Loading article…
慣性計測装置（IMU ）は、加速度計、ジャイロスコープ、場合によっては磁力計を組み合わせて、物体の比力、角速度、場合によっては物体の向きを測定して報告する電子機器です。磁力計が含まれている場合、IMUはIMMUと呼ばれます。[ 1 ]
IMUは、オートバイ、ミサイル、航空機（姿勢および方位基準システム）、無人航空機（UAV）などを含む現代の車両、および衛星や着陸機を含む宇宙船の操縦に一般的に使用されています。最近の開発により、IMU対応のGPSデバイスの製造が可能になりました。IMUを使用すると、トンネル内、建物内、または電子干渉がある場合など、GPS信号が利用できない場合でもGPS受信機が動作します。[ 2 ]
IMUはVRヘッドセットやスマートフォンに使用されているほか、 Wiiリモコン、Steamコントローラー、Nintendo Switch Proコントローラー、DualSenseなどのモーション追跡ゲームコントローラーにも使用されています。
慣性計測ユニットは、1 つ以上の加速度計を使用して直線加速度を検出し、1 つ以上のジャイロスコープを使用して回転速度を検出することで機能します。[ 3 ]一部のユニットには、一般的に方位基準として使用される磁力計も含まれています。Adafruit の 9-DOF IMU Breakout で使用されている BNO055 のような一部の IMU には、温度などの追加センサーが含まれています。[ 4 ]一般的な構成では、ピッチ、ロール、ヨーの 3 つの主軸それぞれに、軸ごとに 1 つの加速度計、ジャイロ、磁力計が含まれています。
IMUは慣性航法システム（INS）に組み込まれることが多く、INSはIMUの生の測定値を使用して、グローバル基準座標系に対する姿勢、角速度、線速度、および位置を計算します。IMUを搭載したINSは、有人航空機、ミサイル、船舶、潜水艦、衛星など、多くの商用および軍用車両の航法と制御の基盤を形成します。IMUは、UAV、UGV、UUVなどの無人システムの誘導と制御においても不可欠なコンポーネントです。姿勢および方位基準システムと呼ばれるINSのよりシンプルなバージョンは、 IMUを使用して、磁北に対する方位で車両の姿勢を計算します。IMUのセンサーから収集されたデータにより、コンピュータは推測航法と呼ばれる方法を使用して機体の位置を追跡できます。このデータは通常、3つの主軸の回転角度を表すオイラーベクトルまたはクォータニオンで表されます。
陸上車両においては、IMUはGPSベースの車載ナビゲーションシステムや車両追跡システムに統合することができ、これによりシステムは推測航法機能を備え、車両の車輪速度センサー出力や、利用可能な場合は後退ギア信号と組み合わせることで、車両の現在の速度、旋回率、方位、傾斜、加速度に関する可能な限り正確なデータを収集することが可能になり、例えば交通衝突分析の精度向上などに役立てられます。
ナビゲーション目的以外にも、IMU は多くの消費者向け製品で方向センサーとして機能します。ほぼすべてのスマートフォンとタブレットには、方向センサーとして IMU が搭載されています。フィットネス トラッカーやその他のウェアラブルにも、ランニングなどの動作を測定するために IMU が含まれている場合があります。IMU は、ランニングに関連する特定のパラメータの特異性と感度を識別することにより、動作中の個人の発達レベルを判断する機能も備えています。任天堂 Wiiのリモコンなどの一部のゲーム システムでは、動作を測定するために IMU が使用されています。低コストの IMU により、消費者向けドローン産業が普及しました。また、スポーツ技術 (技術トレーニング) [ 5 ]やアニメーション アプリケーションにも頻繁に使用されています。モーション キャプチャ技術で使用する競合技術です。[ 6 ] IMU は、セグウェイ パーソナル トランスポーター で使用されているバランス技術の中核をなしています。
ナビゲーションシステムでは、IMU から報告されたデータは、高度、速度、位置を計算するプロセッサに入力されます。[ 7 ]ストラップダウン慣性システムと呼ばれる典型的な実装では、ジャイロスコープからの角速度を積分して角位置を計算します。これは、カルマンフィルタで加速度計によって測定された重力ベクトルと融合され、姿勢を推定します。姿勢推定は、加速度測定値を慣性参照フレームに変換するために使用されます (慣性ナビゲーションという用語の由来)。そこで、加速度測定値は 1 回積分されて線形速度が得られ、2 回積分されて線形位置が得られます。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
