MEMS IMU از روبات های زیر آب بدون GPS پشتیبانی می کند

ربات‌های زیر آب خودمختار به عنوان تجهیزات حیاتی برای تحقیقات علمی دریایی، توسعه انرژی دریایی، بازرسی مهندسی زیر آب، نظارت بر محیط زیست دریایی و ماموریت‌های دفاعی زیر دریا ظاهر شده‌اند. برخلاف وسایل نقلیه بدون سرنشین هوایی و زمینی، سیستم‌های رباتیک زیر آب در محیط‌های دریایی منحصربه‌فردی که GPS، GNSS و سایر سیگنال‌های ناوبری ماهواره‌ای نمی‌توانند به آب دریا نفوذ کنند، کار می‌کنند. این خاموشی سیگنال یک گلوگاه فنی اصلی برای رباتیک دریایی ایجاد می کند: دستیابی به ناوبری مداوم، پایدار و با دقت بالا بدون پشتیبانی موقعیت یابی ماهواره ای خارجی.

به عنوان یک راه حل قابل اعتماد ناوبری فاقد GPS،واحدهای اندازه گیری اینرسی MEMS (MEMS IMU)به جزء اصلی حسگر سیستم‌های ناوبری مدرن زیر آب تبدیل شده‌اند. با نظارت بی‌درنگ سرعت زاویه‌ای سه‌بعدی و شتاب خطی، MEMS IMU ربات‌های زیر آب را قادر می‌سازد تا داده‌های نگرش، سرعت و موقعیت را به طور مستقل حل کنند. همراه با فناوری الگوریتم ناوبری و ترکیب سنسور بالغ، حسگرهای اینرسی MEMS یک راه حل ناوبری فشرده، کم مصرف و مقرون به صرفه را برای AUV ها، ROV ها و وسایل نقلیه مختلف زیر آب بدون سرنشین ارائه می دهند.

ناوبری زیر آب به دلیل محدودیت های ذاتی محیطی دریایی بسیار پیچیده تر از ناوبری زمینی و هوایی است. رسانه آب دریا به طور کامل سیگنال‌های فرکانس رادیویی ماهواره‌ای را مسدود می‌کند و موقعیت‌یابی معمولی GPS/GNSS را پس از غواصی وسیله نقلیه زیر دریا غیرفعال می‌کند. علاوه بر این، روبات‌های زیر آب باید با جریان‌های دائمی متغیر اقیانوس، دید کم در زیر آب، فشار متغیر آب و عدم وجود نشانه‌های مرجع جغرافیایی ثابت کنار بیایند.

برایوسایل نقلیه زیر آب خودمختار (AUV)ووسایل نقلیه از راه دور (ROV)کنترل دقیق زاویه سمت، عمق غواصی و موقعیت لحظه به لحظه پیش فرض تکمیل ماموریت های اصلی از جمله نقشه برداری توپوگرافی بستر دریا، بازرسی ساختار زیردریایی فراساحلی و جمع آوری داده های زیست محیطی دریایی است. خطاهای ناوبری تجمعی کوچک مستقیماً دقت داده های شناسایی را کاهش می دهد، چرخه ماموریت را طولانی می کند و حتی باعث انحراف موقعیت خودرو و بازیابی ناموفق زیر آب می شود.

یک MEMS IMU ژیروسکوپ ها و شتاب سنج های مینیاتوری MEMS با دقت بالا را در یک سنسور ماژولار جمع و جور ادغام می کند. سنسورهای دوگانه به طور پیوسته داده‌های سرعت زاویه‌ای چرخشی و شتاب خطی سه محوره را ضبط می‌کنند و اطلاعات حسگر حرکت همه‌بعدی مورد نیاز برای حل ناوبری اینرسی را فراهم می‌کنند.

