MEMS IMU รองรับการนําทางของหุ่นยนต์ใต้น้ําโดยไม่ต้องใช้ GPS

หุ่นยนต์ใต้น้ําที่ใช้ตัวเองได้ปรากฏขึ้นเป็นอุปกรณ์สําคัญสําหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ทางทะเล การพัฒนาพลังงานในทะเลและภารกิจป้องกันใต้ทะเลไม่เหมือนกับยานบินและยานบินที่ไม่มีผู้ขับเคลื่อนบนพื้นดิน ระบบหุ่นยนต์ใต้น้ําทํางานในสภาพแวดล้อมทางทะเลที่พิเศษ ที่สัญญาณ GPS, GNSS และสัญญาณการนําทางดาวเทียมอื่น ๆ ไม่สามารถเจาะน้ําทะเลได้การปิดสัญญาณนี้ สร้างอุปสรรคทางเทคนิคหลักสําหรับหุ่นยนต์ทางทะเล: การบรรลุการนําทางอย่างต่อเนื่อง, เสถียร, และแม่นยําสูง โดยไม่ต้องสนับสนุนการตั้งตําแหน่งดาวเทียมภายนอก

ในฐานะทางแก้ปัญหา GPS ที่ไม่เชื่อถือได้หน่วยวัดความอ่อนแอ MEMS (MEMS IMU)ได้กลายเป็นส่วนประกอบการตรวจจับหลักของระบบนําทางใต้น้ําที่ทันสมัย โดยการติดตามในเวลาจริงของความเร็วมุมสามมิติและความเร่งเส้นMEMS IMU ทําให้หุ่นยนต์ใต้น้ําสามารถแก้ปัญหา, ความเร็วและตําแหน่งข้อมูลเป็นอิสระ รวมไปถึงการผสมผสานเซนเซอร์และการนําทางอัลกอริทึมเทคโนโลยีที่成熟การแก้ไขทางเดินทางที่คุ้มค่าสําหรับ AUVs, ROVs และยานยนต์ใต้น้ําที่ไม่มีคนขับ

การเดินเรือใต้น้ําซับซ้อนกว่าการเดินเรือทางแผ่นดินและทางอากาศ เนื่องจากข้อจํากัดทางสภาพแวดล้อมทางทะเลปิดการตั้งตําแหน่ง GPS/GNSS แบบปกติเมื่อยานดําน้ําดําน้ํานอกจากนี้หุ่นยนต์ใต้น้ําต้องรับมือกับการเปลี่ยนแปลงกระแสน้ําทะเลอย่างต่อเนื่อง ความเห็นใต้น้ําต่ํา ความดันน้ําที่เปลี่ยนแปลง และการไม่มีจุดหมายภูมิศาสตร์ที่ตั้ง

สําหรับรถยนต์ใต้น้ําที่ใช้ตัวเอง (AUV)และเครื่องขนส่งที่ควบคุมทางไกล (ROVs)การควบคุมมุมโค้ท ความลึกในการดําน้ํา และตําแหน่งในเวลาจริง เป็นหลักการในการดําเนินภารกิจพื้นฐานรวมถึงการสร้างแผนภูมิพื้นทะเล การตรวจสอบโครงสร้างใต้ทะเลและการรวบรวมข้อมูลสิ่งแวดล้อมทะเล. ความผิดพลาดการนําทางสะสมเล็ก ๆ น้อย ๆ จะลดความแม่นยําของข้อมูลการตรวจจับโดยตรง ยืดระยะเวลาภารกิจ และแม้กระทั่งทําให้การตั้งตําแหน่งยานพาหนะหันเหินและการฟื้นฟูใต้น้ําล้มเหลว

MEMS IMU ผสมผสานจิโรสโกป MEMS ขนาดเล็กและเครื่องวัดความเร็วความแม่นยําสูงเข้ากับเซ็นเซอร์แบบจําแนกขนาดเล็กเซ็นเซอร์สองอย่างต่อเนื่องรับข้อมูลความเร็วมุมหมุนสามแกนและเร่งเส้น, ส่งข้อมูลการตรวจจับการเคลื่อนไหวทุกมิติที่จําเป็นสําหรับการแก้ไขการนําทางแบบอินเนอร์เซียล

ระหว่างการทํางานใต้น้ํา MEMS IMU ออกข้อมูลการเคลื่อนไหวในเวลาจริงไปยังโปรเซสเซอร์การนําทางบนเรือระบบจะแก้ไขโดยอิสระมุมการตั้งท่าของหุ่นยนต์ใต้น้ํา, pitch, yaw), ความเร็วการแล่น, และตําแหน่งในเวลาจริง กระบวนการนําทางทั้งหมดพึ่งพากับข้อมูลเซ็นเซอร์บนเครื่องโดยไม่ต้องการการช่วยเหลือสัญญาณภายนอกการนําทางต่อเนื่องตลอดเวลาในสภาพแวดล้อมใต้น้ําที่ GPS ไม่ยอมรับ.

