Что такое инерциальная интегрированная навигационная система MEMS? Принцип и применение

1. Введение

MEMS инерциальная интегрированная навигационная система — это миниатюрное, энергоэффективное и экономичное автономное навигационное решение, основанное на микроэлектромеханических системах (MEMS) инерциальных датчиков. Система, построенная на базе высокопроизводительных гироскопов и акселерометров MEMS, интегрирует данные позиционирования из нескольких источников для достижения в реальном времени решения задачи определения ориентации, расчета скорости и непрерывного вывода данных о местоположении. В отличие от высокоточных волоконно-оптических инерциальных навигационных систем, разработанных для передовых аэрокосмических и морских сценариев, MEMS интегрированная навигация ориентирована на легковесность, миниатюризацию и массовое масштабирование, охватывая большинство гражданских и промышленных сценариев интеллектуальной навигации.

Чистая MEMS инерциальная навигация генерирует небольшой кумулятивный дрейф при длительной работе из-за присущих микромеханическим структурам характеристик. Для решения этой проблемы система использует механизм слияния данных с нескольких датчиков, тесно объединяя данные MEMS инерциальных измерений с GNSS, визуальным SLAM, лидаром, одометром колес и другими вспомогательными источниками позиционирования. Это позволяет идеально сбалансировать преимущества недорогого оборудования и высокостабильные навигационные характеристики, делая ее наиболее широко используемой технологией инерциальной навигации в сфере низковысотной экономики и промышленного интеллектуального оборудования.

2. Основной принцип работы

2.1 Механизм зондирования MEMS инерциального блока

Основным чувствительным элементом системы является высокостабильный MEMS IMU, который интегрирует миниатюрные трехосевые гироскопы и трехосевые акселерометры на одном чипе. MEMS гироскоп фиксирует угловую скорость вращения носителя в реальном времени (крен, тангаж, рыскание), в то время как MEMS акселерометр точно определяет линейное ускорение и изменения ускорения свободного падения во время движения носителя.

С помощью алгоритмов инерциального расчета в реальном времени блок независимо выводит высокочастотные углы ориентации, угловую скорость, ускорение движения и исходные инерциальные данные. Он может непрерывно отслеживать динамическое состояние движения носителя без зависимости от каких-либо внешних источников сигнала, реализуя полностью автономное восприятие ориентации и счисление пути.

2.2 Слияние данных с нескольких датчиков и подавление дрейфа

MEMS интегрированная навигационная система использует оптимизированную адаптивную фильтрацию Калмана и интеллектуальные алгоритмы слияния для органичного объединения инерциальных данных с внешними данными позиционирования. Система работает в двух основных режимах для обеспечения стабильного вывода данных во всех сценариях.

В открытых средах со стабильными сигналами GNSS спутниковые данные позиционирования калибруют и подавляют долгосрочный кумулятивный дрейф MEMS инерциальных датчиков, корректируя в реальном времени незначительные ошибки ориентации и позиционирования для поддержания высокоточных абсолютных результатов позиционирования. В сценариях, где GNSS недоступен или сигнал подвержен помехам, таких как городские каньоны, туннели, густые леса и внутренние цеха, MEMS инерциальный блок самостоятельно выполняет краткосрочное высокоточное счисление пути, бесшовно заполняя пробелы в позиционировании и обеспечивая непрерывный вывод данных о навигации и ориентации. Этот режим слияния обеспечиваетнизкий дрейф при длительной работе, отсутствие прерываний в краткосрочных сложных сценариях.

