Введение в симуляцию измерений IMU
В этом примере показано, как симулировать измерения инерциального измерительного блока (IMU) с помощью imuSensor (Sensor Fusion and Tracking Toolbox) Системный объект. IMU может включать комбинацию отдельных датчиков, включая гироскоп, акселерометр и магнитометр. Можно задать свойства отдельных датчиков с помощью gyroparams (Sensor Fusion and Tracking Toolbox), accelparams (Sensor Fusion and Tracking Toolbox) и magparams (Sensor Fusion and Tracking Toolbox), соответственно.
В следующих графиках, если не указано иное, только показывают измерения оси X. Используйте ползунки, чтобы в интерактивном режиме настроить параметры.
Параметры по умолчанию
Параметры по умолчанию для модели гироскопа симулируют идеальный сигнал. Учитывая синусоидальный вход, гироскоп вывел, должен соответствовать точно.
params = gyroparams
params =
gyroparams with properties:
MeasurementRange: Inf rad/s
Resolution: 0 (rad/s)/LSB
ConstantBias: [0 0 0] rad/s
AxesMisalignment: [3x3 double] %
NoiseDensity: [0 0 0] (rad/s)/√Hz
BiasInstability: [0 0 0] rad/s
RandomWalk: [0 0 0] (rad/s)*√Hz
TemperatureBias: [0 0 0] (rad/s)/°C
TemperatureScaleFactor: [0 0 0] %/°C
AccelerationBias: [0 0 0] (rad/s)/(m/s²)
% Generate N samples at a sampling rate of Fs with a sinusoidal frequency % of Fc. N = 1000; Fs = 100; Fc = 0.25; t = (0:(1/Fs):((N-1)/Fs)).'; acc = zeros(N, 3); angvel = zeros(N, 3); angvel(:,1) = sin(2*pi*Fc*t); imu = imuSensor('SampleRate', Fs, 'Gyroscope', params); [~, gyroData] = imu(acc, angvel); figure plot(t, angvel(:,1), '--', t, gyroData(:,1)) xlabel('Time (s)') ylabel('Angular Velocity (rad/s)') title('Ideal Gyroscope Data') legend('x (ground truth)', 'x (gyroscope)')
Аппаратная настройка параметра
Следующие аппаратные ограничения модели параметров или дефекты. Некоторые могут быть откорректированы посредством калибровки.
MeasurementRange определяет максимальное абсолютное значение, о котором сообщает гироскоп. Насыщаются большие абсолютные значения. Эффект показывают путем установки области значений измерения на значение, меньшее, чем амплитуда синусоидальной скорости вращения основной истины.
imu = imuSensor('SampleRate', Fs, 'Gyroscope', params); imu.Gyroscope.MeasurementRange =0.5; % rad/s [~, Gyrodata] = imu (acc, angvel); фигура график (t, angvel (: 1), '--', t, Gyrodata (: 1)) xlabel'Time (s)') yLabel 'Angular Velocity (rad/s)') заголовок'Saturated Gyroscope Data') легенда'x (ground truth)', 'x (gyroscope)')
Resolution влияет на размер шага цифровых измерений. Используйте этот параметр, чтобы смоделировать эффекты квантования от аналого-цифрового конвертера (ADC). Эффект показывают путем увеличения параметра до намного большего значения, чем типично.
imu = imuSensor('SampleRate', Fs, 'Gyroscope', params); imu.Gyroscope.Resolution =0.5; % (rad/s)/LSB [~, Gyrodata] = imu (acc, angvel); фигура график (t, angvel (: 1), '--', t, Gyrodata (: 1)) xlabel'Time (s)') yLabel 'Angular Velocity (rad/s)') заголовок'Quantized Gyroscope Data') легенда'x (ground truth)', 'x (gyroscope)')
AxesMisalignment сумма скоса в осях датчика. Этот скос обычно происходит, когда датчик смонтирован к PCB и может быть откорректирован посредством калибровки. Эффект показывают путем скоса оси X немного и графического вывода и оси X и оси Y.
imu = imuSensor('SampleRate', Fs, 'Gyroscope', params); xMisalignment =2; % percent imu.Gyroscope.AxesMisalignment = [xMisalignment, 0, 0]; % percent [~, Gyrodata] = imu (acc, angvel); фигура график (t, angvel (: 1:2), '--', t, Gyrodata (: 1:2)) xlabel'Time (s)') yLabel 'Angular Velocity (rad/s)') заголовок'Misaligned Gyroscope Data') легенда'x (ground truth)', 'y (ground truth)', ... 'x (gyroscope)', 'y (gyroscope)')
ConstantBias происходит в измерениях датчика из-за аппаратных дефектов. Поскольку это смещение не вызывается факторами окружающей среды, такими как температура, оно может быть откорректировано посредством калибровки.
imu = imuSensor('SampleRate', Fs, 'Gyroscope', params); xBias =0.4; % rad/s imu.Gyroscope.ConstantBias = [xBias, 0, 0]; % rad/s [~, Gyrodata] = imu (acc, angvel); фигура график (t, angvel (: 1), '--', t, Gyrodata (: 1)) xlabel'Time (s)') yLabel 'Angular Velocity (rad/s)') заголовок'Biased Gyroscope Data') легенда'x (ground truth)', 'x (gyroscope)')
Случайная шумовая настройка параметра
Следующая модель параметров случайный шум в измерениях датчика. Больше информации об этих параметрах может быть найдено в Инерционном Анализе Шума Датчика Используя Аллана Вэриэнса (Sensor Fusion and Tracking Toolbox) примером.
