Onderwerp: Zo werkt een 9-assige sensor (IMU sensor)

Een IMU sensor, ook wel 9-assige sensor genoemd, vormt steeds vaker een belangrijk onderdeel van de sensors op een boot. Een IMU sensor geeft koers en helling. Ik zal hieronder proberen uit te leggen hoe zo'n sensor werkt.

Een IMU is eigenlijk een combinatie van 3 sensoren, een gyro, een versnellingssensor en een magnetisch veld sensor. Elk van de sensoren meet over 3 assen (X, Y en Z) vandaar de naam 9-assige sensor. Elk van deze 3 sensoren heeft zijn beperkingen en zwakheden, maar samengevoegd kunnen de sensoren elkaars beperkingen opheffen en zwakheden compenseren. Laat ik eerst de individuele sensoren beschrijven en daarna hoe je ze effectie laat samenwerken.

De gyro sensor meet draaisnelheid over elke as. Ze kan dit heel nauwkeurig zonder veel ruis. De beperking van deze sensor is dat ze niet een absolute oriëntatie meet maar alleen de draaisnelheid. Door de draaisnelheid heel frequent te meten kan je wel het verschil in oriëntatie bepalen ten opzichte van een eerder moment. De zwakheid van de sensor is dat de meting kan gaan driften. De sensor krijgt een constante afwijking, het lijkt alsof de sensor langzaam draait terwijl ze stil gehouden wordt.

De versnellingssensor meet versnelling. Hoe groot het snelheidsverschil is in een bepaalde tijd en richting. Ze "ziet" daarom ook altijd de zwaartekracht en kan daarom heel goed gebruikt worden om onder en boven te vinden. Een versnellingssensor ziet niet waar noord of zuid is. Het signaal van een versnellingssensor drift niet maar bevat wel vrij veel ruis. Ook is niet mogelijk om beneden nauwkeurig te "zien" als de sensor ook in een andere richting versnelt.

Een magnetisch veld sensor meet de sterkte van een magnetisch veld in drie richtingen. Het is geen kompass dat naar de noordpool wijst maar de 3 assen samen geven een vector die naar het magnetisch noorden wijst. In Nederland wijst deze vector richting noord stijl de grond in. Deze sensor drift niet en heeft nauwelijks ruis. Ze is wel traag en meet ook de verstoringen in het magnetisch veld die door andere dingen (sleutels, mobieltjes, stremmingswerken) worden veroorzaakt.

In een IMU worden met behulp van software de signalen van de 3 sensoren gecombineerd tot één oriëntatie in X, Y en Z richting. Deze is driftvrij, snel beschikbaar en ruisarm. Korte magnetische verstoringen worden redelijk gecompenseerd, langdurige verstoringen niet.

De software houdt de oriëntatie van de sensor bij. Je kunt je bij de orientatie een 3 assig kruis voorstellen, de software houdt bij hoe ver dit kruis is gedraaid en gekanteld. Bij de start wordt een startpositie gekozen, het kruis staat bijvoorbeeld rechtop en wijst met de X as naar het noorden. Vervolgens wordt met behulp van de gyro de draaisnelheid bepaald. Als je deze weet en je weet hoe lang het kruis al zo draait kan je uitrekenen wat de nieuwe positie is. Je moet dan wel aannemen dat de draaisnelheid constant is geweest sinds de vorige meting, maar als je maar snel genoeg achter elkaar meet klopt dat wel ongeveer. Je zou bijna denken dat de software nu klaar is, ze heeft een nieuwe oriëntatie uitgerekend. Maar zo is het helaas niet. De gyro kent drift en de oriëntatie die is berekend is daardoor niet helemaal goed. Dit is in het begin nauwelijks waarneembaar maar op de lange duur wordt de fout groter en groter. Hier komt de versnellingssensor van pas, want die "weet" ook waar beneden is. Daarmee kan de berekende oriëntatie van de sensor worden gecorrigeerd en dat gebeurt ook. Het gebeurt alleen heel voorzichtig omdat de versnellingssensor nogal ruist en omdat ze ook andere versnellingen meet dan alleen de zwaartekracht. De software vertrouwt daarom bijvoorbeeld voor 99% op de berekende oriëntatie en voor 1% op de door de versnellingssensor gemeten oriëntatie.
De versnellingsensor kan dan wel gebruikt worden om voor onder en boven te corrigeren maar niet voor de draaiing in het platte vlak. Daarvoor wordt de magnetisch veld sensor gebruikt, en ook die sensor wordt maar matig vertrouwd. Het effect van beide correcties is wel dat de oriëntatie van de IMU, ook al was ze in het begin willekeurig gekozen, op den duur toch juist wordt en juist blijft. Mocht er toch een verstoring optreden en de oriëntatie onnauwkeurig zijn geworden dan wordt dat op den duur ook weer gecorrigeerd.
Maar er is meer. Als je weet hoe groot de correctie van de met de gyo bepaalde oriëntatie is, dan kan je ook uitrekenen hoe groot de drift van deze sensor is. De software kan de meting van de gyro corrigeren voor drift en daarmee de initiële berekening, dus voordat de correcties met behulp van de andere sensoren plaatsvinden, al veel nauwkeuriger maken. En als de eerste berekening al nauwkeurig is dan kan de software ook uitrekenen hoe groot de ruis van de versnellingsmeter is. En als de software dat weet kan ze vervolgens ook bepalen wat de beste verhouding is om de gyro ten opzichte van de versnellingsmeter te vertrouwen. Ze kan dus de verhouding van 99 op 1 die hierboven genoemd is aanpassen om zo de gecorrigeerde waarde nog nauwkeuriger te laten zijn. Op dezelfde manier kan ze ook bepalen hoe groot de verstoring is van het magnetisch veld en hiervoor corrigeren.