در طول عملیات زیر آب، MEMS IMU داده های حرکتی را در زمان واقعی به پردازنده ناوبری داخلی خروجی می دهد. از طریق محاسبه انتگرال اینرسی، سیستم به طور مستقل زاویه نگرش ربات زیر آب (غلت، زمین، انحراف)، سرعت قایقرانی و موقعیت زمان واقعی را تعیین می کند. کل فرآیند ناوبری کاملاً به داده های حسگر داخلی متکی است و نیازی به کمک سیگنال خارجی ندارد، بنابراین بهناوبری پیوسته تمام وقت در محیط های زیر آب فاقد GPS.

اگرچه ناوبری اینرسی خالص با گذشت زمان باعث انباشت خطای خفیف می شود، اما تخمین حرکت با فرکانس بالا بدون وقفه را ارائه می دهد که تضمین اصلی برای اجرای پایدار مأموریت های کوتاه و میان مدت کشف و بررسی زیر آب است.

برای سرکوب رانش اینرسی و افزایش پایداری موقعیت‌یابی، سیستم‌های ناوبری زیر آب مدرن به ندرت از IMUهای MEMS مستقل استفاده می‌کنند. در عوض، فناوری همجوشی چند سنسوری برای تکمیل مزایای دستگاه‌های حسگر مختلف، تحقق ناوبری زیر آب با دقت بالا و طولانی مدت، به کار گرفته شده است.

ترکیبات متداول سنسور پشتیبانی برای ناوبری زیر آب MEMS IMU:

• ثبت سرعت داپلر (DVL)
• سنسورهای عمق و فشار با دقت بالا
• سیستم های موقعیت یابی صوتی زیر آب (USBL / LBL)
• سونار چند پرتو و تجهیزات سونار تصویربرداری
• دوربین های جذب بصری زیر آب

بر اساس الگوریتم‌های همجوشی پیشرفته که توسط فیلتر کالمن توسعه یافته (EKF) ارائه شده است، سیستم داده‌های اینرسی فرکانس بالا IMU را با داده‌های تصحیح فرکانس پایین از DVL، آکوستیک و سنسورهای فشار ترکیب می‌کند. این به طور موثر رانش اینرسی را سرکوب می کند، خطاهای تجمعی را تصحیح می کند و ربات های زیر آب را قادر می سازد تا موقعیت پایدار در سطح سانتی متر و دسی متر را در طول ماموریت های دور طولانی زیر دریا حفظ کنند.

در مقایسه با دستگاه‌های اینرسی نوری سنتی مانند ژیروسکوپ‌های فیبر نوری (FOG) و ژیروسکوپ‌های لیزری حلقه (RLG)، MEMS IMU دارای بسته‌بندی کوچک و وزن فوق‌العاده سبک است. آنها کاملاً با بار و فضای نصب محدود ربات های زیر آب با اندازه کوچک و متوسط ​​سازگار هستند و نیازهای طراحی سبک وزن تجهیزات مدرن بدون سرنشین زیردریایی را برآورده می کنند.

استقامت باتری عامل کلیدی محدود کننده زمان کار ربات زیر آب است. حسگرهای اینرسی MEMS مصرف انرژی بسیار پایینی دارند که به طور موثر بار کلی برق خودرو را کاهش می دهد. این به طور قابل توجهی زمان کار مداوم AUV ها و روبات های بازرسی را بدون افزایش حجم و وزن باتری بهبود می بخشد.

MEMS IMU داده‌های نگرش رول، گام، و انحراف با فرکانس بالا را در زمان واقعی خروجی می‌دهد. آن‌ها می‌توانند به‌طور دینامیکی تداخل نگرش ناشی از جریان‌های اقیانوسی، تأثیر جریان آب و تلاطم زیر آب را جبران کنند و از کنترل پایدار بدن و دقت مأموریت ثابت روبات‌های زیر آب در محیط‌های پیچیده دریایی اطمینان حاصل کنند.

با حفظ عملکرد ناوبری صنعتی و دریایی، MEMS IMU هزینه های ساخت و کاربرد بسیار کمتری نسبت به سیستم های اینرسی FOG و RLG پیشرفته دارد. آنها یک راه حل ناوبری استاندارد و قابل اعتماد برای استقرار ربات های زیر آب تجاری و صنعتی در مقیاس بزرگ ارائه می دهند.