NoiseDensity сумма белого шума при измерении сенсором. Это иногда называется углом случайным обходом для гироскопов или скорости случайный обход для акселерометров.
rng('default') imu = imuSensor('SampleRate', Fs, 'Gyroscope', params); imu.Gyroscope.NoiseDensity =0.0125; % (rad/s)/sqrt(Hz) [~, Gyrodata] = imu (acc, angvel); фигура график (t, angvel (: 1), '--', t, Gyrodata (: 1)) xlabel'Time (s)') yLabel 'Angular Velocity (rad/s)') заголовок'White Noise Gyroscope Data') легенда'x (ground truth)', 'x (gyroscope)')
BiasInstability количество гвоздики или шума мерцания при измерении сенсором.
imu = imuSensor('SampleRate', Fs, 'Gyroscope', params); imu.Gyroscope.BiasInstability =0.02; % rad/s [~, Gyrodata] = imu (acc, angvel); фигура график (t, angvel (: 1), '--', t, Gyrodata (: 1)) xlabel'Time (s)') yLabel 'Angular Velocity (rad/s)') заголовок'Bias Instability Gyroscope Data') легенда'x (ground truth)', 'x (gyroscope)')
RandomWalk количество броуновского шума при измерении сенсором. Это иногда называется случайным блужданием по скорости для гироскопов или случайным блужданием по ускорению для акселерометров.
imu = imuSensor('SampleRate', Fs, 'Gyroscope', params); imu.Gyroscope.RandomWalk =0.091; % (rad/s)*sqrt(Hz) [~, Gyrodata] = imu (acc, angvel); фигура график (t, angvel (: 1), '--', t, Gyrodata (: 1)) xlabel'Time (s)') yLabel 'Angular Velocity (rad/s)') заголовок'Random Walk Gyroscope Data') легенда'x (ground truth)', 'x (gyroscope)')
Экологическая настройка параметра
Следующие параметры моделируют шум, который возникает из-за изменений окружающей среды датчика.
TemperatureBias смещение, добавленное к измерениям датчика из-за перепада температур от рабочей температуры по умолчанию. Большинство таблиц данных датчика перечисляет рабочую температуру по умолчанию как 25 градусов Цельсия. Это смещение показывают путем установки параметра на ненулевое значение и установки рабочей температуры на значение выше 25 градусов Цельсия.
imu = imuSensor('SampleRate', Fs, 'Gyroscope', params); imu.Gyroscope.TemperatureBias =0.06; % (rad/s)/(degrees C) imu.Temperature = 35; [~, Gyrodata] = imu (acc, angvel); фигура график (t, angvel (: 1), '--', t, Gyrodata (: 1)) xlabel'Time (s)') yLabel 'Angular Velocity (rad/s)') заголовок'Temperature-Biased Gyroscope Data') легенда'x (ground truth)', 'x (gyroscope)')
TemperatureScaleFactor ошибка в масштабном коэффициенте датчика из-за изменений в рабочей температуре. Это вызывает ошибки в масштабировании измерения; другими словами, меньшие идеальные значения имеют меньше ошибки, чем большие значения. Эту ошибку показывают путем линейного увеличения температуры.
imu = imuSensor('SampleRate', Fs, 'Gyroscope', params); imu.Gyroscope.TemperatureScaleFactor =3.2; % %/(degrees C) standardTemperature = 25; % degrees C temperatureSlope = 2; % (degrees C)/s температура = temperatureSlope*t + standardTemperature; Gyrodata = нули (N, 3); for i = 1:N imu.Temperature = температура (i); [~, Gyrodata (i, :)] = imu (acc (i, :), angvel (i, :)); end фигура график (t, angvel (: 1), '--', t, Gyrodata (: 1)) xlabel'Time (s)') yLabel 'Angular Velocity (rad/s)') заголовок'Temperature-Scaled Gyroscope Data') легенда'x (ground truth)', 'x (gyroscope)')
AccelerationBias смещение, добавленное к измерению гироскопа из-за линейных ускорений. Этот параметр характерен для гироскопа. Это смещение показывают путем установки параметра на ненулевое значение и использования ненулевого входного ускорения.
imu = imuSensor('SampleRate', Fs, 'Gyroscope', params); imu.Gyroscope.AccelerationBias =0.3; % (rad/s)/(m/s^2) acc (: 1) = 1; [~, Gyrodata] = imu (acc, angvel); фигура график (t, angvel (: 1), '--', t, Gyrodata (: 1)) xlabel'Time (s)') yLabel 'Angular Velocity (rad/s)') заголовок'Acceleration-Biased Gyroscope Data') легенда'x (ground truth)', 'x (gyroscope)')