Maar hoe bepaal je nu uit zo'n oriëntatie in 3 dimensies de richting van de boot? Ook als ze zwaar helt en flink stampt. Je kunt je dit voorstellen alsof je met een lamp recht van boven op dat denkbeeldige kruis schijnt. De schaduw van dit kruis op een plat vlak laat je zien hoe de richting van de boot is. Dat heet projectie. Op dezelfde manier kan je ook de helling bepalen.

Het is, nu je begrijpt hoe het principe werkt, niet zo heel moeilijk om dit ook zelf te programmeren en heel goede resultaten te behalen. Ook als je goedkope sensoren gebruikt. Vooral als je het jezelf iets makkelijker maakt en met vaste verhoudingen tussen de sensoren werkt. Je moet wel vectoren en matrices begrijpen, vooral de rotation matrix. Je hebt ook niet een hele krachtige processor nodig. Ik schreef dit ooit op een lego NXT (ARM7) en haalde een iteratiesnelheid van 120 hertz. Ook met speelgoed haal je een hoge nauwkeurigheid. Voor degenen die sceptisch zijn heb ik een link naar een oud en slecht zichtbaar filmpje bijgevoegd. Als je de verhoudingen tussen de sensoren dynamisch (en juist) wilt uitrekenen heb je wat meer theoretische bagage nodig, maar dan maak je ook een echt Kalman filter.
Hoe je het ook programmeert, er is een ding waar je nog rekening mee moet houden. Namelijk ophoping van numerieke fouten. Het gevolg is dat de assen van het denkbeeldige kruis op den duur niet meer loodrecht op elkaar staan. Het kruis wordt scheef. Gelukkig kan je daarvoor vrij makkelijk compenseren en het kruis rechtzetten. Daarbij verlies je wel tijdelijk wat nauwkeurigheid in de oriëntatie, maar dit is heel weinig en wordt vanzelf weer gecorrigeerd.

Bedankt voor de uitgebreide uitleg Aswin! Ook voor mij heel informatief!
De link van het filmpje is helaas niet meegekomen?

Ter aanvulling in de opensource wereld zijn er hele slimme jongens die deze software al hebben gemaakt en daar maakt Pypilot gebruik van.

Helder verhaal @Aswin. Het is wel belangrijk om goed te kijken welke IMU je koopt. Er zit nogal verschil tussen de verschillende versies.
Er zijn er waar de quaternion filter (compensatie van het kompas voor roll en pitch) door de IMU wordt gedaan. Die zijn inderdaad makkelijk te gebruiken en kosten wat meer.

Ik heb er zelf een (goedkoop) waar dat niet zo is en waarbij je dat filter zelf moet toepassen. De code daarvoor is eenvoudig te vinden en er zijn zelf complete repositories waar dat allemaal al is gedaan.

