ناوبری MEMS در محیط های بدون GPS

کاربردهای مدرن صنعتی، نظامی و ناوبری مستقل در سرتاسر جهان به شدت به فناوری موقعیت یابی ماهواره ای قابل اعتماد، که در درجه اول به عنوان ردیابی مکان مبتنی بر GNSS یا GPS شناخته می شود، بستگی دارد. با این حال، سیگنال های ماهواره ای GNSS بسیار شکننده هستند و به راحتی تحت تأثیر موانع فیزیکی، محیط پیچیده، تداخل الکترومغناطیسی و پارازیت و جعل سیگنال عمدی قرار می گیرند. به همین دلیل،محیط های ناوبری فاقد GPSتبدیل به یکی از بزرگترین چالش های عملیاتی برای هواپیماهای بدون سرنشین، ربات های خودران، وسایل نقلیه نظامی، تجهیزات معدن زیرزمینی و سیستم های اتوماسیون صنعتی در سراسر جهان شده است. همانطور که قابلیت اطمینان GNSS در شرایط کاری پیچیده همچنان رو به کاهش است،سیستم های ناوبری اینرسی مبتنی بر MEMSبه مطمئن ترین و ضروری ترین راه حل موقعیت یابی برای ناوبری پیوسته، مستقل و مستقل از سیگنال بدون پشتیبانی ماهواره ای تبدیل شده اند.

الفمحیط فاقد GPSبه هر منطقه عملیاتی اطلاق می شود که در آن سیگنال های موقعیت یابی ماهواره ای GNSS به طور کامل در دسترس نیستند، به شدت ضعیف شده اند، مسدود شده اند، مسدود شده اند یا به صورت دیجیتالی جعل شده اند. در این سناریوهای کاری حیاتی، GPS استاندارد و سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای جهانی نمی‌توانند داده‌های موقعیت‌یابی پایدار را ارائه دهند، که منجر به شکست ناوبری، رانش موقعیت، انحراف مسیر و خطرات ایمنی برای تجهیزات خودران و وسایل نقلیه سرنشین‌دار می‌شود.

سناریوهای کاری رایج در دنیای واقعی که توسط GPS انکار می شوند و به راه حل های ناوبری MEMS با کارایی بالا نیاز دارند عبارتند از:

• محیط های صنعتی داخلی: انبارهای بزرگ، کارگاه های کارخانه، مراکز ذخیره سازی لجستیک و ساختمان های صنعتی محصور که سیگنال های ماهواره ای نمی توانند به سازه های ساختمان نفوذ کنند.
• سناریوهای دره شهری: مناطق شهری متراکم مرتفع که در آن ساختمان های بلند مسیر دید ماهواره را مسدود می کنند و باعث تضعیف شدید سیگنال GNSS و تداخل چند مسیری می شوند.
• عملیات زیرزمینی و معدنی: معادن زیرزمینی، پروژه های ساخت تونل، مهندسی مترو و سایت های بازرسی خطوط لوله زیرزمینی با پوشش ماهواره ای صفر.
• ماموریت های ناوبری زیر آب: ربات های زیر آب دریایی، تجهیزات بازرسی زیر دریا و وسایل نقلیه مهندسی زیر آب که نمی توانند هیچ سیگنال GPS را در زیر آب دریافت کنند.
• مناطق جنگی نظامی و دفاعی: محیط های میدان نبرد با پارازیت GNSS، جعل سیگنال، سرکوب الکترومغناطیسی و تداخل ناوبری خصمانه.

در تمام این مناطق چالش برانگیز GPS، ناوبری سنتی فقط با GNSS به طور کامل با شکست مواجه می شودفناوری ناوبری اینرسی MEMS راه حل اصلی موقعیت یابی جایگزین استبرای عملکرد طولانی مدت قابل اعتماد

سیستم های ناوبری MEMSحول واحدهای اندازه‌گیری اینرسی با کارایی بالا (IMU) که ​​با ژیروسکوپ‌های دقیق MEMS و شتاب‌سنج‌های MEMS یکپارچه شده‌اند، ساخته شده‌اند. برخلاف گیرنده‌های GNSS که به سیگنال‌های ماهواره‌ای خارجی متکی هستند، ناوبری اینرسی MEMS کاملاً با داده‌های حسگر داخلی کار می‌کند و آن را کاملاً مستقل، مستقل و مصون از هرگونه تداخل سیگنال خارجی یا از دست دادن سیگنال می‌کند.

