Czym jest zintegrowany system nawigacji inercyjnej MEMS? Zasada działania i zastosowanie

1. Wprowadzenie

Zintegrowany system nawigacji inercyjnej MEMS to miniaturowe, energooszczędne i opłacalne autonomiczne rozwiązanie nawigacyjne oparte na czujnikach inercyjnych Micro-Electro-Mechanical System (MEMS). Skupiając się na wysokowydajnych żyroskopach i akcelerometrach MEMS, system integruje dane pozycjonowania z wielu źródeł, aby osiągnąć rozwiązywanie położenia w czasie rzeczywistym, obliczanie prędkości i ciągłe wyjście pozycjonowania. W przeciwieństwie do precyzyjnych systemów nawigacji inercyjnej z światłowodami, dostosowanych do najwyższych scenariuszy lotniczych i morskich, zintegrowana nawigacja MEMS koncentruje się na lekkości, miniaturyzacji i skalowalności masowej, obejmując większość cywilnych i przemysłowych inteligentnych scenariuszy nawigacyjnych.

Czysta nawigacja inercyjna MEMS generuje niewielkie narastające dryfty podczas długotrwałej pracy ze względu na inherentne cechy mikrostruktur mechanicznych. Aby rozwiązać ten problem, system przyjmuje mechanizm fuzji wielu czujników, ściśle łącząc dane pomiarowe MEMS z GNSS, wizualnym SLAM, lidar, licznikami kół i innymi pomocniczymi źródłami pozycjonowania. Doskonale równoważy zalety sprzętu o niskich kosztach i wysoką stabilność wydajności nawigacyjnej, stając się najszerzej stosowaną technologią nawigacji inercyjnej w gospodarce nisko-wysokościowej i dziedzinie inteligentnego sprzętu przemysłowego.

2. Podstawowa zasada działania

2.1 Mechanizm wykrywania jednostki inercyjnej MEMS

Podstawowym elementem wykrywającym systemu jest stabilna jednostka IMU MEMS, która integruje miniaturowe trójosiowe żyroskopy i trójosiowe akcelerometry na jednym chipie. Żyroskop MEMS rejestruje prędkość kątową obrotu nośnika w czasie rzeczywistym (przechył, pochylenie, odchylenie), podczas gdy akcelerometr MEMS dokładnie wykrywa przyspieszenie liniowe i zmiany przyspieszenia grawitacyjnego podczas ruchu nośnika.

Dzięki algorytmom rozwiązywania inercyjnego w czasie rzeczywistym, jednostka niezależnie wyprowadza kąty położenia o wysokiej częstotliwości, prędkość kątową, przyspieszenie ruchu i oryginalne dane inercyjne. Może stale śledzić dynamiczny stan ruchu nośnika bez polegania na żadnych zewnętrznych źródłach sygnału, realizując w pełni autonomiczne postrzeganie położenia i nawigację zliczeniową.

2.2 Fuzja wielu czujników i tłumienie dryftu

Zintegrowany system nawigacji MEMS wykorzystuje zoptymalizowane algorytmy adaptacyjnego filtrowania Kalmana i inteligentnej fuzji do organicznego łączenia danych inercyjnych z zewnętrznymi danymi pozycjonowania. System działa w dwóch podstawowych trybach pracy, aby zapewnić stabilne wyjście w pełnym zakresie scenariuszy.

W otwartych środowiskach ze stabilnymi sygnałami GNSS, dane pozycjonowania satelitarnego kalibrują i tłumią długoterminowy narastający dryft czujników inercyjnych MEMS, korygując w czasie rzeczywistym drobne błędy położenia i pozycjonowania, aby utrzymać precyzyjne wyniki pozycjonowania absolutnego. W scenariuszach z ograniczonym dostępem do GNSS lub zakłóceniami sygnału, takich jak kaniony miejskie, tunele, gęste lasy i warsztaty wewnętrzne, jednostka inercyjna MEMS niezależnie wykonuje krótkoterminową, precyzyjną nawigację zliczeniową, płynnie wypełniając luki w pozycjonowaniu i zapewniając nieprzerwane wyjście nawigacji i położenia. Ten tryb fuzji realizujeniski dryft podczas długotrwałej pracy, brak przerw w krótkoterminowych złożonych scenariuszach.