ماژول‌های مدرن MEMS IMU مجهز به رابط‌های ارتباطی استاندارد متنوعی هستند که می‌توانند به طور یکپارچه با خلبان‌های خودکار زیر آب، کنترل‌کننده‌های ناوبری، تجهیزات تشخیص سونار و رایانه‌های صنعتی دریایی تطبیق داده شوند. تا حد زیادی دشواری توسعه ثانویه و یکپارچه سازی سیستم تجهیزات ناوبری زیر آب را کاهش می دهد.

وسایل نقلیه زیردریایی خودمختار مجهز به IMUهای MEMS می‌توانند کروز خودکار، نقشه‌برداری توپوگرافی بستر دریا و جمع‌آوری پارامترهای هیدرولوژیکی اقیانوس را در محیط‌های اعماق دریا و دریاهای آزاد بدون سیگنال‌های GPS انجام دهند و از تحقیقات علمی دریایی و اکتشاف منابع اقیانوس پشتیبانی کنند.

سناریوهای عملیات و نگهداری کابل های ارتباطی نفت، گاز و زیردریایی بر روی ربات های ناوبری MEMS IMU برای انجام بازرسی های منظم از خطوط لوله زیردریایی و مسیرهای کابلی متکی هستند. موقعیت یابی پایدار تشخیص پوشش کامل و عیب یابی عیب تاسیسات مهندسی زیر آب را تضمین می کند.

برای تشخیص ساختار زیر آب بنادر، پایه پل، سدها و سکوهای دریایی، ناوبری اینرسی MEMS ربات ها را قادر می سازد تا به طور پایدار در محیط های میدان جریان کم دید و پیچیده عمل کنند و داده های بازرسی با دقت بالا را برای ارزیابی ایمنی زیرساخت به دست آورند.

ربات‌های نظارت بر زیر آب، سیستم‌های MEMS IMU را برای گشت و گذار در مسیرهای ثابت حمل می‌کنند و نظارت مداوم طولانی‌مدت بر اکوسیستم‌های صخره‌های مرجانی، کیفیت آب دریا، و تغییرات اکولوژیکی دریایی را انجام می‌دهند و اطلاعات دقیقی را برای حفاظت از محیط زیست دریایی ارائه می‌دهند.

سکوهای دفاعی و امنیتی زیر آب راه‌حل‌های ناوبری اینرسی MEMS را برای تکمیل شناسایی زیر آب، نظارت بر گشت‌زنی، پاکسازی مین و مأموریت‌های هشدار اولیه در مناطق دریایی محروم از GPS اتخاذ می‌کنند و از عملکرد مستقل و قابل اعتماد تجهیزات امنیتی زیر دریا اطمینان می‌دهند.

با تکرار مداوم فناوری تولید تراشه MEMS و بهینه‌سازی الگوریتم ناوبری، سیستم‌های ناوبری اینرسی زیر آب به سمت دقت بالاتر، پایداری قوی‌تر و یکپارچگی هوشمندتر در حال توسعه هستند. جهت‌های توسعه آینده عمدتاً شامل بی‌ثباتی بایاس کمتر، اندازه‌گیری با دقت فوق‌العاده بالا، مکانیسم جبران دما، الگوریتم ناوبری به کمک هوش مصنوعی، همجوشی عمیق حسگر چند منبعی و کوچک‌سازی بیشتر ماژول‌ها است.

این ارتقاهای تکنولوژیکی از ربات‌های زیر آب برای تکمیل مأموریت‌های زیردریایی طولانی‌تر، برد وسیع‌تر و پیچیده‌تر پشتیبانی می‌کند و به طور موثر خطاهای ناوبری را کاهش می‌دهد و هوش و کارایی عملیاتی تجهیزات بدون سرنشین دریایی را بهبود می‌بخشد.

