا الرياضة (التدريب على التقنيات)، ^{[ 5 ]} وتطبيقات الرسوم المتحركة. وهي تقنية منافسة في مجال تقنية التقاط الحركة . ^{[ 6 ]} وتُعد وحدة IMUs عنصرًا أساسيًا في تقنية التوازن المستخدمة في جهاز سيجواي للنقل الشخصي .

في الملاحة

في نظام الملاحة، تُغذّى البيانات المُبلغ عنها من وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) إلى معالج يحسب الارتفاع والسرعة والموقع. ^{[ 7 ]} يُدمج نظامٌ نموذجي يُشار إليه بنظام القصور الذاتي المُثبّت، معدل الدوران الزاوي من الجيروسكوب لحساب الموقع الزاوي. يُدمج هذا مع متجه الجاذبية المقاس بواسطة مقاييس التسارع في مرشح كالمان لتقدير الوضع. يُستخدم تقدير الوضع لتحويل قياسات التسارع إلى إطار مرجعي قصوري (ومن هنا جاء مصطلح الملاحة بالقصور الذاتي)، حيث تُكامل مرة واحدة للحصول على السرعة الخطية، ومرتين للحصول على الموقع الخطي. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

على سبيل المثال، إذا قام جهاز IMU مثبت في طائرة تتحرك على طول متجه اتجاه معين بقياس تسارع الطائرة بمقدار 5  م/ث² ^لمدة ثانية واحدة، فبعد تلك الثانية الواحدة سيستنتج جهاز الكمبيوتر التوجيهي أن الطائرة يجب أن تسير بسرعة 5  م/ث ويجب أن تكون على بعد 2.5 م من موضعها الأولي (بافتراض أن v₀ ₌ 0 وإحداثيات موضع البداية المعروفة _x₀ ، y₀ _، z₀ ₎ . إذا ما تم دمج هذه التقنية مع خريطة ورقية ميكانيكية أو أرشيف خرائط رقمي (وهي أنظمة تُعرف مخرجاتها عمومًا باسم عرض الخريطة المتحركة، نظرًا لأن مخرجات نظام التوجيه غالبًا ما تُعتبر نقطة مرجعية، مما ينتج عنه خريطة متحركة)، فيمكن لنظام التوجيه استخدام هذه الطريقة لإظهار الموقع الجغرافي للطائرة للطيار في لحظة معينة، كما هو الحال في نظام الملاحة GPS ، ولكن دون الحاجة إلى التواصل مع أو استقبال أي اتصالات من مكونات خارجية، مثل الأقمار الصناعية أو أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية الأرضية، على الرغم من أنه لا يزال يتم استخدام مصادر خارجية لتصحيح أخطاء الانحراف، ولأن معدل تحديث الموقع الذي تسمح به أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي يمكن أن يكون أعلى من ذلك، فإن حركة المركبة على شاشة الخريطة يمكن أن تُرى بسلاسة. تُسمى هذه الطريقة في الملاحة بالملاحة التقديرية .

صُممت إحدى أوائل هذه الوحدات وبُنيت من قِبل شركة فورد للأجهزة لصالح القوات الجوية الأمريكية لمساعدة الطائرات على الملاحة أثناء الطيران دون أي تدخل خارجي. تُسمى هذه الوحدة مؤشر الموقع الأرضي ، وبمجرد أن يُدخل الطيار خط الطول وخط العرض للطائرة عند الإقلاع، تُظهر له الوحدة خط الطول وخط العرض للطائرة بالنسبة للأرض. ^{[ 11 ]}

يمكن استخدام أنظمة تتبع المواقع مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ^{[ 12 ]} لتصحيح أخطاء الانحراف باستمرار (وهو تطبيق لمرشح كالمان ).

من أبرز عيوب استخدام وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) في الملاحة هو تراكم الأخطاء فيها. فنظرًا لأن نظام التوجيه يُجري باستمرار عملية تكامل التسارع بالنسبة للزمن لحساب السرعة والموقع (انظر الملاحة التقديرية ) ، فإن أي أخطاء في القياس، مهما كانت ضئيلة، تتراكم مع مرور الوقت. وهذا يؤدي إلى "الانحراف": وهو فرق متزايد باستمرار بين الموقع الذي يعتقد النظام أنه موجود فيه والموقع الفعلي. وبسبب التكامل، ينتج عن خطأ ثابت في التسارع نمو خطي في خطأ السرعة ونمو تربيعي في خطأ الموقع. أما الخطأ الثابت في معدل تغير الاتجاه (الجيروسكوب) فينتج عنه نمو تربيعي في خطأ السرعة ونمو تكعيبي في خطأ الموقع. ^{[ 13 ]}

توجد مجموعة واسعة جدًا من وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs)، ^{[ 14 ]} اعتمادًا على أنواع التطبيقات، مع نطاق الأداء التالي:

• من 0.1 درجة/ثانية إلى 0.001 درجة/ساعة للجيروسكوب
• من 100  ملغ إلى 10  ميكروغرام لأجهزة قياس التسارع.

