慣性計測ユニット

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、物体の特定の力、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、無人航空機（UAV）などの航空機（姿勢および方位基準システム）、衛星や着陸船などの宇宙船などの現代の乗り物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により、トンネル内、建物内、電子干渉がある場合など、GPS信号が利用できないときでもGPS受信機が機能できるようになります。^[2]

IMU はVR ヘッドセットやスマートフォンのほか、Wii リモコンのようなモーション トラッキング 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つまたは複数の加速度計を使用して直線加速度を検出し、1つまたは複数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によって機能します。^[3]一部には、方位基準として一般的に使用される磁力計も含まれています。 Adafruitの9-DOF IMUなどの一部の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つの主軸ごとに、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に組み込まれることが多く、このシステムでは、生の IMU 測定値を使用して、姿勢、角速度、線速度、およびグローバル参照フレームに対する位置を計算します。 IMU を備えた 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ナビゲーションと制御のバックボーンを形成します。 IMU は、UAV、UGV、UUVなどの無人システムの誘導と制御に不可欠なコンポーネントでもあります。姿勢方位基準システムと呼ばれる INS の簡易バージョンは、 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、コンピューターはデッドレコニング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または4 元数 を表すオイラーベクトルで表されます。

陸上車両では、IMU を GPS ベースの自動車ナビゲーション システムまたは車両追跡システムに統合して、システムに推測航法機能と、車両の車輪速度センサー出力、および利用可能な場合はリバース ギア信号と組み合わせて、車両の現在の速度、回転率、方向、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機能を提供できます。これにより、交通衝突分析を 向上させることができます。

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位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、方位センサーとして 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 IMU が搭載されている場合があります。IMU には、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で、動作中の個人の発達レベルを判断する機能もあります。任天堂 Wiiのリモコンなどの一部のゲームシステムでは、動作の測定に IMU を使用しています。低コストの IMU により、消費者向けドローン産業が急増しました。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よく使用されています。}モーションキャプチャ技術での使用をめぐる競合技術です。 ^{[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 によって報告されたデータはプロセッサに送られ、高度、速度、位置が計算されます。^[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統合して角度位置を計算します。これは、カルマン フィルター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基準フレーム (慣性航法という用語の由来) に変換するために使用されます。慣性基準フレームでは、1 回統合して線形速度を取得し、2 回統合して線形位置を取得します。^{[8] [9] [10]}

たとえば、ある方向ベクトルに沿って移動する飛行機に搭載された IMU が、飛行機の加速度を 1 秒間に 5 m/s ²として測定した場合、その 1 秒後に誘導コンピュータは、飛行機が 5 m/s で移動しており、初期位置から 2.5 m 離れていると推測します ( v ₀ =0 で、開始位置の座標が x ₀、 y ₀、 z ₀であると想定)。機械的な紙の地図またはデジタル地図アーカイブ（誘導システムの位置出力が参照点として使用されることが多く、結果として移動する地図となるため、出力は一般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使用して、 GPSナビゲーションシステムと同様に、特定の瞬間に飛行機が地理的にどこにいるかをパイロットに示すことができますが、衛星や陸上無線トランスポンダーなどの外部コンポーネントと通信したり、通信を受信したりする必要はありません。ただし、ドリフトエラーを修正するために外部ソースが引き続き使用されます。また、慣性航法システムで許可される位置更新頻度は、地図表示上の車両の動きがスムーズであると認識される頻度よりも高い可能性があるためです。このナビゲーション方法は、推測航法と呼ばれます。

最も初期のユニットの1つは、フォード・インストゥルメント社がアメリカ空軍向けに設計・製造したもので、機外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あった。地上位置指示器と呼ばれるこのユニットは、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、地面に対する航空機の経度と緯度をパイロットに表示するものであった。^[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）。

IMU をナビゲーションに使用することの主な欠点は、累積誤差が一般的に発生することです。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するため(デッドレコニングを参照)、測定誤差は、どんなに小さくて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、システムが位置していると考えている場所と実際の場所との差がどんどん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、速度の線形誤差の増加と位置の 2 乗誤差の増加をもたらします。姿勢速度 (ジャイロ) の一定の誤差は、速度の 2 乗誤差の増加と位置の 3 乗誤差の増加をもたらします。^[13]

IMUにはさまざまな種類があり^[14]、アプリケーションの種類に応じて性能が異なります。

• ジャイロスコープの場合、0.1°/sから0.001°/h
• 加速度計の場合、100 mg から 10 μg まで。

大まかに言えば、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、最も優れたもの（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]

現代の慣性計測装置（IMU）内の慣性センサーの精度は、慣性航法システム（INS）の性能にさらに複雑な影響を及ぼします。^[16]

ジャイロスコープと加速度センサーの動作は、適切な測定範囲と帯域幅があると仮定すると、次の誤差に基づくモデルで表されることが多い。^[17]

• オフセット誤差: この誤差は、安定性性能 (センサーが不変条件にある間のドリフト) と再現性 (さまざまな条件を挟んで同様の条件にある 2 つの測定間の誤差) に分けられます。
• スケール係数誤差: 非再現性と非線形性による一次感度の誤差
• 位置ずれエラー: 不完全な機械的取り付けによる
• 交差軸感度: センサー軸に直交する軸に沿った勧誘によって誘発される寄生測定
• ノイズ: 望ましい動的性能に依存
• 環境感度: 主に温度勾配と加速度に対する感度

これらのエラーはすべて、各センサー技術に固有のさまざまな物理現象に依存します。対象アプリケーションに応じて、適切なセンサーを選択できるようにするには、短期および長期の両方で、安定性、再現性、環境感度 (主に熱および機械環境) 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パフォーマンスは、ほとんどの場合、センサーの絶対パフォーマンスよりも優れています。ただし、センサーのパフォーマンスは、時間の経過と共に、多かれ少なかれ正確さを伴って再現可能であるため、評価して補正することでパフォーマンスを向上させることができます。このリアルタイムのパフォーマンス強化は、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、必要なパフォーマンスと検討対象の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機能は、センサーおよび IMU メーカーのノウハウの一部です。センサーと IMU モデルは、多軸ターンテーブルと気候室を使用した専用のキャリブレーション シーケンスを通じ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、生産全体に対して汎用的に計算することもできます。キャリブレーションにより、通常、センサーの生のパフォーマンスは少なくとも 20 年向上します。

高性能 IMU、または過酷な条件下で動作するように設計された 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ます。これらのショックアブソーバーは、次の 3 つの効果を制御する必要があります。

• 機械環境の要請によるセンサーエラーを減らす
• 衝撃や振動によって損傷を受ける可能性のあるセンサーを保護する
• 限られた帯域幅内での寄生 IMU の動きを抑制し、処理によってそれを補正できるようにします。

サスペンション IMU は、過酷な環境下でも非常に高いパフォーマンスを発揮します。ただし、このようなパフォーマンスを実現するには、結果として生じる 3 つの主な動作を補正する必要があります。

• コーニング：2つの直交回転によって引き起こされる寄生効果
• スカルリング：回転に直交する加速度によって引き起こされる寄生効果
• 遠心加速度の影響。

これらの誤差を減らすには、IMU 設計者は処理周波数を上げる必要がありますが、これは最近のデジタル技術を使用すると容易になります。ただし、これらの誤差をキャンセル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 設計に関する深い理解が必要です。一方、サスペンションによって IMU のパフォーマンスが向上する可能性がある場合、サイズと質量に副作用があります。

ワイヤレスIMUはWIMUとして知られています。^{[18] [19] [20] [21]}

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