Наведение и БИНС (гироскоп(ДУС), акселерометр, компас)

[Aleksey_M]

Интересная тема! 
Имеются подобные мысли для сомодельной мелкой монти для камеры.
Если кто будет проектировать под печатные платы, то находил микросхемку для подобных целей LSM303D (all inclusive  ).
Стоит, кстати, не дорого.

[Хрущев]

А чем Ваша задумка лучше координатных кругов нарисованных/наклеенных на монтировке?

[Boris Green]

LSM303D

"D" нормально, а без буквы - настоящий ужас для ЛУТа и доморощенного электронщика: акселерометр и компас на разных шинах, 3.3В и 1.8В, шаг 0.3мм чтоли, преобразователи уровней нужно городить..   
Для астрономии акселерометр + компас как раз нормально. ДУС не нужен. Другое дело, что экосистемы для LSM нет, нужно с нуля писать софт для калибровки и нормирования. И проверить правильность коррекции компаса при наклоне (mag tilt compensation).

А чем Ваша задумка лучше координатных кругов нарисованных/наклеенных на монтировке?

+ круги не требуют батареек 
- круги нужно сделать из прочного непромокаемого материала и прикрепить на Доб. Сделать крепление и подвижки стрелок для юстировки.
- каждый раз нужно выставлять круги, когда переставляешь Доб
+ у меня нет кругов, зато есть электроника и желание.

[Хрущев]

+ круги не требуют батареек  
- круги нужно сделать из прочного непромокаемого материала и прикрепить на Доб. Сделать крепление и подвижки стрелок для юстировки.
- каждый раз нужно выставлять круги, когда переставляешь Доб
+ у меня нет кругов, зато есть электроника и желание.

Последний пункт видимо имеет решающее значение. Всегда завидовал людям знающим радиотехнику и умеющим паять... Я лично обклеил координатный круг по азимуту скотчем и уже пол года он как новый. Для определения высоты использую электронный угломер "зубр" с точностью до 0,1грд, стоит копейки. Однако в последнее время всем этим не пользуюсь, с картами все же надежней и часто быстрее. Буду следить за темой, успехов!

[Alex_6619]

Искать и крепить энкодеры пока не планирую. Возможно, придется помучиться с прерываниями на АТмега. Зато вчера подключил БИНС. Удалось вывести на экран цифры. Как оказалось, по El шум составляет +_0.2 градуса. По Az шум до 2-3 градусов в долговременном периоде (сказывается наличие рядом ноутбука и инструментов). И даже это радует, поставлю поисковый окуляр и в окрестностях найду искомый объект.

0,2º ещё куда ни шло,а 2-3º для азимутальной монтировки это очень много,в таких окрестностях замучаешься искать .Я все-таки надеялся,что эти датчики будут хорошей альтернативой энкодерам.

[Boris Green]

0,2º ещё куда ни шло,а 2-3º для азимутальной монтировки это очень много,в таких окрестностях замучаешься искать

На безрыбье... Освежил в памяти даташит на HMC5883L, производитель обещает точность 2º. По азимуту больше нечем измерить (бесконтактно), кроме компаса. Экзотику в виде космо-авиа-гироскопов не рассматриваю. Пока сделаю на основе БИНС, потом, может, энкодер найду и прикручу на ось. В любом случае, нужно сделать еще корректировки-"крутилки".

[Aleksey_M]

"D" нормально, а без буквы - настоящий ужас для ЛУТа и доморощенного электронщика: акселерометр и компас на разных шинах, 3.3В и 1.8В, шаг 0.3мм чтоли, преобразователи уровней нужно городить..   

Сейчас тока с индексом D и производят.
Согласен, QFN для ЛУТ геморрой еще тот

Для астрономии акселерометр + компас как раз нормально. ДУС не нужен.

В этой микросхеме так и есть - акселерометр и магнетометр.
Интересная ссылка.

Другое дело, что экосистемы для LSM нет, нужно с нуля писать софт для калибровки и нормирования. И проверить правильность коррекции компаса при наклоне (mag tilt compensation).

Что-то есть по мелочи, но полной и готовой нету.
Тут уместна ваша цитата:

+ у меня нет кругов, зато есть электроника и желание.

 

[Boris Green]

Протестировал 2 БИНС:
1. MPU6050 + HMC5883L
2. ITG3200 + BMA180 + HMC5883L

В обоих случаях наблюдается дрифт при использовании библиотеки FreeIMU. Первую минуту после включения позиция "устаканивается" и врет на 146%.
Наткнулся на логическое продолжение кода FreeIMU http://www.youtube.com/watch?v=lwlOZzNJqJc#ws
Попробую его. Автор в описании к видео рассказывает о преимуществах и доработках в своем коде.
https://github.com/mjs513/FreeIMU-Updates
Было:
1. Large and constant drift on all axes after rapid random motion of the imu. (Test 1)
2. Developing a reliable method for zero motion, and (Test 2)
3. Reduce yaw drifting when IMU is at rest (resting on table), was experiencing over a degree a minute even after unit heated up. (Test 3) - 0.0475 degrees per minute average after 1 hour.

Стало:
1. температурная компенсация кривых ДУС и акселерометра
2. ФНЧ
3. доработка оптимизированных для Меги функций
4. ZARU\ZUPT алгоритмы
и т.д.

[Михаил ФМ]

Гироскоп отключать не стоит,лучше "побороть" шум"

Шум от MEMS ДУС можно побороть в рамках астро-хобби, если только заменить его на лазерный гироскоп или нечто подобное. Измерения в любом MEMS ДУС дискретны, мгновенная угловая скорость интегрируется, вычисляется угол смещения => ошибка растет всегда. Я пробовал itg3200, MPU6050 - они всегда медленно плывут. И в этом нет ничего страшного, потому что они отлично ловят быстрые наклоны. А для медленных наклонов используются акселерометр (когда ускорения малы).

В принципе можно синтезировать фильтр Калмана для оценки ошибок измерения эйлеровских углов. Монтировка стоит на месте, поэтому в таких тепличных для БИНС условиях шумы должны фильтроваться эффективно. В вектор состояния, как всегда для коррекции ИНС, включаются дрейфы гироскопов (для БИНС - интегралы измерений ДУС или акселерометров) и ошибки по фазовым координатам. В силу неподвижности невязка будет содержать чистые ошибки оценивания ошибок (именно так) БИНС, которые мы и спишем. Извиняюсь, если непонятно высказался, основная идея - для коррекции используется априорная информация о полной неподвижности носителя БИНС.
При вращении монтировки можно использовать сигналы как ДУСов, так и акселерометров. ДУСы предпочтительнее, т.к. время оценивания ошибок ФК будет на порядок меньше. К сожалению, ничего не знаю о статистике шумов МЭМС измерителей, поэтому предсказать точность работы ФК невозможно. Если шум широкополосный и гауссовский - нам крупно повезет, остальное, как говорится, дело техники.

[Alex_6619]

При вращении монтировки можно использовать сигналы как ДУСов, так и акселерометров. ДУСы предпочтительнее, т.к. время оценивания ошибок ФК будет на порядок меньше. К сожалению, ничего не знаю о статистике шумов МЭМС измерителей, поэтому предсказать точность работы ФК невозможно. Если шум широкополосный и гауссовский - нам крупно повезет, остальное, как говорится, дело техники.

И можно и нужно.Как написано в статье http://habrahabr.ru/post/137595/:"У каждого датчика свои возможности и слабые стороны. По отдельности ни один из них не может решить ни одну из перечисленных выше задач, поэтому системы ИНС всегда строятся из комбинации датчиков, и самое интересное тут — это вычислительные алгоритмы, позволяющие соединить сильные стороны каждого из датчиков для устранения их недостатков."

[Михаил ФМ]

Invensense Motion Processing Library

У меня нет планшета с БИНС, но есть платы с неплохими датчиками. Еще я не знаю, можно ли через API тонко управлять параметрами датчиков, как-то поверхностно посмотрел PhoneGap. И я не знаю, в недорогих гаджетах приличные датчики, 16-битные, малошумные?

Посмотрел AndroidAPI по датчикам и написал небольшую программу, выводящую список всех датчиков с характеристиками для любого андроид-устройства. На планшете Asus memopad fhd10 получил достаточно длинный протокол, вот только небольшой фрагмент:

Name - MPL Raw Gyroscope
Vendor - Invensense
Max - 34.90656
Resolution - 0.0010652636

Name - MPL Accelerometer
Vendor - Invensense
Max - 19.6133
Resolution - 0.039226603
   ...

Видно, что используются 16р. АЦП. Вендор позволяет идентифицировать чип без "препарирования" планшета - MPU6050.
Далее глянул в даташит на 6000/6050. Есть все небходимое для реализации БИНС. Важно, что приведены характеристики шумов на НЧ и ВЧ, и значение спектральной плотности на частоте 10 Гц. Это позволяет реализовать фильтр оценивания не только калмановский, но и значительно более простой альфа-бета, так как можно заранее рассчитать коэффициенты усиления по всем каналам. Для БИНС на базе Arduino вычисления лучше, вероятно, производить с простыми фильтрами.