3. Основные преимущества MEMS интегрированной навигации

• Миниатюрность и легковесность Использует высокоинтегрированную чиповую конструкцию, отличающуюся сверхмалым размером и сверхлегким весом. Может быть встроена в узкие отсеки оборудования, идеально адаптируясь к строгим ограничениям по нагрузке и пространству малых и средних интеллектуальных устройств.
• Низкое энергопотребление и высокая экономичность По сравнению с волоконно-оптическими и лазерными инерциальными навигационными системами, решения на базе MEMS потребляют меньше энергии и имеют более низкие производственные затраты, что позволяет осуществлять крупномасштабное серийное развертывание и широкое применение.
• Сильный динамический отклик Поддерживает высокочастотный вывод данных, чувствительно фиксируя быстрые изменения ориентации, частые ускорения и замедления, а также резкие повороты носителей, что подходит для гражданских сценариев движения с высокой динамикой.
• Отличная адаптивность к сценариям Интегрирует промышленную устойчивость к вибрации, ударопрочность и технологию калибровки в широком диапазоне температур, стабильно адаптируясь к сложным условиям работы, таким как вибрация транспортных средств, турбулентность ветра и неровности грунта.
• Гибкая совместимость слияния Легко совместима с GNSS, лидаром, визуальным SLAM, одометром и другими стандартными модулями позиционирования, поддерживая индивидуальные решения слияния для различных сценариев применения.

4. Различия между MEMS и FOG интегрированной навигацией

MEMS интегрированная навигация и волоконно-оптическая (FOG) интегрированная навигация формируют полностью комплементарную матрицу высоко- и низкоуровневых продуктов в индустрии инерциальной навигации. Технология MEMS основана на микроэлектромеханических чиповых структурах, отличающихся низкой стоимостью, миниатюрностью и преимуществами массового производства, но с ограниченной возможностью подавления дрейфа в долгосрочной перспективе, что подходит для гражданских и промышленных сценариев средней и низкой точности.

Волоконно-оптическая инерциальная навигация FOG использует твердотельную оптическую сенсорную структуру с ультранизким дрейфом и сверхвысокой долгосрочной стабильностью, но имеет больший объем и более высокую стоимость, обслуживая в основном высокоточные сценарии, такие как аэрокосмическая техника, глубоководное оборудование и высокоточная геодезия и картография. MEMS интегрированная навигация заполняет рыночный пробел универсальной высоконадежной инерциальной навигации и является основной базовой технологией для быстрого развития мировой низковысотной экономики и промышленного интеллектуального производства.

5. Основные сценарии применения

• Гражданские и промышленные БПЛА Широко используется в инспекции электросетей, аэрофотосъемке, логистике, защите сельскохозяйственных культур и дронах для экстренного реагирования, обеспечивая стабильное управление ориентацией и непрерывные навигационные данные для сложных сценариев полета.
• Интеллектуальное вождение и мобильные роботы Обслуживает низкоскоростные автономные транспортные средства, патрульные машины на территории кампусов, уборочные машины, внутренние AGV и AMR роботы, решая проблемы прерывания позиционирования в сценариях, где GNSS недоступен.
• Промышленное интеллектуальное оборудование Применяется для мониторинга ориентации строительной техники, стабилизации интеллектуальных гироскопических систем, портативного геодезического и картографического оборудования, реализуя коррекцию ориентации в реальном времени и мониторинг состояния движения.
• Оборудование для низковысотной экономики Охватывает различные малые и средние беспилотные носители, обеспечивая надежную поддержку инерциальной навигации для городского низковысотного транспорта и интеллектуального терминального оборудования.

6. Техническое резюме

Являясь наиболее распространенным и универсальным решением инерциальной навигации в промышленных и гражданских областях, MEMS инерциальная интегрированная навигационная система идеально сбалансирована по производительности, объему, энергопотреблению и стоимости. Благодаря технологии слияния данных с нескольких датчиков она компенсирует присущий дефект дрейфа одиночной MEMS инерциальной навигации, обеспечивая стабильное, непрерывное и высокоточное восприятие навигации и ориентации. Это основная базовая сенсорная технология для интеллектуального беспилотного оборудования, промышленной автоматизации и индустриализации низковысотной экономики, а также поддержка крупномасштабного коммерческого применения глобального интеллектуального терминального оборудования.