Inertial measurement unit
જડતા માપન એકમ (આઇએમયુ) એ એક ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણ છે જે પ્રવેગકમાપક, જાઇરોસ્કોપ અને કેટલીકવાર મેગ્નેટોમીટરના સંયોજનનો ઉપયોગ કરીને શરીરના ચોક્કસ બળ, કોણીય દર અને કેટલીકવાર શરીરની દિશાને માપે છે અને અહેવાલ આપે છે. જ્યારે મેગ્નેટોમીટરનો સમાવેશ કરવામાં આવે છે, ત્યારે આઇએમયુને આઇએમએમયુ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આઇએમયુનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે મોટરસાયકલો, મિસાઇલો, વિમાનો (વલણ અને મથાળું સંદર્ભ પ્રણાલી) સહિત આધુનિક વાહનોને ચલાવવા માટે થાય છે, જેમાં માનવરહિત હવાઈ વાહનો (યુએવી) અને ઉપગ્રહો અને લેન્ડર્સ સહિત અવકાશયાનનો સમાવેશ થાય છે. તાજેતરના વિકાસ આઇએમયુ-સક્ષમ જીપીએસ ઉપકરણોના ઉત્પાદન માટે પરવાનગી આપે છે. જ્યારે GPS-સંકેતો ઉપલબ્ધ ન હોય ત્યારે IMU GPS રીસીવરને કામ કરવાની મંજૂરી આપે છે, જેમ કે ટનલમાં, ઇમારતોની અંદર અથવા જ્યારે ઇલેક્ટ્રોનિક હસ્તક્ષેપ હાજર હોય. ઓપરેશનલ સિદ્ધાંતો એક જડતા માપન એકમ એક અથવા વધુ એક્સિલરોમીટરનો ઉપયોગ કરીને અને એક અથવા વધુ જાઇરોસ્કોપનો ઉપયોગ કરીને પરિભ્રમણ દરનો ઉપયોગ કરીને રેખીય પ્રવેગને શોધીને કામ કરે છે. કેટલાકમાં મેગ્નેટોમીટરનો પણ સમાવેશ થાય છે જેનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે શીર્ષક સંદર્ભ તરીકે થાય છે. લાક્ષણિક રૂપરેખાંકનોમાં ત્રણ મુખ્ય અક્ષોમાંથી દરેક માટે એક એક્સેલરોમીટર, ગાયરો અને અક્ષ દીઠ મેગ્નેટોમીટર હોય છેઃ પિચ, રોલ અને યાવ. આઈ. એમ. યુ. નો ઉપયોગ ઘણીવાર ઇનર્ટિઅલ નેવિગેશન સિસ્ટમમાં કરવામાં આવે છે જે વૈશ્વિક સંદર્ભ ફ્રેમ સાથે સંબંધિત વલણ, કોણીય દર, રેખીય વેગ અને સ્થિતિની ગણતરી કરવા માટે કાચા આઈ. એમ. યુ. માપનો ઉપયોગ કરે છે. આઈ. એમ. યુ. સજ્જ આઈ. એન. એસ. ચાલક દળના વિમાનો, મિસાઇલો, જહાજો, સબમરીન અને ઉપગ્રહો જેવા ઘણા વ્યાપારી અને લશ્કરી વાહનોના નેવિગેશન અને નિયંત્રણ માટે કરોડરજ્જુ બનાવે છે. યુએવી, યુજીવી અને યુયુવી જેવી માનવરહિત પ્રણાલીઓના માર્ગદર્શન અને નિયંત્રણમાં આઇએમયુ પણ આવશ્યક ઘટકો છે. વલણ અને મથાળા સંદર્ભ પ્રણાલી તરીકે ઓળખાતી આઈ. એન. એસ. ની સરળ આવૃત્તિઓ ચુંબકીય ઉત્તરની સાપેક્ષ મથાળા સાથે વાહનના વલણની ગણતરી કરવા માટે આઈ. એમ. યુ. નો ઉપયોગ કરે છે. આઇએમયુના સેન્સરમાંથી એકત્રિત કરવામાં આવેલી માહિતી કમ્પ્યુટરને ડેડ રેકનીંગ તરીકે ઓળખાતી પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને ક્રાફ્ટની સ્થિતિને ટ્રેક કરવાની મંજૂરી આપે છે. જમીન પરના વાહનોમાં, આઇએમયુને જીપીએસ આધારિત ઓટોમોટિવ નેવિગેશન સિસ્ટમ્સ અથવા વાહન ટ્રેકિંગ સિસ્ટમ્સમાં એકીકૃત કરી શકાય છે, જે સિસ્ટમને મૃત ગણતરી ક્ષમતા અને વાહનની વર્તમાન ગતિ, વળાંક દર, મથાળું, ઝોક અને પ્રવેગ વિશે શક્ય તેટલી સચોટ માહિતી એકત્રિત કરવાની ક્ષમતા આપે છે, વાહનના વ્હીલ સ્પીડ સેન્સર આઉટપુટ સાથે સંયોજનમાં અને, જો ઉપલબ્ધ હોય તો, વધુ સારા ટ્રાફિક અથડામણ વિશ્લેષણ જેવા હેતુઓ માટે રિવર્સ ગિયર સિગ્નલ. નેવિગેશનલ હેતુઓ ઉપરાંત, આઇએમયુ ઘણા ગ્રાહક ઉત્પાદનોમાં ઓરિએન્ટેશન સેન્સર તરીકે કામ કરે છે. લગભગ તમામ સ્માર્ટફોન અને ટેબ્લેટમાં ઓરિએન્ટેશન સેન્સર તરીકે આઇએમયુ હોય છે. ફિટનેસ ટ્રેકર્સ અને અન્ય વેરેબલમાં ગતિ માપવા માટે આઇએમયુનો પણ સમાવેશ થઈ શકે છે, જેમ કે દોડવું. આઇએમયુમાં દોડ સાથે સંકળાયેલા ચોક્કસ પરિમાણોની વિશિષ્ટતા અને સંવેદનશીલતાને ઓળખીને ગતિમાં હોય ત્યારે વ્યક્તિઓના વિકાસલક્ષી સ્તરો નક્કી કરવાની ક્ષમતા પણ હોય છે. નિન્ટેન્ડો વાઈ માટે રિમોટ કંટ્રોલ જેવી કેટલીક રમત પ્રણાલીઓ ગતિ માપવા માટે આઇએમયુનો ઉપયોગ કરે છે. ઓછી કિંમતના આઇએમયુએ ગ્રાહક ડ્રોન ઉદ્યોગના પ્રસારને સક્ષમ બનાવ્યો છે. તેઓનો ઉપયોગ રમતગમત ટેકનોલોજી (તકનીકી તાલીમ) અને એનિમેશન કાર્યક્રમો માટે પણ વારંવાર થાય છે. તેઓ મોશન કેપ્ચર ટેકનોલોજીમાં ઉપયોગ માટે સ્પર્ધાત્મક ટેકનોલોજી છે. સેગવે પર્સનલ ટ્રાન્સપોર્ટરમાં ઉપયોગમાં લેવાતી સંતુલન તકનીકના કેન્દ્રમાં આઇએમયુ છે. નેવિગેશનમાં નેવિગેશન સિસ્ટમમાં, આઇએમયુ દ્વારા જાણ કરાયેલ ડેટા પ્રોસેસરમાં આપવામાં આવે છે જે ઊંચાઈ, વેગ અને સ્થિતિની ગણતરી કરે છે. સ્ટ્રેપ ડાઉન ઇનર્ટિઅલ સિસ્ટમ તરીકે ઓળખાતી લાક્ષણિક અમલીકરણ કોણીય સ્થિતિની ગણતરી કરવા માટે જાઇરોસ્કોપમાંથી કોણીય દરને એકીકૃત કરે છે. વલણનો અંદાજ કાઢવા માટે આને કાલમન ફિલ્ટરમાં પ્રવેગકમાપક દ્વારા માપવામાં આવતા ગુરુત્વાકર્ષણ વેક્ટર સાથે જોડવામાં આવે છે. વલણ અંદાજનો ઉપયોગ પ્રવેગ માપનને જડતા સંદર્ભ માળખામાં રૂપાંતરિત કરવા માટે થાય છે (તેથી જડતા નેવિગેશન શબ્દ) જ્યાં તેઓ એક વખત રેખીય વેગ મેળવવા માટે સંકલિત થાય છે, અને બે વાર રેખીય સ્થિતિ મેળવવા માટે. ઉદાહરણ તરીકે, જો કોઈ ચોક્કસ દિશા વેક્ટર સાથે ચાલતા વિમાનમાં સ્થાપિત IMU એ વિમાનના પ્રવેગને 1 સેકન્ડ માટે 5 m/s2 તરીકે માપવું હોય, તો તે 1 સેકન્ડ પછી માર્ગદર્શન કમ્પ્યુટર તારણ કાઢશે કે વિમાન 5 m/s પર મુસાફરી કરી રહ્યું હોવું જોઈએ અને તેની પ્રારંભિક સ્થિતિથી 2.5 m હોવું જોઈએ (v0 = 0 ધારીને અને પ્રારંભિક સ્થિતિ કોઓર્ડિનેટ્સ x0, y0, z0 તરીકે ઓળખાય છે). જો યાંત્રિક કાગળનો નકશો અથવા ડિજિટલ નકશાના સંગ્રહ સાથે જોડવામાં આવે (જે પ્રણાલીઓના આઉટપુટને સામાન્ય રીતે મૂવિંગ મેપ ડિસ્પ્લે તરીકે ઓળખવામાં આવે છે કારણ કે માર્ગદર્શન પ્રણાલીની સ્થિતિના આઉટપુટને ઘણીવાર સંદર્ભ બિંદુ તરીકે લેવામાં આવે છે, જે મૂવિંગ મેપમાં પરિણમે છે), માર્ગદર્શન પ્રણાલી આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ પાયલોટને બતાવવા માટે કરી શકે છે જ્યાં વિમાન ચોક્કસ ક્ષણે ભૌગોલિક રીતે સ્થિત છે, જેમ કે જીપીએસ નેવિગેશન સિસ્ટમ સાથે, પરંતુ ઉપગ્રહો અથવા લેન્ડ રેડિયો ટ્રાન્સપોન્ડર્સ જેવા કોઈપણ બહારના ઘટકો સાથે વાતચીત કરવાની અથવા સંદેશાવ્યવહાર પ્રાપ્ત કરવાની જરૂર વગર, જોકે બાહ્ય સ્રોતોનો ઉપયોગ હજુ પણ ડ્રિફ્ટ ભૂલોને સુધારવા માટે થાય છે, અને કારણ કે જડત્વીય નેવિગેશન સિસ્ટમ્સ દ્વારા માન્ય સ્થિતિ અપડેટ આવર્તન નકશા પ્રદર્શન પર વાહનની ગતિ કરતા વધારે હોઈ શકે છે. નેવિગેશનની આ પદ્ધતિને મૃત ગણતરી કહેવામાં આવે છે. પ્રારંભિક એકમોમાંથી એકની રચના અને નિર્માણ યુએસએએફ માટે ફોર્ડ ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ કંપની દ્વારા કરવામાં આવ્યું હતું જેથી વિમાનને વિમાનની બહારથી કોઈપણ ઇનપુટ વિના ઉડાનમાં નેવિગેટ કરવામાં મદદ મળે. ગ્રાઉન્ડ-પોઝિશન ઇન્ડિકેટર તરીકે ઓળખાતું, એકવાર પાયલોટ ટેકઓફ સમયે વિમાન રેખાંશ અને અક્ષાંશમાં પ્રવેશ્યા પછી, એકમ પાયલોટને જમીનના સંબંધમાં વિમાનનું રેખાંશ અને અક્ષાંશ બતાવશે. જી. પી. એસ. જેવી પોઝિશનલ ટ્રેકિંગ સિસ્ટમનો ઉપયોગ સતત ડ્રિફ્ટ ભૂલોને સુધારવા માટે થઈ શકે છે (કાલમન ફિલ્ટરનો ઉપયોગ). નેવિગેશન માટે આઇએમયુનો ઉપયોગ કરવાનો મોટો ગેરલાભ એ છે કે તેઓ સામાન્ય રીતે સંચિત ભૂલથી પીડાય છે. કારણ કે માર્ગદર્શન પ્રણાલી વેગ અને સ્થિતિની ગણતરી કરવા માટે સમયના સંદર્ભમાં પ્રવેગને સતત એકીકૃત કરી રહી છે (મૃત ગણતરી જુઓ), કોઈપણ માપન ભૂલો, ભલે ગમે તેટલી નાની હોય, તે સમય જતાં સંચિત થાય છે. આ 'ડ્રિફ્ટ' તરફ દોરી જાય છેઃ જ્યાં સિસ્ટમ વિચારે છે કે તે સ્થિત છે અને વાસ્તવિક સ્થાન વચ્ચે સતત વધતો તફાવત. એકીકરણને કારણે પ્રવેગકમાં સતત ભૂલના પરિણામે વેગમાં રેખીય ભૂલ વૃદ્ધિ થાય છે અને સ્થિતિમાં દ્વિઘાત ભૂલ વૃદ્ધિ થાય છે. વલણ દર (જાઇરો) માં સતત ભૂલના પરિણામે વેગમાં દ્વિઘાત ભૂલ વૃદ્ધિ થાય છે અને સ્થિતિમાં ઘન ભૂલ વૃદ્ધિ થાય છે. કામગીરી એપ્લિકેશનના પ્રકારોના આધારે આઇએમયુની ખૂબ જ વિશાળ વિવિધતા અસ્તિત્વમાં છે, જેમાં ઝીરોસ્કોપ માટે 0.1 °/s થી 0.001 °/h સુધી એક્સેલરોમીટર માટે 100 મિલીગ્રામથી 10 માઇક્રોગ્રામ સુધીની કામગીરી હોય છે. એક રફ વિચાર મેળવવા માટે, આનો અર્થ એ છે કે, એક જ, અચોક્કસ પ્રવેગક માટે, સૌથી સસ્તું (100 મિલિગ્રામ પર) લગભગ 10 સેકન્ડ પછી 50 મીટરની ચોકસાઈ આપવાની ક્ષમતા ગુમાવે છે, જ્યારે શ્રેષ્ઠ પ્રવેગક (10 માઇક્રોગ્રામ પર) લગભગ 17 મિનિટ પછી તેની 50 મીટરની ચોકસાઈ ગુમાવે છે. આધુનિક જડતા માપન એકમ (આઇએમયુ) ની અંદર જડતા સેન્સરની ચોકસાઈ જડતા નેવિગેશન સિસ્ટમ (આઈએનએસ) ની કામગીરી પર વધુ જટિલ અસર કરે છે. ગાયરોસ્કોપ અને એક્સેલરોમીટર સેન્સર વર્તનને ઘણીવાર નીચેની ભૂલોના આધારે એક મોડેલ દ્વારા રજૂ કરવામાં આવે છે, એમ ધારીને કે તેમની પાસે યોગ્ય માપન શ્રેણી અને બેન્ડવિડ્થ છેઃ ઓફસેટ ભૂલઃ આ ભૂલને સ્થિરતા પ્રદર્શન (પ્રવાહ જ્યારે સેન્સર અપરિવર્તનશીલ પરિસ્થિતિઓમાં રહે છે) અને પુનરાવર્તનીયતા (વચ્ચેની વિવિધ પરિસ્થિતિઓ દ્વારા અલગ કરવામાં આવેલી સમાન પરિસ્થિતિઓમાં બે માપન વચ્ચેની ભૂલ) વચ્ચે વિભાજિત કરી શકાય છે સ્કેલ પરિબળ ભૂલઃ પુનરાવર્તનીયતા અને બિનરેખીયતાને કારણે પ્રથમ ક્રમની સંવેદનશીલતા પરની ભૂલો ખોટી ગોઠવણી ભૂલઃ અપૂર્ણ યાંત્રિક માઉન્ટિંગ ક્રોસ એક્સિસ સંવેદનશીલતાને કારણેઃ અક્ષની સાથે ઓર્થોગોનલ સેન્સર અક્ષની સંવેદનશીલતા માટે વિનંતી દ્વારા પ્રેરિત પરોપજીવી માપઃ ઇચ્છિત ગતિશીલ પ્રદર્શન પર્યાવરણ સંવેદનશીલતા પર આધારિતઃ મુખ્યત્વે થર્મલ ગ્રેડિયન્ટ્સ અને પ્રવેગક પ્રત્યે સંવેદનશીલતા આ બધી ભૂલો દરેક સેન્સર માટે વિશિષ્ટ વિવિધ ભૌતિક ઘટનાઓ પર આધારિત છે. લક્ષિત કાર્યક્રમો પર આધાર રાખીને અને યોગ્ય સેન્સર પસંદગી કરવા માટે સક્ષમ થવા માટે, ટૂંકા અને લાંબા ગાળા માટે સ્થિરતા, પુનરાવર્તનીયતા અને પર્યાવરણ સંવેદનશીલતા (મુખ્યત્વે થર્મલ અને યાંત્રિક વાતાવરણ) સંબંધિત જરૂરિયાતોને ધ્યાનમાં લેવી ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે. એપ્લિકેશનો માટે લક્ષિત પ્રદર્શન મોટાભાગે સેન્સરના સંપૂર્ણ પ્રદર્શન કરતાં વધુ સારું હોય છે. જો કે, સેન્સરનું પ્રદર્શન સમય જતાં વધુ કે ઓછી ચોકસાઈ સાથે પુનરાવર્તિત થઈ શકે છે, અને તેથી તેનું પ્રદર્શન વધારવા માટે તેનું