Als je dat zelf moet uitrekenen dan gaat mijn Mega2560 dat dat niet redden en komen er allemaal kul metingen voor de kompaskoers uit de IMU. Dat heeft te maken met de hoge sample frequentie waarmee het filter betrouwbaar moet meten.

Ik ga komende winter de ESP32 hiervoor gebruiken. Die is meer dan snel genoeg.

Mocht het dan nog steeds niet lukken , dan is wellicht mij IMU defect.

Mooi uitgelegd, alleen dit:
Volgens mij meet de gyro de versnelling in de draaisnelheid, en moet dat voor de snelheid dus geïntegreerd worden.

Er gaan inderdaad geruchten rond dat er defecte IMU's in de handel zijn.
Een IMU met een eigen leven ben ik ook tegengekomen en komt meer voor onder de zelf bouwers van de Pypilot.
Echter bij mij bleek het allemaal voeding gerelateerd met een paar condensatortjes op de goede plek werken ze nu allemaal strak en stabiel, dat heeft mijn engineer echter wel een dag gekost.

We hebben 3 types toegepast zonder problemen:
nl.aliexpress.com/item/4000012...1.0.0.27424c4ddhvCHQ
SparkFun IMU Breakout - MPU-9250 SEN-13762
En een derde type ziet er exact het zelfde uit als de alie maar had hem ergens in NL gekocht kan de bestelling niet terug vinden. (misschien wel farnell, RS of Reichelt bij die toko's heb ik zoveel orders)

Is inderdaad vaak voedinggerelateerd, dus blijkbaar is de ontkoppeling van het board niet goed. Bij mij kwam de storing van de 12V->12V DC/DC converter echt overal doorheen.

It Paradyske schreef :
Nee, de Gyro geeft de daadwerkelijke draaisnelheid. Feitelijk een rate-gyro. Een absolute gyro geeft de rotatie positie af.

Moraal van het verhaal van Aswin: Geen van alle sensoren is in zichzelf goed genoeg. Samen kun je er door slimme fusion wel een hoogwaardig signaal van maken.

Aangezien beide een heel laagfrequente verandering niet waarnemen, de accellero's trouwens ook niet, heb je het 3D kompas signaal nodig om de hele handel op 0Hz gecalibreerd te houden.

Voordeel hiervan tov alleen een kompas signaal:

- Je weet vooral veel eerder wat je boot aan t doen is. Hoe nauwkeuriger en sneller je dat weet, hoe strakker je de regeling aan kunt trekken en een bruikbare autopilot tunen.
- Je hebt onmiddelijke informatie over de sea state en zou op basis daarvan de regelparameters weer aan kunnen passen.

Toch mooi dat er nu even een objectief draadje over geschreven is.
Vergeet niet dat de Zprutser commercïeel bezig is, dan krijg je al gauw een roze bril.
Overigens zijn de sensoren niet "defect", ze zijn gewoon verkeerd geïmplementeerd. Kwestie van de datasheet beter lezen.

roozeboos schreef :
Zoals je uit je eigen praktijk waarschijnlijk wel weet, vergaat je dat snel als de eerste garantie claims binnenkomen waardor je winst verdampt!


roozeboos schreef :
Mogelijk.

Maar sommigen zijn ook gewoon stuk. Deze dingen kunnen mechanisch gewoon niet overal tegen. Vooral korte scherpte tikken (IC laten vallen, ook maar een paar cm) kan genoeg zijn.

Zijn dit soort sensors ook stand alone met NMEA out te krijgen voor een kleine prijs? Lijk me een aardig alternatief voor een fluxgate kompas aan de stuurautomaat...

Tot enkele jaren terug moest je inderdaad je IMU zelf samenstellen uit 3 losse sensoren. Later werden de gyro en accelerometer vaak al samengevoegd. Maar nog steeds had je een aparte chip nodig om de sensor fusion software te laten draaien. Tegenwoordig heb je inderdaad ook al SOCs waarop alles, inclusief software, is samengevoegd. De Bosch BNO055 is daar een goed voorbeeld van.

Over kapotte IMU's. Mijn ervaring is dat je soms ook met solderen een sensor "krom" trekt waardoor ze best grote afwijkingen kan krijgen.

Tot slot het beloofde filmpje.