ถึงแม้ว่าการนําทางโดยเฉพาะความอ่อนแอ จะทําให้เกิดความผิดพลาดเล็ก ๆ น้อย ๆ ด้วยเวลา แต่มันให้การประเมินการเคลื่อนไหวความถี่สูงอย่างต่อเนื่องซึ่งเป็นหลักการหลักในการดําเนินภารกิจการค้นหาและสํารวจใต้น้ําในระยะสั้นและกลาง.

เพื่อยับยั้งการเคลื่อนไหวของความอ่อนแอ และเพิ่มความมั่นคงในการตั้งตําแหน่งมากขึ้น ระบบการนําทางใต้น้ําที่ทันสมัยไม่ค่อยใช้ MEMS IMU อย่างอิสระการนําเทคโนโลยีฟิวชั่นหลายเซนเซอร์มาใช้เพื่อเสริมข้อดีของอุปกรณ์ตรวจจับที่แตกต่างกัน, ทําให้การเดินเรือใต้ทะเลมีความแม่นยําสูงและยาวนาน

การรวมเซ็นเซอร์ที่รองรับทั่วไปสําหรับการเดินเรือใต้น้ํา MEMS IMU:

• ล็อกความเร็วด็อปปเลอร์ (DVL)
• เครื่องตรวจความลึกและแรงดันแม่นยําสูง
• ระบบตั้งตําแหน่งเสียงใต้น้ํา (USBL / LBL)
• อุปกรณ์ซอนาร์หลายรังสีและซอนาร์การถ่ายภาพ
• กล้องถ่ายภาพภายใต้น้ํา

โดยใช้อัลกอริทึมฟิวชั่นที่ก้าวหน้าที่แสดงด้วย Filter Kalman Extended (EKF) ระบบฟิวชั่นข้อมูลความถี่ความถี่สูง IMU กับข้อมูลการแก้ไขความถี่ต่ําจาก DVL,และเซ็นเซอร์ความดันมันยับยั้งการเคลื่อนไหวของความอ่อนแอได้อย่างมีประสิทธิภาพ แก้ไขความผิดพลาดสะสมและทําให้หุ่นยนต์ใต้ทะเลสามารถรักษาตําแหน่งที่มั่นคงในระดับเซนติเมตรและระดับเดซิเมตร ระหว่างภารกิจใต้ทะเลรอบระยะยาว.

เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์อเนอร์เซียลทางออทคติกแบบดั้งเดิม เช่น ไจโรสโกปไฟเบอร์ออทติก (FOG) และ ไจโรสโกปเลเซอร์วงแหวน (RLG) MEMS IMU มีการบรรจุขนาดเล็กและน้ําหนักเบามากพวกมันปรับตัวอย่างสมบูรณ์แบบกับพื้นที่บรรทุกและติดตั้งที่จํากัดของหุ่นยนต์ใต้น้ําขนาดเล็กและขนาดกลาง, ตอบสนองความต้องการการออกแบบความเบาของอุปกรณ์ที่ไม่มีคนขับดําน้ําที่ทันสมัย

ความทนทานของแบตเตอรี่เป็นปัจจัยสําคัญที่จํากัดเวลาทํางานของหุ่นยนต์ใต้น้ําลดภาระพลังงานรวมของยานได้อย่างมีประสิทธิภาพมันปรับปรุงเวลาการทํางานต่อเนื่องของ AUVs และหุ่นยนต์ตรวจสอบได้อย่างสําคัญโดยไม่เพิ่มปริมาณแบตเตอรี่และน้ําหนัก

MEMS IMU ผลิตข้อมูลความถี่สูง รอลล์ พีช และอารมณ์อารมณ์ในเวลาจริง พวกเขาสามารถชําระค่าตอบแทนแบบไดนามิคสําหรับการขัดแย้งอารมณ์ที่เกิดจากกระแสทะเลและความวุ่นวายใต้น้ํา, รับประกันการควบคุมร่างกายที่มั่นคงและความแม่นยําของภารกิจที่สม่ําเสมอของหุ่นยนต์ใต้ทะเลในสภาพแวดล้อมทะเลที่ซับซ้อน

ขณะที่ยังคงมีผลงานการนําทางในระดับอุตสาหกรรมและท้องทะเล MEMS IMU มีค่าผลิตและค่าใช้จ่ายในการใช้งานที่ต่ํากว่ามากในระดับสูง FOG และ RLG ระบบเฉื่อยพวกเขาให้บริการแบบมาตรฐานและทางแก้ไขการนําทางที่น่าเชื่อถือ สําหรับการใช้หุ่นยนต์ใต้น้ําขนาดใหญ่ทางการค้าและอุตสาหกรรม.