سیگنال‌های ماهواره‌ای GPS و GNSS به انتقال فرکانس رادیویی متکی هستند که نمی‌توانند به طور موثر در آب دریا نفوذ کنند. هنگامی که ربات زیر آب غوطه ور می شود، سیگنال های موقعیت یابی ماهواره ای به طور کامل محافظت می شوند و ناوبری اینرسی را به راه حل اصلی جایگزین برای موقعیت یابی زیر آب تبدیل می کنند.

MEMS IMU یک ماژول سنجش اینرسی کوچک شده است که از ژیروسکوپ و شتاب سنج MEMS تشکیل شده است. این می تواند به طور دقیق نگرش سه محوره، سرعت زاویه ای و شتاب خطی حامل را اندازه گیری کند و داده های اساسی را برای حل ناوبری اینرسی ارائه دهد.

بله. IMUهای MEMS می توانند ناوبری پیوسته مستقل را بدون تکیه بر سیگنال های ماهواره ای خارجی انجام دهند. برای ماموریت های طولانی مدت در اعماق دریا، ترکیب MEMS IMU با DVL، موقعیت یابی صوتی زیر آب و سایر حسگرها می تواند به طور موثری رانش را سرکوب کند و به ناوبری طولانی مدت با دقت بالا دست یابد.

سیستم‌های اینرسی نوری FOG و RLG دقت نهایی بالاتری دارند اما از نظر اندازه بزرگ، وزن سنگین و بسیار پرهزینه هستند. MEMS IMU دارای ویژگی کوچک سازی، مصرف انرژی کم و کارایی بالا است که نیازهای ناوبری اکثر ربات های تجاری، صنعتی و دفاعی زیر آب را به طور کامل برآورده می کند و آنها را به راه حل اصلی برای تجهیزات بدون سرنشین دریایی تبدیل می کند.

MEMS IMU به طور گسترده ای برای تجهیزات مختلف بدون سرنشین زیر آب، از جمله وسایل نقلیه زیر آب خودکار (AUV)، وسایل نقلیه از راه دور (ROVs)، ربات های بازرسی زیر دریا، سکوهای بررسی دریایی و سیستم های دفاعی زیر آب قابل استفاده است.

راه‌حل بهینه همجوشی چند حسگر است: داده‌های اینرسی MEMS IMU را به‌عنوان هسته بگیرید و داده‌های تصحیح فیوز را از سرعت‌سنج‌های DVL، سیستم‌های موقعیت‌یابی صوتی زیر آب، سنسورهای عمق فشار و تجهیزات سونار، همراه با EKF و دیگر الگوریتم‌های فیوژن هوشمند، برای به حداکثر رساندن پایداری طولانی‌مدت و ناوبری دقیق فیوز کنید.

IMUهای MEMS به تجهیزات حسگر اصلی ضروری برای ناوبری مدرن ربات زیر آب تبدیل شده اند. این نقطه درد صنعت ناشی از خرابی موقعیت‌یابی ناشی از از دست دادن سیگنال GPS در محیط‌های زیر آب را حل می‌کند و ناوبری مستقل در همه شرایط آب و هوایی، مداوم و پایدار برای وسایل نقلیه بدون سرنشین زیر دریا را درک می‌کند. با مزایای منحصر به فرد کوچک سازی، مصرف انرژی کم، کارایی بالا و ادغام آسان، فناوری ناوبری اینرسی MEMS به طور گسترده در تحقیقات علمی دریایی، مهندسی فراساحل، نظارت بر محیط زیست و زمینه های دفاع زیر دریا استفاده می شود.

از آنجایی که فناوری بدون سرنشین دریایی به سرعت در حال توسعه است، راه‌حل‌های ناوبری بدون GPS مبتنی بر MEMS IMU، تجهیزات زیرآبی هوشمند و مستقل را بیشتر تقویت می‌کند و از عملیات ایمن‌تر، کارآمدتر و مطمئن‌تر در محیط‌های پیچیده و خشن دریایی پشتیبانی می‌کند.