[Anton]

Парни, а кто нибудь из вас знает, как измерить высоту 9 этажа при помощи теплого лампового осциллографа и секундомера?

[Boris Green]

Парни, а кто нибудь из вас знает, как измерить высоту 9 этажа при помощи теплого лампового осциллографа и секундомера?

Отпустить осциллограф вниз и по секундомеру засечь время падения? Или как-то повозиться с триггеррами.
По теме: freeIMU-updates снова обновился, следующие непонятки. Точность все больше расстраивает.

[Anton]

Парни, а кто нибудь из вас знает, как измерить высоту 9 этажа при помощи теплого лампового осциллографа и секундомера?
 

Отпустить осциллограф вниз и по секундомеру засечь время падения?

Именно. Собственно это был очень тонкий, практически прозрачный, намек на неадекватность выбранных средств для решения поставленной задачи.
Пара грошовых энкодеров  на 2000-4000 сpr дадут разрешение от 10 угловых минут.

[Михаил ФМ]

Точность все больше расстраивает.

Набрал небольшую статистику по точности с калмановской постобработкой сигналов датчиков. Обработку данных проводил на планшете с MPU6050. Планшет вертелся на ХЕКе. Значения G и магнитного склонения рассчитаны для широты и долготы места наблюдения. Девиация не учитывалась. Вот что получилось (2*sigma, точечные оценки):
    крен, тангаж - 3'
    курс - 30'
    собственный дрейф гироскопов - 150 град/ч.
Для углов наклона использовались виртуальные сенсоры Android API TYPE_GRAVITY, реализующие классический дискретный ФК. Ссылка на открытый код, надеюсь пригодится:
https://android.googlesource.com/platform/frameworks/base/+/jb-release/services/sensorservice/

ФК реализован в модуле Fusion.cpp, уравнения блоков оценивания, коэффициентов усиления и расчета ковариационной матрицы ошибок приведены в комментариях.
mat.h, vec.h - шаблоны матриц и векторов, quat.h - параметры Родрига-Гамильтона, SensorFusion.cpp - комплексирование датчиков.

Имеем, похоже, отличную вертикаль. А вот гирокомпас, напротив, невозможен, нужны на два порядка более точные гироскопы ( U Земли = 15 град/ч, дрейф - 150 град/ч). Пытался найти север также по нулю восточного ДУСа, без результата. Можно конечно реализовать требуемый по точности ДУС из двух разнесенных акселерометров, но это уже будет "теплый осциллограф" (c). В режиме же гирополукомпаса наша БИНС будет вполне себе работать. Как? Возможно надо будет изредка делать дополнительную привязку по звездам или наземным ориентирам. Техника комплексирования магнетометра с ДУСами на основе очень простого аналога альфа-бета фильтра неплохо описана здесь:
http://www.thousand-thoughts.com/2012/03/android-sensor-fusion-tutorial/#comments

Проверил все на практике (с планшетом). Реально работает. Все же, думаю, есть смысл в этой разработке. Неопытным любителям это поможет достаточно точно выставить хотя бы угол места и, если потребуется, просто слегка довести телескоп по азимуту на объект. Вряд ли есть смысл прикручивать энкодеры к монтировкам типа Порты. Можно установить (примотать, прибить гвоздями, неважно) мобильник/планшет, причем в любом удобном положении без юстировки - на то это  и БИНС. Можно попробовать облегчить выставку полярной оси экваториальной монтировки вслепую на балконе. Да и угломер с уровнем и компасом в астрохозяйстве будет не лишним.
Небольшое демо, так сказать:
Navigation Kalman Filter with Accelerometer, Gyroscope and GPS
Для гуглопользователей, без цифр, правда:
https://play.google.com/store/apps/details?id=org.hitlabnz.sensor_fusion_demo

[INPan]

 Трудно ориентироваться ДУС БИНС ЛУТ.
Расшифруйте пожалуйста.

[Михаил ФМ]

ДУС - датчик угловой скорости (гироскоп)
БИНС - бесплатформенная инерциальная навигационная система (3 ДУСа + 3 акселерометра + контроллер)
БИНС строит (математически, платформенная ИНС - физически) приборный измерительный трехгранник в инерциальной системе координат. При навигации вводятся сигналы коррекции для вращения трехгранника вместе с Землей. Главное здесь - полная автономность навигации.