ناوبری اینرسی MEMS به GPS، GNSS، سیگنال ایستگاه پایه خارجی و پشتیبانی از شبکه بی سیم نیاز ندارد. تمام داده های موقعیت، سرعت و نگرش به صورت محلی توسط خود سیستم ناوبری اینرسی محاسبه می شود. این ویژگی مستقل از سیگنال عملکرد ناوبری پایدار را حتی در شدیدترین محیط‌های پارازیت و مناطق مرده GPS کاملاً مسدود شده تضمین می‌کند.

متفاوت از GNSS که داده های موقعیت یابی را فقط در فرکانس پایین به روز می کند و از قطع سیگنال رنج می برد، INS مبتنی بر MEMS ردیابی حرکت پیوسته با فرکانس بالا، اندازه گیری نگرش در زمان واقعی، محاسبه سرعت پایدار و خروجی موقعیت دقیق را ارائه می دهد. این از حرکت با سرعت بالا پویا، تغییرات پیچیده نگرش و ناوبری طولانی مدت بدون وقفه برای انواع پلت فرم های مستقل پشتیبانی می کند.

سنسورهای اینرسی MEMS صنعتی و دفاعی پیشرفته مدرن دارای طراحی کوچک، ساختار سبک وزن و مصرف انرژی کم هستند. آنها را می توان به راحتی در هواپیماهای بدون سرنشین میکرو، وسایل نقلیه زمینی بدون سرنشین، روبات های صنعتی، حامل های نظامی، ماشین آلات معدن و دستگاه های بازرسی قابل حمل ادغام کرد. مقیاس پذیری بالا باعث می شود ناوبری MEMS هم برای اتوماسیون صنعتی تجاری و هم برای کاربردهای نظامی دفاعی پیشرفته مناسب باشد.

اصل کار اصلی ازسیستم های ناوبری اینرسی MEMSمبتنی بر الگوریتم‌های سیستم ناوبری اینرسی (INS) است که داده‌های حرکت بلادرنگ جمع‌آوری‌شده توسط حسگرهای اینرسی MEMS با دقت بالا را پردازش می‌کند.

• ژیروسکوپ های MEMS: سرعت زاویه ای را در زمان واقعی اندازه گیری کنید و چرخش نگرش را دنبال کنید، از جمله زوایای زمین، چرخش و انحراف.
• شتاب سنج های MEMS: تشخیص شتاب خطی در سه بعدی و محاسبه جابجایی حرکت و تغییرات سرعت.

پردازنده ناوبری اینرسی به طور مداوم داده های سرعت زاویه ای و شتاب را در طول زمان برای محاسبه دقیق یکپارچه می کند.موقعیت، سرعت و جهت بیدرنگبدون هیچ سیگنال مرجع ماهواره ای خارجی این روش محاسبات اینرسی خالص، ناوبری کاملاً مستقل را در تمام شرایطی که GPS رد می‌کند، تضمین می‌کند.

برای حل مسائل جزئی رانش سنسور و دستیابی به عملکرد ناوبری با دقت بالا درازمدت، سیستم‌های ناوبری اینرسی مدرن MEMS پیشرفته‌تر هستند.فناوری فیوژن چند سنسوری. با ترکیب داده‌های اینرسی IMU با سنسورهای کمکی اضافی و الگوریتم‌های فیلتر هوشمند، سیستم به طور موثری نویز را کاهش می‌دهد، خطاها را تصحیح می‌کند و نتایج بلندمدت موقعیت‌یابی را تثبیت می‌کند.

سنسورهای رایج مورد استفاده در ناوبری فیوژن سنسور MEMS:

• دوربین های بصری برای ناوبری بصری و تصحیح SLAM بصری
• سنسورهای LiDAR برای اسکن محیط با دقت بالا و کالیبراسیون موقعیت
• مغناطیس‌سنج‌ها و فشارسنج‌ها برای جبران نگرش و ارتفاع

الگوریتم های حرفه ای مانندفیلتر کالمن و فیلتر گسترده کالمن (EKF)به طور گسترده ای برای سرکوب رانش حسگر، کاهش خطاهای تجمعی، و حفظ خروجی ناوبری پایدار و قابل اعتماد برای ماموریت های طولانی مدت استفاده می شود.

