• info@sdra.co.ir
  • 021-66045467
  • 021-66012587

مقدمه

با استفاده از AHRS[1] (سيستم مرجع وضعيت و سمت) مي‌توان وضعيت زاويه‌اي يك جسم در فضاي سه‌بعدي مشخص نمود. اساس كار سيستم‌هاي AHRS بر مبناي تلفيق داده سنسورهاي ژايروسكوپ نرخي با شتاب‌سنج و قطب‌نماي ديجيتال (مغناطيس‌سنج) استوار است. شتاب‌سنج و مغناطيس‌سنج سه محوره، بردارهاي مرجع گرانش و ميدان مغناطيسي زمين را در فضاي سه‌بعدي اندازه‌گيري مي‌كنند. با تلفيق داده‌اي، دريفت ژايروسكوپ‌ها با ادغام در بردارهاي مرجع، جبران خواهد شد. در نتيجه AHRS، يك سنسور زاويه‌ياب بدون دريفت با قيمت بسيار ارزان‌تر نسبت به يك IMUي گران‌قيمت و رده بالاست. در حقيقت AHRSها براي جايگزيني ژايروسكوپ‌هاي گران‌قيمت، سنگين و بسيار حساس سنتي كه در هواپيماها ساخته شده‌اند و مي‌توانند دقت و قابليت اطمينان بيشتري را نيز به كاربر ارائه كنند.

در ادامه توضيحات مختصري بر روي سخت‌افزار، نرم‌افزار و كاربردهاي AHRS داده خواهد شد.

سخت‌افزار AHRSهاي ارزان‌قيمت

در AHRSهاي ارزان‌قيمت عمدتا از سنسورهاي MEMS استفاده شده است. امروزه كمپاني‌هاي معتبر و بزرگ دنيا نظير ST، Analog Devices، NXP و بسياري ديگر، سنسورهاي ارزان‌قيمت و بسيار كوچك از نوع MEMS را توليد مي‌كنند. سنسورهايي با قيمت بين 1 تا 20 دلار و ابعادي در حدود 4 ميليمتر كه مي‌تواند شتاب، سرعت زاويه‌اي يا ميدان مغناطيسي را با دقت مناسبي اندازه‌گيري نمايد. با مجمتع كردن اين سنسورها بر روي يك بورد و استفاده از يك پردازنده مناسب، مي‌توان به سادگي سخت‌افزار يك AHRS را ساخت.

 AHRS

ديناميك جهت‌گيري و فيلتر كالمن

نرم‌افزار داخلي AHRSها عمدتا بر پايه‌ي فيلتر كالمن استوار است. عمدتا ديناميك حركت زاويه‌اي جسم در فضاي سه بعدي به عنوان پروسس اصلي فيلتر كالمن در نظر گرفته مي‌شود. خروجي شتاب‌سنج‌ و مغناطيس‌سنج نيز به عنوان بردار مرجع اندازه‌گيري به فيلتر كالمن وارد مي‌شود. در اكثر موارد، باياس ژايروسكوپ‌ها نيز به عنوان پارامترهاي تقريبا ثابت، در ديناميك سيستم وارد مي‌شوند تا با تخمين بهينه آنها بتوان خروجي پروسس را بهبود داد.

با توجه به اينكه AHRS در همه جهات بايد بتواند خروجي زاويه‌اي را توليد نمايد، در حل ديناميك پروسس معمولا از كواترنيون استفاده مي‌شود. معادلات پروسس در حالت عمومي به صورت زير است:

 image002

 

كه در اين رابطه qها، مولفه‌هاي بردار كواترنيون و wها مولفه‌هاي سرعت زاويه‌اي است كه توسط ژايروسكوپ اندازه‌گيري مي‌شوند. رابطه فوق كه يك رابطه خطي است، به عنوان معادله پروسس در فيلتر كالمن در نظر گرفته مي‌شود.

با استفاده از خروجي شتاب‌سنج و مغناطيس‌سنج و همچنين داشتن بردارهاي مرجع گرانش و مغناطيس زمين، مي‌توان جهت‌گيري را محاسبه نمود. يكي از روش‌هاي محاسبه، استفاده از مجموعه سه‌تايي (triad) است. به اين صورت كه با استفاده از بردار مرجع گرانش و مغناطيس يك دستگاه مختصات ساخته خواهد شد. 

 image003

مشابه همين دستگاه مختصات را مي‌توان با استفاده از خروجي‌هاي شتاب‌سنج و مغناطيس‌سنج ساخت كه با اسم R شناخته مي‌شود. بنابراين ماتريس دوران بين دستگاه مرجع و جسم عبارت خواهد بود از:

image004

با تبديل ماتريس دوران به دست آمده به كواترنيون، مي‌توان از اين بردار به عنوان بردار اندازه‌گيري در فيلتر كالمن استفاده نمود. معادلات كلاسيك فيلتر كالمن در بسيار از مراجع از جمله در ويكي‌پديا آورده شده است.

كاربردها

با توجه به مطالب گفته شده در بالا، AHRSها مي‌توانند در اكثر كاربردهايي كه نياز به اندازه‌گيري زوايا و وضعيت اجسام در فضاي سه‌بعدي وجود دارد، به كار گرفته شوند. برخي از اين كاربردها در ادامه شرح داده خواهد شد.

پايدارسازي پلت‌فرم‌ها: در پايدارسازي پلت‌فرم‌ها مثلا پلت‌فرم يك آنتن، يك سامانه زاويه‌ياب مورد نياز است. از خروجي اين سامانه براي فرمان دادن به عملگرهاي پايدارساز پلت‌فرم استفاده مي‌شود. «مشاهده محصول رسام»

هدايت و كنترل خودكار: با ادغام يك AHRS با GPS مي‌توان هم زوايا و هم موقعيت و سرعت را اندازه‌گيري نمود. در پرنده‌هاي سبك بال ثابت يا مولتي‌روتورها معمولا از چنين سيستمي براي اندازه‌گيري پارامترهاي پروازي استفاده مي‌شود. سيستم هدايت و كنترل خودكار نيز با استفاده از خروجي اين سيستم، مي‌تواند كنترل پرواز خودكار را انجام دهد.

كنترل بازوها و ربات‌ها: در بازو‌هاي رباتيكي و ربات‌ها عمدتا نياز به يك سنسور اندازه‌گيري زاويه مطلق است تا ربات بتواند حركات مورد انتظار را به خوبي اجرا نمايد.

سامانه ثبت رفتار و حركات: با توجه به اينكه AHRSها از سنسورهاي مختلف استفاده مي‌كنند، براي ثبت حركات مي‌توان از آنها استفاده نمود. حركات و رفتار مي‌تواند شامل زوايا، شتاب‌ها و سرعت‌هاي زاويه‌اي باشد. با نصب AHRSهاي متعدد بر روي اعضاي مختلف بدن، مي‌توان رژيم حركتي بدن يك فرد را بدست آورده و جهت آناليزهاي بعدي نظير GAIT Analysis استفاده نمود. «مشاهده محصول نما» 

 


[1]Attitude and Heading Reference System