โมดูล IMU MEMS ที่ทันสมัย มีอินเตอร์เฟซสื่อสารมาตรฐานที่หลากหลาย ซึ่งสามารถใช้กับเครื่องบินอัตโนมัติใต้น้ํา เครื่องควบคุมการนําทาง เครื่องตรวจจับโซนาร์และคอมพิวเตอร์อุตสาหกรรมทางทะเลมันลดความยากลําบากในการพัฒนารองและการบูรณาการระบบของอุปกรณ์การนําทางใต้น้ํา

เครื่องบินใต้น้ําที่ใช้ระบบ MEMS IMU สามารถทําการเคลื่อนไหวโดยอิสระ การวาดแผนภูมิพื้นทะเลและการรวบรวมปริมาตรไฮดรอโลจิกของมหาสมุทรในสภาพแวดล้อมทะเลลึกและทะเลเปิด โดยไม่มีสัญญาณ GPSการสนับสนุนการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ทางทะเล และการสํารวจทรัพยากรในมหาสมุทร

สถานการณ์การดําเนินงานและบํารุงรักษาสายการสื่อสารน้ํามัน ก๊าซ และสายการสื่อสารใต้ทะเลพึ่งพาหุ่นยนต์การนําทาง IMU MEMS เพื่อดําเนินการตรวจสอบประจําของสายท่อและเส้นทางสายการสื่อสารใต้ทะเลการตั้งตําแหน่งที่มั่นคง ให้ความคุ้มครองอย่างเต็มที่ การตรวจพบและแก้ปัญหาความบกพร่องของอุปกรณ์วิศวกรรมใต้น้ํา.

สําหรับการตรวจหาโครงสร้างใต้น้ําของท่าเรือ, มูลนิธิสะพาน, เขื่อน, และแพลตฟอร์มนอกทะเลการนําทางโดยอัตโนมัติ MEMS ทําให้หุ่นยนต์ทํางานได้อย่างมั่นคงในสภาพแวดล้อมที่มองเห็นน้อยและสนามการไหลที่ซับซ้อน, การหาข้อมูลการตรวจสอบความแม่นยําสูงเพื่อการประเมินความปลอดภัยของพื้นฐาน

หุ่นยนต์ติดตามใต้น้ํานําระบบ IMU MEMS ไปเดินตามเส้นทางคงที่ ทําให้สามารถติดตามระบบนิเวศปะการังคุณภาพน้ําทะเล และการเปลี่ยนแปลงทางสิ่งแวดล้อมในทะเลได้อย่างต่อเนื่องในระยะยาวให้การสนับสนุนข้อมูลที่แม่นยํา สําหรับการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมทางทะเล.

แพลตฟอร์มป้องกันและรักษาความปลอดภัยทางทะเลภายใต้น้ําใช้ MEMS การแก้ไขทางเดินทางอัตโนมัติเพื่อทําการสํารวจภายใต้น้ํา, การติดตามการลาดตระเวน, การกําจัดเหมืองและภารกิจเตือนเร็วในพื้นที่ทะเลที่ปฏิเสธ GPS, รับประกันการทํางานที่อิสระและน่าเชื่อถือของอุปกรณ์รักษาความปลอดภัยใต้ทะเล

ด้วยการปรับปรุงเทคโนโลยีการผลิตชิป MEMS อย่างต่อเนื่อง และการปรับปรุงอัลการอริทึมการนําทาง ระบบการนําทางในระบายน้ําในระยะยาวกําลังพัฒนาไปสู่ความแม่นยําสูงกว่าความมั่นคงที่แข็งแรงขึ้นและการบูรณาการที่ฉลาดมากขึ้น แนวทางการพัฒนาในอนาคตส่วนใหญ่ประกอบด้วย ความไม่เสถียรภาพการเบี้ยวต่ํากว่า การวัดความแม่นยําสูงสุดอัลกอริทึมการนําทางที่ได้รับการสนับสนุนจาก AI, ซันเซอร์หลากหลายแหล่ง การหลอมรวมลึก และการลดขนาดของโมดูล

การปรับปรุงทางเทคโนโลยีเหล่านี้จะสนับสนุนหุ่นยนต์ใต้น้ํา ในการดําเนินภารกิจใต้ทะเลที่มีระยะเวลานานกว่า ระยะทางไกลกว่า และซับซ้อนกว่าการลดความผิดพลาดทางการนําทางอย่างมีประสิทธิภาพ และการปรับปรุงความรู้และประสิทธิภาพในการปฏิบัติงานของอุปกรณ์เรือไร้คนขับ.

