หน่วยวัดแรงเฉื่อย (Inertial Measurement Units: IMU) เป็นองค์ประกอบสำคัญในระบบนำทาง หุ่นยนต์ และระบบติดตามการเคลื่อนไหวสมัยใหม่ อุปกรณ์เหล่านี้ผสานรวมเซ็นเซอร์หลายชนิด เพื่อวัดแรงต่าง ๆ อัตราเชิงมุม และทิศทางของวัตถุ ดังนั้น การทำความเข้าใจหลักการพื้นฐาน ประเภทของเซ็นเซอร์ รวมถึงการใช้งานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ จึงเป็นเรื่องที่ท้าทาย ไม่ว่าจะเป็นการแก้ไขปัญหาการดริฟต์ของเซ็นเซอร์ การสอบเทียบ รวมถึงความก้าวหน้าในอัลกอริทึมการรวมข้อมูลจากหลายเซ็นเซอร์

การตรวจจับการเคลื่อนไหวมีบทบาทสำคัญต่อแอปพลิเคชันหลากหลาย ตั้งแต่ระบบนำทางในอวกาศไปจนถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้ใช้ทั่วไป IMU เป็นอุปกรณ์ที่รวบรวมเครื่องวัดความเร่ง (accelerometer), ไจโรสโคป (gyroscope) และบางครั้งรวมถึงแมกนีโตมิเตอร์ (magnetometer) เข้าด้วยกัน เพื่อวัดการเคลื่อนที่ของวัตถุในสามแกน นอกจากนี้ IMU ยังได้รับความนิยมในหุ่นยนต์ กล้องเสมือนจริง (VR) โดรน และยานยนต์ไร้คนขับ เพราะสามารถให้ข้อมูลการเคลื่อนไหวแบบเรียลไทม์ได้โดยไม่ต้องอาศัยข้อมูลอ้างอิงจากภายนอก

ส่วนประกอบและหลักการทำงานของ IMU

IMU โดยทั่วไปประกอบด้วยเซ็นเซอร์ดังต่อไปนี้

1. เครื่องวัดความเร่ง

เครื่องวัดความเร่งจะวัดความเร่งเชิงเส้นตามแกนตั้งฉากสามแกน (X, Y, Z) โดยทำงานโดยอาศัยการเคลื่อนตัวของมวลน้ำหนักภายใต้ความเร่ง โดยแปลงการเคลื่อนที่เชิงกลเป็นสัญญาณไฟฟ้า ได้แก่

• เครื่องวัดความเร่งแบบเพียโซอิเล็กทริก โดยการสร้างแรงดันไฟฟ้าภายใต้แรงกด
• เครื่องวัดความเร่งแบบคาปาซิทีฟ วัดการเปลี่ยนแปลงของความจุเนื่องจากการเคลื่อนที่ของมวล
• เครื่องวัดความเร่ง MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems ระบบไมโครอิเล็กโทรเมคานิกส์ ที่มีขนาดเล็กสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

2. ไจโรสโคป

ไจโรสโคปวัดความเร็วเชิงมุมโดยตรวจจับการเคลื่อนที่แบบหมุนรอบแกนทั้งสาม IMU สมัยใหม่ใช้ไจโรสโคป แบบ MEMS เป็นหลัก ซึ่งอาศัยผลของหลักการ Coriolis ซึ่งโครงสร้างที่สั่นสะเทือนจะเคลื่อนที่เมื่อหมุน

3. แมกนีโตมิเตอร์

IMU บางตัวมีแมกนีโตมิเตอร์สำหรับวัดสนามแม่เหล็กของโลก ซึ่งช่วยในการประมาณทิศทาง (คล้ายกับเข็มทิศ) อย่างไรก็ตาม แมกนีโตมิเตอร์อาจได้รับผลกระทบจากการรบกวนจากสนามแม่เหล็ก