للحصول على فكرة تقريبية، هذا يعني أنه بالنسبة لمقياس تسارع واحد غير مصحح، فإن أرخص مقياس (بمعدل 100  ملغ) يفقد قدرته على إعطاء دقة 50 مترًا بعد حوالي 10 ثوانٍ، بينما  يفقد أفضل مقياس تسارع (بمعدل 10 ميكروغرام) دقته البالغة 50 مترًا بعد حوالي 17 دقيقة. ^{[ 15 ]}

تؤثر دقة أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي داخل وحدة قياس القصور الذاتي الحديثة (IMU) بشكل أكثر تعقيدًا على أداء نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS). ^{[ 16 ]}

غالبًا ما يتم تمثيل سلوك مستشعر الجيروسكوب ومقياس التسارع بنموذج يعتمد على الأخطاء التالية، بافتراض أن لديهم نطاق القياس وعرض النطاق الترددي المناسبين: ^{[ 17 ]}

• خطأ الإزاحة: يمكن تقسيم هذا الخطأ بين أداء الاستقرار (الانحراف بينما يظل المستشعر في ظروف ثابتة) والتكرارية (الخطأ بين قياسين في ظروف مماثلة يفصل بينهما ظروف متغيرة).
• خطأ عامل المقياس: أخطاء في حساسية الدرجة الأولى بسبب عدم التكرارية واللاخطية
• خطأ في المحاذاة: بسبب تركيب ميكانيكي غير مثالي
• حساسية المحور المتقاطع: قياس طفيلي ناتج عن التحفيز على طول محور متعامد مع محور المستشعر
• الضوضاء: تعتمد على الأداء الديناميكي المطلوب
• الحساسية البيئية: الحساسية بشكل أساسي للتدرجات الحرارية والتسارعات

تعتمد جميع هذه الأخطاء على ظواهر فيزيائية مختلفة خاصة بكل تقنية استشعار. ولتحقيق اختيار المستشعر الأمثل، من الضروري مراعاة متطلبات الاستقرار، وقابلية التكرار، والحساسية للبيئة (وخاصة البيئات الحرارية والميكانيكية)، على المديين القصير والطويل، وذلك حسب التطبيقات المستهدفة. غالبًا ما يكون الأداء المستهدف للتطبيقات أفضل من الأداء المطلق للمستشعر. ومع ذلك، فإن أداء المستشعر قابل للتكرار بمرور الوقت، بدقة متفاوتة، وبالتالي يمكن تقييمه وتعديله لتحسين أدائه. يعتمد هذا التحسين الفوري للأداء على نماذج كل من المستشعرات ووحدات القياس بالقصور الذاتي (IMU). ويتم اختيار مستوى تعقيد هذه النماذج وفقًا للأداء المطلوب ونوع التطبيق. وتُعدّ القدرة على تحديد هذا النموذج جزءًا من خبرة مصنعي المستشعرات ووحدات القياس بالقصور الذاتي. تُحسب نماذج المستشعرات ووحدات القياس بالقصور الذاتي في المصانع من خلال تسلسل معايرة مخصص باستخدام طاولات دوارة متعددة المحاور وغرف مناخية. ويمكن حسابها إما لكل منتج على حدة أو بشكل عام للإنتاج بأكمله. وعادةً ما تُحسّن المعايرة الأداء الخام للمستشعر بما لا يقل عن عقدين من الزمن.

غالبًا ما تُعلّق وحدات القياس بالقصور الذاتي عالية الأداء، أو تلك المصممة للعمل في ظروف قاسية، بواسطة ممتصات صدمات. ويجب أن تتغلب هذه الممتصات على ثلاثة تأثيرات:

• تقليل أخطاء المستشعرات الناتجة عن تأثيرات البيئة الميكانيكية
• يجب حماية أجهزة الاستشعار لأنها قد تتلف بسبب الصدمات أو الاهتزازات.
• احتواء حركة IMU الطفيلية ضمن نطاق ترددي محدود، حيث ستكون المعالجة قادرة على التعويض عنها.

يمكن لوحدات القياس بالقصور الذاتي المعلقة أن توفر أداءً عاليًا جدًا، حتى عند تعرضها لبيئات قاسية. ومع ذلك، للوصول إلى هذا الأداء، من الضروري تعويض ثلاثة سلوكيات رئيسية ناتجة:

• التَخَوُّن: تأثير طفيلي ناتج عن دورانين متعامدين
• التجديف: تأثير طفيلي ناتج عن تسارع متعامد مع الدوران
• تأثيرات التسارع المركزي.

يؤدي تقليل هذه الأخطاء عادةً إلى دفع مصممي وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMU) إلى زيادة ترددات المعالجة، وهو ما أصبح أسهل باستخدام التقنيات الرقمية الحديثة. مع ذلك، يتطلب تطوير خوارزميات قادرة على إلغاء هذه الأخطاء معرفة عميقة بالقصور الذاتي وفهمًا دقيقًا لتصميم أجهزة الاستشعار/وحدات القياس بالقصور الذاتي. من جهة أخرى، إذا كان من المرجح أن يُسهم نظام التعليق في تحسين أداء وحدة القياس بالقصور الذاتي، فإنه يؤثر سلبًا على حجمها وكتلتها.

تُعرف وحدة القياس بالقصور الذاتي اللاسلكية باسم WIMU . ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

• الجيروسكوب الرنان نصف الكروي – نوع من أنواع الجيروسكوبات 
• مقياس التسارع PIGA – مقياس التسارع الجيروسكوبي المتكامل البندولي، وهو أداة توجيه بالقصور الذاتي 
• ضبط شولر – مبدأ تصميم الملاحة بالقصور الذاتي 
• جيروسكوب ذو بنية مهتزة – جيروسكوب غير مكلف يعتمد على الاهتزاز 
• إنتلسات 708 - فشل صاروخ صيني، وقد تبين لاحقاً أن سبب الفشل هو عطل في وحدة القياس بالقصور الذاتي