3. Główne zalety zintegrowanej nawigacji MEMS

• Miniaturyzacja i lekkość Przyjmuje wysoce zintegrowaną konstrukcję na poziomie chipa, o bardzo małych rozmiarach i bardzo niskiej wadze. Może być wbudowany w wąskie kabiny sprzętowe, doskonale dostosowując się do ścisłych ograniczeń obciążenia i przestrzeni małych i średnich inteligentnych urządzeń.
• Niskie zużycie energii i wysoka opłacalność W porównaniu z systemami nawigacji inercyjnej z światłowodami i laserowymi, rozwiązania MEMS charakteryzują się niższym zużyciem energii i niższymi kosztami produkcji, umożliwiając masowe wdrożenie i popularne zastosowanie.
• Silna odpowiedź dynamiczna Obsługuje wyjście danych o wysokiej częstotliwości, czuło rejestrując szybkie zmiany położenia, częste przyspieszenia i hamowania oraz ostre ruchy kierownicze nośników, nadaje się do scenariuszy ruchu cywilnego o wysokiej dynamice.
• Doskonała adaptacyjność do scenariuszy Integruje przemysłową odporność na wibracje, wstrząsy i technologię kalibracji w szerokim zakresie temperatur, stabilnie dostosowując się do złożonych warunków pracy, takich jak wibracje pojazdów, turbulencje wiatru i nierówności terenu.
• Elastyczna kompatybilność fuzji Łatwo kompatybilny z GNSS, lidar, wizualnym SLAM, licznikami kilometrów i innymi popularnymi modułami pozycjonowania, obsługuje niestandardowe rozwiązania fuzji dla różnych scenariuszy zastosowań.

4. Różnice między zintegrowaną nawigacją MEMS a FOG

Zintegrowana nawigacja MEMS i zintegrowana nawigacja światłowodowa (FOG) tworzą w pełni komplementarny matrycę produktów wysokiego i niskiego końca w branży nawigacji inercyjnej. Technologia MEMS opiera się na mikro-elektromechanicznych strukturach chipowych, charakteryzujących się niskimi kosztami, miniaturyzacją i zaletami masowej produkcji, ale z ograniczoną zdolnością tłumienia dryftu długoterminowego, nadaje się do cywilnych i przemysłowych scenariuszy o średniej i niskiej precyzji.

Zintegrowana nawigacja światłowodowa FOG wykorzystuje bezdotykową strukturę czujnika optycznego, z ultra-niskim dryftem i ultra-wysoką stabilnością długoterminową, ale ma większą objętość i wyższy koszt, głównie obsługując scenariusze wysokiej klasy, takie jak lotnictwo, sprzęt głębinowy i wysokiej klasy geodezja i kartografia. Zintegrowana nawigacja MEMS wypełnia lukę rynkową uniwersalnej, wysoce niezawodnej nawigacji inercyjnej i jest podstawową technologią dla szybkiego rozwoju globalnej gospodarki nisko-wysokościowej i inteligentnej produkcji przemysłowej.

5. Główne scenariusze zastosowań

• Drony cywilne i przemysłowe Szeroko stosowane w inspekcji energetycznej, badaniach lotniczych, dystrybucji logistycznej, ochronie roślin rolniczych i dronach ratowniczych, zapewniając stabilną kontrolę położenia i ciągłe dane nawigacyjne dla złożonych scenariuszy lotu.
• Inteligentne pojazdy i roboty mobilne Obsługuje pojazdy autonomiczne o niskiej prędkości, pojazdy patrolowe kampusowe, pojazdy sanitarne, wewnętrzne AGV i roboty AMR, rozwiązując problemy z przerwami w pozycjonowaniu w scenariuszach z ograniczonym dostępem do GNSS.
• Inteligentny sprzęt przemysłowy Stosowany do monitorowania położenia maszyn budowlanych, stabilizacji inteligentnych gimbalów, przenośnego sprzętu geodezyjnego i kartograficznego, realizując korektę położenia w czasie rzeczywistym i monitorowanie stanu ruchu.
• Sprzęt gospodarki nisko-wysokościowej Obejmuje różne małe i średnie nośniki bezzałogowe, zapewniając niezawodne wsparcie nawigacji inercyjnej dla transportu nisko-wysokościowego w miastach i inteligentnego sprzętu terminalowego.

6. Podsumowanie techniczne

Jako najbardziej mainstreamowe i wszechstronne rozwiązanie nawigacji inercyjnej w dziedzinie przemysłowej i cywilnej, zintegrowany system nawigacji inercyjnej MEMS doskonale równoważy wydajność, objętość, zużycie energii i koszt. Dzięki technologii fuzji wielu czujników, kompensuje inherentną wadę dryftu pojedynczej nawigacji inercyjnej MEMS, realizując stabilne, ciągłe i precyzyjne postrzeganie nawigacji i położenia. Jest to podstawowa technologia sensoryczna dla inteligentnego sprzętu bezzałogowego, automatyzacji przemysłowej i industrializacji gospodarki nisko-wysokościowej, a także wspiera masowe zastosowania komercyjne globalnego inteligentnego sprzętu terminalowego.