例えば、ある方向ベクトルに沿って移動する航空機に搭載されたIMUが、航空機の加速度を1秒間 5m/s²と 計測した場合、その1秒後には、誘導コンピュータは航空機が5m/sで移動しており、初期位置から2.5m離れていると推測します（v₀ = 0、既知の開始位置座標x₀ 、 y₀ 、 z₀を仮定）。機械式の紙地図やデジタル地図アーカイブ（誘導システムの位置出力が基準点として用いられるため、一般的に移動地図表示と呼ばれるシステム）と組み合わせると、誘導システムはこの方法を用いて、 GPSナビゲーションシステムのように、ある瞬間の航空機の地理的位置をパイロットに示すことができる。ただし、衛星や地上無線トランスポンダなどの外部コンポーネントと通信したり、外部コンポーネントからの通信を受信したりする必要はない。ただし、ドリフト誤差を補正するためには外部ソースが依然として使用される。また、慣性航法システムによって許容される位置更新頻度は、地図表示上の機体の動きよりも高くなる可能性があるため、滑らかに見える。この航法方法は、推測航法と呼ばれる。
初期の装置の1つは、フォード計器会社が米空軍向けに設計・製造したもので、航空機外部からの入力なしに飛行中の航空機の航行を支援するものでした。地上位置指示器と呼ばれ、パイロットが離陸時に航空機の経度と緯度を入力すると、この装置は地上に対する航空機の経度と緯度をパイロットに表示しました。[ 11 ]
GPS [ 12 ]のような位置追跡システムは、ドリフト誤差を継続的に補正するために使用できます (カルマンフィルタの応用)。
ナビゲーションに IMU を使用する主な欠点は、通常、累積誤差が発生することです。誘導システムは速度と位置を計算するために加速度を時間に対して継続的に積分しているため(推測航法を参照)、どんなに小さな測定誤差でも、時間の経過とともに蓄積されます。これにより、「ドリフト」が発生します。これは、システムが認識している位置と実際の位置との間の差が常に大きくなることを意味します。積分により、加速度の一定の誤差は速度の誤差の線形増加と位置の誤差の二次増加をもたらします。姿勢レート (ジャイロ) の一定の誤差は速度の誤差の二次増加と位置の誤差の三次増加をもたらします。[ 13 ]
アプリケーションの種類に応じて、非常に多様なIMUが存在し、その性能は多岐にわたる。 [ 14 ]
大まかな目安として、補正されていない単一の加速度計の場合、最も安価なもの（100 mg）は約 10 秒後に 50 メートルの精度を失うのに対し、最も優れた加速度計（10 μg）は約 17 分後に 50 メートルの精度を失うことを意味します。[ 15 ]
最新の慣性計測装置（IMU）内部の慣性センサーの精度は、慣性航法システム（INS）の性能に複雑な影響を与える。[ 16 ]
ジャイロスコープと加速度計センサーの動作は、適切な測定範囲と帯域幅を持っていると仮定して、次の誤差に基づくモデルで表されることが多い。[ 17 ]
これらの誤差はすべて、各センサー技術に特有のさまざまな物理現象に依存します。対象となるアプリケーションに応じて、適切なセンサーを選択するためには、短期および長期の両方において、安定性、再現性、および環境感度（主に熱環境と機械的環境）に関するニーズを考慮することが非常に重要です。アプリケーションの目標とする性能は、ほとんどの場合、センサーの絶対性能よりも優れています。ただし、センサーの性能は時間の経過とともに多かれ少なかれ精度で再現性があり、そのため、その性能を向上させるために評価および補正することができます。このリアルタイムの性能向上は、センサーとIMUモデルの両方に基づいています。これらのモデルの複雑さは、必要な性能と考慮されるアプリケーションの種類に応じて選択されます。このモデルを定義する能力は、センサーおよびIMUメーカーのノウハウの一部です。センサーおよびIMUモデルは、多軸ターンテーブルと気候チャンバーを使用した専用のキャリブレーションシーケンスによって工場で計算されます。これらは、個々の製品ごとに計算することも、生産全体に共通して計算することもできます。キャリブレーションにより、センサーの生の性能は通常、少なくとも20年向上します。
高性能IMU、あるいは過酷な条件下での動作を想定して設計されたIMUは、多くの場合、ショックアブソーバーによって吊り下げられています。これらのショックアブソーバーには、次の3つの効果を制御することが求められます。
サスペンション式IMUは、過酷な環境下でも非常に高い性能を発揮できます。しかし、そのような性能を実現するには、主に以下の3つの挙動を補正する必要があります。
これらの誤差を低減するためには、IMU設計者は処理周波数を上げる必要があり、近年のデジタル技術を用いることでそれが容易になる。しかし、これらの誤差を相殺できるアルゴリズムを開発するには、慣性に関する深い知識と、センサー／IMU設計に関する高度な理解が不可欠である。一方、サスペンションによってIMUの性能向上が見込まれる場合、サイズと質量が増加するという副作用が生じる。