મૂલ્યાંકન અને વળતર કરી શકાય છે. આ રીઅલ-ટાઇમ પ્રદર્શન વૃદ્ધિ સેન્સર અને આઇએમયુ મોડેલો બંને પર આધારિત છે. આ મોડેલો માટેની જટિલતા પછી જરૂરી કામગીરી અને ધ્યાનમાં લેવામાં આવતી એપ્લિકેશનના પ્રકાર અનુસાર પસંદ કરવામાં આવશે. આ મોડેલને વ્યાખ્યાયિત કરવાની ક્ષમતા સેન્સર અને આઇએમયુ ઉત્પાદકોની જાણકારીનો એક ભાગ છે. મલ્ટિ-એક્સિસ ટર્નટેબલ્સ અને ક્લાઇમેટ ચેમ્બરનો ઉપયોગ કરીને સમર્પિત કેલિબ્રેશન ક્રમ દ્વારા ફેક્ટરીઓમાં સેન્સર અને આઇએમયુ મોડેલની ગણતરી કરવામાં આવે છે. તેમની ગણતરી કાં તો દરેક વ્યક્તિગત ઉત્પાદન માટે અથવા સમગ્ર ઉત્પાદન માટે સામાન્ય રીતે કરી શકાય છે. માપાંકન સામાન્ય રીતે સેન્સરના કાચા પ્રદર્શનમાં ઓછામાં ઓછા બે દાયકા સુધી સુધારો કરશે. એસેમ્બલી હાઇ પર્ફોર્મન્સ આઇએમયુ, અથવા કઠોર પરિસ્થિતિઓમાં કામ કરવા માટે રચાયેલ આઇએમયુ, ઘણી વાર આઘાત શોષકો દ્વારા સસ્પેન્ડ કરવામાં આવે છે. આ આંચકા શોષકો ત્રણ અસરોમાં નિપુણતા મેળવવા માટે જરૂરી છેઃ યાંત્રિક વાતાવરણની વિનંતીઓને કારણે સંવેદક ભૂલો ઘટાડવી સંવેદકોનું રક્ષણ કરે છે કારણ કે તેઓ આંચકા અથવા સ્પંદનો દ્વારા નુકસાન પહોંચાડી શકે છે જેમાં મર્યાદિત બેન્ડવિડ્થની અંદર પરોપજીવી આઇએમયુ હિલચાલ હોય છે, જ્યાં પ્રક્રિયા તેમના માટે વળતર આપી શકશે. સસ્પેન્ડેડ આઇએમયુ ખૂબ જ ઉચ્ચ પ્રદર્શન પ્રદાન કરી શકે છે, ત્યારે પણ જ્યારે કઠોર વાતાવરણમાં રજૂ કરવામાં આવે છે. જો કે, આવી કામગીરી સુધી પહોંચવા માટે, ત્રણ મુખ્ય પરિણામી વર્તણૂકોની ભરપાઈ કરવી જરૂરી છેઃ કોનિંગઃ બે ઓર્થોગોનલ પરિભ્રમણ સ્કલિંગ દ્વારા પ્રેરિત પરોપજીવી અસરઃ પ્રવેગક ઓર્થોગોનલ દ્વારા પરિભ્રમણ કેન્દ્રત્યાગી પ્રવેગક અસરો માટે પ્રેરિત પરોપજીવી અસર. આ ભૂલો ઘટાડવાથી આઇએમયુ ડિઝાઇનરોને પ્રક્રિયા આવર્તન વધારવા માટે દબાણ કરવામાં આવે છે, જે તાજેતરની ડિજિટલ તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને સરળ બને છે. જો કે, આ ભૂલોને રદ કરવામાં સક્ષમ અલ્ગોરિધમ્સ વિકસાવવા માટે ઊંડા જડતા જ્ઞાન અને સેન્સર/આઇએમયુ ડિઝાઇન સાથે મજબૂત આત્મીયતાની જરૂર છે. બીજી બાજુ, જો સસ્પેન્શન આઇએમયુ કામગીરીમાં વધારો કરવા સક્ષમ કરે તેવી શક્યતા છે, તો તે કદ અને સમૂહ પર આડઅસર કરે છે. વાયરલેસ આઇએમયુને ડબ્લ્યુઆઇએમયુ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આ પણ જુઓ સંદર્ભો એરક્રાફ્ટ ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ્સ ઇનર્ટિઅલ નેવિગેશન નેવિગેશન સાધનો