Krom bij solderen? Dat valt bij mij onder verkeerd implementeren...
Als je juist soldeert trekken ze echt niet krom, hoor.

Ja, ze zijn wat gevoeliger dan een weerstand uit 1960, maar dat is met veel semiconductoren.
Bovendien staat dat ook in de datasheet: "niet mee gooien of laten vallen"of iets van die strekking.

Het chipje kan er niks aan doen, hè. Het is niet zijn schuld.

Ik gebruik overigens ook de bosch chipjes, maar dan dus in niet maritieme projectjes. Misschien wel leuk om dat toch even weer op te pakken. (embedded, zonder rpi)

Gebruiken zulke IMU’s ook de dynamica van het schip voor de propagatiestap in het Kalman-filter? Of alleen de drifteigenschappen van de sensoren zelf?

Zeker dingen als natuurlijke slingerfrequentie, stampfrequentie en dompfrequentie zouden moeten kunnen (en liefst met een zelflerend systeem - je wil niet dat gebruikers de dynamische eigenschappen van hun schip moeten 1. bepalen en 2. inprogrammeren).

drwingnut schreef :
Ik neem aan, alleen van de sensor zelf. Misschien is er nog wel wat programmeerbaar.

drwingnut schreef :
En die zijn allemaal afhankelijk van de omstandigheden: Wind, zee, zeilvoering, koers, etc. Dus om die goed te laten werken, zul je altijd een zelflerend systeem moeten hebben.

Al was het maar dat bijvoorbeeld na een overstag het stuur- en rol gedrag gespiegeld moet worden!

Joop66 schreef :
Ah ja, zeilvoering, daar had ik even overheengedacht (belading had ik wel aan gedacht, maar die verandert op de meeste jachten niet zo snel, dus daar valt goed tegenop te leren). Wind, zee & koers zijn allemaal te beschouwen als externe verstoringen, die neem je niet standaard mee in je propagatie. Tenzij je daar weer enigszins interessante sensoren voor hebt… (AWA & AWS zijn triviaal voorhanden).

It Paradyske schreef :
Het is aan de ene kant een werkbank probleem omdat op je boot een hele, hele, hele, grote condensator zit (de accu) Maar het is iets dat je natuurlijk in alle omstandigheden niet wenst en dus toch opgelost/uitgesloten wilt hebben.
Wij hebben zowel extra condensatortjes geplaatst als de data verbinding met de bedienunit/Tinypilot met kompas galvanisch gescheiden/ontkoppeld van de Motorcontroller.

ErikSnel schreef :
zeilersforum.nl/index.php/foru...er?start=425#1230113
Zeilprutser schreef :
Je kan het natuurlijk ook zelf maken: pypilot.org/

@Roozeboos. Ik geef niemand anders dan mezelf de schuld van mijn beperkte soldeervaardigheden.

@drwingnut. IMUs gebruiken niet de eigenschappen van een boot in het bepalen van de oriëntatie. Voor een IMU, die intern met een update frequentie van bv 200HZ werkt is een boot niet anders dan een statisch blok beton. Het heeft geen zin om op deze microscopische tijdschaal naar booteigenschappen te kijken. Dat wordt pas zinvol als je de oriëntatie gaat gebruiken om bv een boot op koers te houden. Je wilt dit daarom pas in je regelsystemen (en niet in je meetsystemen) meenemen.

drwingnut schreef :
Denk er aan dat de rol-eigenfrequentie flink verandert met de druk in de zeilen. Dat ook onder helling (dat heeft hij wel) de karakteristiek van het roer naar loef en lij niet hetzelfde is. De gevraagde reaktie bij een vlaag is ook assymmetrisch.

Zelf denk ik dat daarvoor NMEA data met een update frequentie van 1 Hz volstrekt te langzaam is. Als ik zelf een beetje in het rond voel bij mij aan boord zijn veel verstoringen in de orde van 5Hz. Dan zul je toch minstens met 25 Hz en liefst 50 Hz je data nodig hebben.

Zelf ben ik niet (postief) onder de indruk van de snelheid van mijn windmeter.

ErikSnel schreef :
Volgens mij is dat het precision-9 compas van Simrad dacht ik.

Gepost met de officiële Zeilersforum-app

Die heeft volgens mij geen kleine prijs.