Modelo IMU, GPS e INS/GPS

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Navigation Toolbox™ le permite modelar unidades de medida inercial (IMU), sistemas de posicionamiento global (GPS) y sistemas de navegación inercial (INS). Puede modelar hardware específico configurando las propiedades de sus modelos con valores de las hojas de datos de hardware. Puede ajustar las propiedades ambientales y de ruido para imitar entornos del mundo real. Puede utilizar estos modelos para probar y validar sus algoritmos de fusión o como marcadores de posición mientras desarrolla aplicaciones más grandes.

Este tutorial proporciona una descripción general de los modelos de sensores inerciales y GPS en Navigation Toolbox.

Para aprender cómo generar el movimiento ground-truth que impulsa los modelos de sensores, consulte waypointTrajectory y kinematicTrajectory.

Unidad de medida Inercial

Una IMU es un dispositivo electrónico montado sobre una plataforma. La IMU consta de sensores individuales que informan diversa información sobre el movimiento de la plataforma. Las IMU combinan múltiples sensores, que pueden incluir acelerómetros, giroscopios y magnetómetros.

Con esta toolbox, las mediciones devueltas por un modelo IMU utilizan las siguientes convenciones de unidades y coordenadas.

Salida	Descripción	Unidades	Sistema coordinado
Aceleración	Lectura actual del acelerómetro	m/s²	Cuerpo del sensor
Velocidad angular	Lectura actual del giroscopio	rad/s	Cuerpo del sensor
Campo magnético	Lectura actual del magnetómetro	µT	Cuerpo del sensor

Por lo general, los datos devueltos por las IMU se fusionan y se interpretan como balanceo, cabeceo y guiñada de la plataforma. Los sensores IMU del mundo real pueden tener diferentes ejes para cada uno de los sensores individuales. Los modelos proporcionados por Navigation Toolbox asumen que los ejes individuales de los sensores están alineados.

Para crear un modelo de sensor IMU, utilice imuSensor System object™.

IMU = imuSensor

IMU = 

  imuSensor with properties:

          IMUType: 'accel-gyro'
       SampleRate: 100
      Temperature: 25
    Accelerometer: [1×1 accelparams]
        Gyroscope: [1×1 gyroparams]
     RandomStream: 'Global stream'

El modelo IMU predeterminado contiene un acelerómetro ideal y un giroscopio ideal. Los objetos accelparams y gyroparams definen la configuración del acelerómetro y el giroscopio. Puede configurar las propiedades de estos objetos para imitar hardware y entornos específicos. Para obtener más información sobre los objetos de parámetros de IMU, consulte accelparams, gyroparams y magparams.

Para modelar la recepción de datos del sensor IMU, llame al modelo IMU con la aceleración real y la velocidad angular de la plataforma:

trueAcceleration = [1 0 0];
trueAngularVelocity = [1 0 0];
[accelerometerReadings,gyroscopeReadings] = IMU(trueAcceleration,trueAngularVelocity)

accelerometerReadings =

   -1.0000         0    9.8100


gyroscopeReadings =

     1     0     0

Puede generar las trayectorias reales que ingresa al modelo IMU usando kinematicTrajectory y waypointTrajectory.

Sistema de Posicionamiento Global

Un sistema de posicionamiento global (GPS) proporciona información de posición tridimensional para plataformas (receptores) en la superficie de la Tierra.

El GPS consiste en una constelación de satélites que orbitan continuamente la Tierra. Los satélites mantienen una configuración tal que una plataforma está siempre a la vista de al menos cuatro satélites. Midiendo el tiempo de vuelo de las señales desde los satélites hasta la plataforma, se puede trilaterar la posición de la plataforma. Los satélites marcan la hora de una señal de transmisión, que se compara con el reloj de la plataforma al recibirla. Se necesitan tres satélites para trilaterar una posición en tres dimensiones. El cuarto satélite es necesario para corregir los errores de sincronización del reloj entre la plataforma y los satélites.

La simulación GPS proporcionada por Navigation Toolbox modela los datos de la plataforma (receptor) que ya han sido procesados e interpretados como altitud, latitud, longitud, velocidad, velocidad terrestre y rumbo.

Las mediciones devueltas por el modelo GPS utilizan las siguientes convenciones de unidades y coordenadas.

Salida	Descripción	Unidades	Sistema coordinado
LLA	Lectura de la posición global actual en coordenadas geodésicas, basada en el modelo terrestre elipsoide wgs84	grados (latitud), grados (longitud), metros (altitud)	LLA
Velocidad	Lectura de velocidad actual desde GPS	EM	DEN local
Pista de velocidad	Lectura actual de la velocidad terrestre desde el GPS	EM	DEN local
Curso	Lectura del curso actual desde GPS	grados	DEN local

El modelo GPS le permite configurar parámetros de ruido y precisión de alto nivel, así como la velocidad de actualización del receptor y una ubicación de referencia.

Para crear un modelo GPS, utilice el gpsSensor System object.

GPS = gpsSensor

GPS = 

  gpsSensor with properties:

                    UpdateRate: 1                  Hz         
             ReferenceLocation: [0 0 0]            [deg deg m]
    HorizontalPositionAccuracy: 1.6                m          
      VerticalPositionAccuracy: 3                  m          
              VelocityAccuracy: 0.1                m/s        
                  RandomStream: 'Global stream'               
                   DecayFactor: 0.999

Para modelar la recepción de datos del sensor GPS, llame al modelo GPS con la posición ground-truth y la velocidad de la plataforma:

truePosition = [1 0 0];
trueVelocity = [1 0 0];
[LLA,velocity,groundspeed,course] = GPS(truePosition,trueVelocity)

LLA =

    0.0000    0.0000    0.3031


velocity =

    1.0919   -0.0008   -0.1308


groundspeed =

    1.0919


course =

  359.9566

Puede generar las trayectorias reales que ingresa al modelo GPS usando kinematicTrajectory y waypointTrajectory.

Sistema de navegación inercial y sistema de posicionamiento global

Un sistema de navegación inercial (INS) utiliza sensores inerciales como los que se encuentran en una IMU: acelerómetros, giroscopios y magnetómetros. Un INS fusiona los datos del sensor inercial para calcular la posición, orientación y velocidad de una plataforma. Un INS/GPS utiliza datos de GPS para corregir el INS. Normalmente, las lecturas de INS y GPS se fusionan con un filtro de Kalman extendido, donde las lecturas de INS se utilizan en el paso de predicción y las lecturas de GPS se utilizan en el paso de actualización. Un uso común de INS/GPS es la navegación a estima cuando la señal de GPS no es confiable.

"INS/GPS" se refiere a todo el sistema, incluido el filtrado. La simulación INS/GPS proporcionada por Navigation Toolbox modela un INS/GPS y devuelve la posición, velocidad y orientación informadas por los sensores inerciales y el receptor GPS basándose en un movimiento ground-truth.

Las mediciones devueltas por el INS/GPS utilizan las siguientes convenciones de unidades y coordenadas.

Salida	Descripción	Unidades	Sistema coordinado
Posición	Lectura de posición actual del INS/GPS	metros	DEN local
Velocidad	Lectura de velocidad actual del INS/GPS	EM	DEN local
Orientación	Lectura de orientación actual del INS/GPS	cuaternión o matriz de rotación	N / A

Consulte también

imuSensor | gpsSensor | insSensor | gnssSensor

Temas relacionados

Sitios web externos

https://www.gps.gov/systems/gps/