สัญญาณดาวเทียม GPS และ GNSS ใช้สัญญาณคลื่นรังสี ซึ่งไม่สามารถเจาะน้ําทะเลได้อย่างมีประสิทธิภาพสัญญาณการตั้งตําแหน่งดาวเทียมถูกปกปิดโดยสิ้นเชิง, ทําให้การนําทางโดยอัตโนมัติเป็นทางเลือกหลักสําหรับการตั้งตําแหน่งใต้น้ํา

MEMS IMU เป็นโมดูลการตรวจจับความอ่อนแอขนาดเล็กประกอบด้วยจิโรสโกป MEMS และเครื่องวัดความเร่งและความเร่งเส้นของตัวบรรทุก, ที่ให้ข้อมูลพื้นฐานสําหรับการแก้ไขการนําทาง inertial

ใช่ MEMS IMU สามารถทําการนําทางอย่างต่อเนื่องที่อิสระ โดยไม่ต้องพึ่งพาสัญญาณดาวเทียมภายนอก สําหรับภารกิจในทะเลลึกระยะยาว การรวม MEMS IMU กับ DVLการตั้งตําแหน่งเสียงใต้น้ํา และเซ็นเซอร์อื่นๆ สามารถยับยั้งการลอยลอยได้อย่างมีประสิทธิภาพ และบรรลุการนําทางระยะยาวที่มีความแม่นยําสูง.

ระบบความอ่อนแอทางออนไลน์ FOG และ RLG มีความแม่นยําสูงกว่า แต่มีขนาดใหญ่ น้ําหนักหนัก และมีราคาแพงมากและมีประสิทธิภาพในเรื่องค่าใช้จ่ายสูง, ตอบสนองความต้องการการนําทางของหุ่นยนต์ใต้น้ําส่วนใหญ่ของพาณิชย์, อุตสาหกรรมและการป้องกัน, ทําให้พวกเขาเป็นทางออกหลักสําหรับอุปกรณ์เรือไร้คน

MEMS IMU ใช้ได้อย่างกว้างขวางกับอุปกรณ์ที่ไม่มีคนขับเคลื่อนในใต้น้ําต่างๆ รวมถึงยานยนต์ใต้น้ําอิสระ (AUVs) ยานยนต์ที่ควบคุมทางไกล (ROVs) หุ่นยนต์ตรวจสอบใต้ทะเลแพลตฟอร์มสํารวจทะเลและระบบป้องกันใต้น้ํา

การแก้ไขที่ดีที่สุดคือ การผสมผสานหลายเซนเซอร์: ใช้ข้อมูลความอ่อนแอของ MEMS IMU เป็นแกนหลัก และข้อมูลการแก้ไขเซนเซอร์จากเครื่องวัดความเร็ว DVL ระบบตั้งตําแหน่งเสียงใต้น้ํา เครื่องตรวจความลึกแรงดันและอุปกรณ์โซนาร์รวมกับ EKF และอัลกอริทึมฟิวชั่นที่ฉลาดอื่นๆ เพื่อให้ความมั่นคงและความแม่นยําในการนําทางในระยะยาวสูงสุด

MEMS IMU กลายเป็นอุปกรณ์การตรวจจับหลักที่จําเป็นสําหรับการนําทางหุ่นยนต์ใต้น้ําที่ทันสมัยมันแก้ปัญหาด้านการตั้งตําแหน่ง ที่เกิดจากการสูญเสียสัญญาณ GPS ในสภาพแวดล้อมใต้น้ํา, ทําให้เกิดการเคลื่อนไหวที่อิสระตลอดเวลา, ต่อเนื่องและมั่นคงสําหรับยานยนต์ที่ไม่มีคนขับเคลื่อนใต้ทะเลและการบูรณาการง่าย, เทคโนโลยีการนําทางแบบอ่อนแอของ MEMS ถูกใช้อย่างแพร่หลายในวิจัยวิทยาศาสตร์ทางทะเล, วิศวกรรมนอกทะเล, การติดตามสิ่งแวดล้อม, และสาขาป้องกันใต้ทะเล

เนื่องจากเทคโนโลยีเรือไร้คนขับเคลื่อนยังคงพัฒนาอย่างรวดเร็ว การแก้ไขการนําทางที่ไม่มี GPS โดยใช้ MEMS IMU จะเพิ่มพลังให้กับอุปกรณ์ใต้น้ําที่ฉลาดและอิสระมีประสิทธิภาพมากขึ้นและการทํางานที่น่าเชื่อถือมากขึ้นในสภาพแวดล้อมทะเลที่ซับซ้อนและรุนแรง