4. การรวมเซ็นเซอร์

ข้อมูล IMU แบบดิบมีแนวโน้มที่จะเกิดสัญญาณรบกวนและการดริฟท์ จึงต้องมีอัลกอริทึมการรวมเซ็นเซอร์ ยกตัวอย่างเช่น ตัวกรอง Kalman หรือตัวกรอง Madgwick จะรวมข้อมูลของเครื่องวัดความเร่ง ไจโรสโคป และแมกนีโตมิเตอร์เข้าด้วยกันเพื่อปรับปรุงความแม่นยำ

การประยุกต์ใช้ IMU

IMU ถูกนำมาใช้ในหลายอุตสาหกรรมเนื่องจากมีความคล่องตัวและพกพาสะดวก

1. อวกาศและการบิน เช่น ระบบนำทางเครื่องบิน ระบบ IMU ทำหน้าที่เป็นแหล่งอ้างอิงและทิศทางการบิน (AHRS: Attitude and Heading Reference Systems) เมื่อสัญญาณ GPS ใช้งานไม่ได้ หรือ ยานอวกาศ ที่ใช้ในการรักษาเสถียรภาพดาวเทียมและภารกิจต่างๆในอวกาศ
2. อุตสาหกรรมยานยนต์ ในระบบควบคุมเสถียรภาพอิเล็กทรอนิกส์ (ESC: Electronic Stability Control) ตรวจจับการลื่นไถลและปรับการเบรก และยานยนต์ไร้คนขับ โดย IMU เป็นส่วนเสริมของ GPS สำหรับการคำนวณระยะทางในอุโมงค์หรือในหุบเขา
3. หุ่นยนต์ โดยเฉพาะโดรน ใช้ IMU ช่วยรักษาเสถียรภาพการบินโดยปรับความเร็วของมอเตอร์ตามทิศทาง หรือหุ่นยนต์คล้ายมนุษย์ให้สามารถติดตามการทรงตัวและการเคลื่อนไหวได้
4. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ต่างๆ เช่น สมาร์ทโฟน ในการหมุนหน้าจอ การนับก้าว และการควบคุมการเล่นเกม หรืออุปกรณ์สวมใส่ อุปกรณ์ติดตามการออกกำลังกายจะตรวจสอบการเคลื่อนไหวและกิจกรรมต่างๆในชีวิตประจำวัน
5. เทคโนโลยีเสมือนจริงและความเป็นจริงเสริม (VR/AR) จอแสดงผลแบบติดศีรษะ (HMD: Head-Mounted Displays) ติดตามการเคลื่อนไหวของศีรษะเพื่อประสบการณ์ที่สมจริงและตัวควบคุมการเคลื่อนไหว ปรับปรุงการโต้ตอบในสภาพแวดล้อม ของ VR เป็นต้น

ความท้าทายและข้อจำกัดของ IMU

แม้ IMU จะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็ต้องเผชิญกับข้อจำกัด เช่น

1. การดริฟต์ของเซ็นเซอร์ ไจโรสโคปอาจเกิดข้อผิดพลาดสะสมเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้ข้อมูลทิศทางเบี่ยงเบน
2. ความจำเป็นในการสอบเทียบ  IMU ต้องได้รับการสอบเทียบอย่างสม่ำเสมอ เพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดจากความเอนเอียงหรือการติดตั้งที่ไม่แม่นยำ
3. ผลกระทบจากสิ่งแวดล้อม อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง หรือสนามแม่เหล็กรบกวน อาจลดความแม่นยำของเซ็นเซอร์ได้

บทสรุป

IMU เป็นเทคโนโลยีสำคัญในระบบติดตามและนำทางการเคลื่อนไหวสมัยใหม่ แม้จะมีข้อจำกัดด้านการดริฟต์และการสอบเทียบ แต่ด้วยความก้าวหน้าทางอัลกอริทึมการรวมข้อมูลและเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ ทำให้ IMU มีความแม่นยำสูงขึ้นและมีบทบาทสำคัญในระบบอัตโนมัติ หุ่นยนต์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ที่ใช้ในชีวิตประจำวัน

‍