ناوبری اینرسی MEMS پهپادهای صنعتی و پهپادهای نظامی را قادر می‌سازد تا کنترل پرواز پایدار، بازرسی مستقل و اجرای دقیق مأموریت را در فضاهای داخلی، خوشه‌های ساختمان‌های شهری و مناطق میدان نبرد مسدود شده با GPS بدون پشتیبانی موقعیت‌یابی ماهواره‌ای انجام دهند.

ربات‌های انبار، AGV کارخانه‌ها و روبات‌های خدماتی برای موقعیت‌یابی داخل ساختمان، اجتناب از موانع و برنامه‌ریزی مسیر خودکار به ناوبری MEMS متکی هستند و عملکرد پایدار را در محیط‌های صنعتی داخلی کاملاً بدون GPS تضمین می‌کنند.

برای وسایل نقلیه نظامی، پهپادهای تاکتیکی و سیستم‌های ماموریت دفاعی، ناوبری اینرسی MEMS موقعیت‌یابی قابل اعتمادی را حتی تحت حملات جعل و پارازیت‌های سنگین GNSS فراهم می‌کند و ایمنی ماموریت و انعطاف‌پذیری ناوبری میدان نبرد را تضمین می‌کند.

تجهیزات معدن، ماشین‌آلات ساخت تونل و ربات‌های شناسایی زیر آب، همگی برای کارکرد عادی در محیط‌های زیرزمینی و زیرآبی طولانی‌مدت عاری از ماهواره، به ناوبری MEMS-GPS نیاز دارند.

محدودیت اصلی سنسورهای اینرسی MEMS درجه مصرف کننده و کم هزینه استرانش ناوبری و تجمع خطا. سوگیری های کوچک حسگر و نویز به تدریج در طول ساعات کاری طولانی جمع می شوند و باعث انحراف موقعیت آهسته می شوند. علاوه بر این، تغییرات دما، ارتعاشات مکانیکی و استرس شدید محیطی نیز می‌توانند بر پایداری سنسور تأثیر بگذارند.

• ادغام چند سنسور برای کاهش رانش طولانی مدت
• جبران خطای هوشمند هوش مصنوعی و الگوریتم های ناوبری پیشرفته
• کالیبراسیون کارخانه حرفه ای، جبران دما، و فن آوری سرکوب لرزش
• ترکیب با SLAM و تصحیح گاه به گاه GNSS در صورت در دسترس بودن سیگنال

با افزایش عدم قطعیت قابلیت اطمینان سیگنال GNSS در سراسر جهان، ناوبری اینرسی MEMS به یک فناوری پایه اصلی برای سیستم‌های خودمختار، اتوماسیون صنعتی و تجهیزات دفاعی تبدیل شده است. جهت توسعه آینده ناوبری MEMS که از GPS محروم است شامل سنسورهای MEMS با رانش کم با دقت بالاتر، الگوریتم‌های همجوشی حسگر هوشمند مبتنی بر هوش مصنوعی، ادغام عمیق‌تر با سیستم‌های بینایی و LiDAR، کوچک‌سازی برای تجهیزات میکرو و سازگاری محیطی قوی‌تر برای شرایط کاری شدید است.

سیستم های ناوبری اینرسی MEMS برای محیط های فاقد GPSفناوری هسته ای ضروری برای همه دستگاه های مستقلی هستند که بدون سیگنال های ماهواره ای کار می کنند. با استقلال قوی، پایداری بالا و سازگاری گسترده، ناوبری MEMS عملکرد موقعیت یابی مستمر، قابل اعتماد و ایمن را در تمام سناریوهای کاری پیچیده و مسدود شده با سیگنال تضمین می کند و به مهم ترین راه حل ناوبری برای نسل بعدی سیستم های صنعتی و دفاعی خودمختار در سراسر جهان تبدیل می شود.