หลักการและการใช้งาน

1. บทนำ

ระบบนำทางเฉื่อยแบบ MEMS เป็นโซลูชันการนำทางแบบอัตโนมัติขนาดเล็ก ใช้พลังงานต่ำ และคุ้มค่า โดยอาศัยเซ็นเซอร์เฉื่อยแบบ Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) ระบบนี้มีศูนย์กลางอยู่ที่ไจโรสโคป MEMS และมาตรความเร่งประสิทธิภาพสูง โดยรวมข้อมูลตำแหน่งจากหลายแหล่งเพื่อให้ได้การคำนวณทัศนคติแบบเรียลไทม์ การคำนวณความเร็ว และการส่งออกตำแหน่งอย่างต่อเนื่อง แตกต่างจากการนำทางเฉื่อยแบบใยแก้วนำแสงที่มีความแม่นยำสูงซึ่งปรับแต่งมาสำหรับสถานการณ์การบินและอวกาศและทางทะเลระดับสูงสุด การนำทางแบบบูรณาการ MEMS มุ่งเน้นที่น้ำหนักเบา ขนาดเล็ก และความสามารถในการขยายขนาดจำนวนมาก ครอบคลุมสถานการณ์การนำทางอัจฉริยะส่วนใหญ่ในภาคพลเรือนและอุตสาหกรรม

การนำทางเฉื่อย MEMS แบบเพียวจะเกิดการลอยตัวสะสมเล็กน้อยระหว่างการทำงานระยะยาวเนื่องจากลักษณะโดยธรรมชาติของโครงสร้างไมโครกลไก เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ระบบจึงใช้กลไกการหลอมรวมเซ็นเซอร์หลายตัว โดยรวมข้อมูลการวัดเฉื่อย MEMS เข้ากับ GNSS, visual SLAM, lidar, มาตรวัดระยะทางล้อ และแหล่งตำแหน่งเสริมอื่นๆ อย่างแน่นหนา ระบบนี้สร้างสมดุลที่สมบูรณ์แบบระหว่างข้อได้เปรียบด้านฮาร์ดแวร์ต้นทุนต่ำและประสิทธิภาพการนำทางที่มีความเสถียรสูง กลายเป็นเทคโนโลยีการนำทางเฉื่อยที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในเศรษฐกิจระดับต่ำและอุปกรณ์อัจฉริยะในภาคอุตสาหกรรม

2. หลักการทำงานหลัก

2.1 กลไกการตรวจจับหน่วยเฉื่อย MEMS

ส่วนประกอบการตรวจจับหลักของระบบคือ IMU MEMS ที่มีความเสถียรสูง ซึ่งรวมไจโรสโคปสามแกนและมาตรความเร่งสามแกนขนาดเล็กไว้บนชิปเดียว ไจโรสโคป MEMS ตรวจจับความเร็วเชิงมุมแบบเรียลไทม์ของการหมุนของพาหะ (การเอียง การเงย การหัน) ในขณะที่มาตรความเร่ง MEMS ตรวจจับความเร่งเชิงเส้นและการเปลี่ยนแปลงความเร่งโน้มถ่วงได้อย่างแม่นยำระหว่างการเคลื่อนที่ของพาหะ

ผ่านอัลกอริทึมการคำนวณเฉื่อยแบบเรียลไทม์ หน่วยจะส่งออกมุมทัศนคติ ความเร็วเชิงมุม ความเร่งการเคลื่อนที่ และข้อมูลเฉื่อยต้นฉบับที่มีความถี่สูงได้อย่างอิสระ สามารถติดตามสถานะการเคลื่อนที่แบบไดนามิกของพาหะได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องพึ่งพาสัญญาณภายนอกใดๆ ทำให้เกิดการรับรู้ทัศนคติและการคำนวณระยะทางแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ

2.2 การหลอมรวมเซ็นเซอร์หลายตัวและการระงับการลอยตัว

ระบบนำทางแบบบูรณาการ MEMS ใช้การกรองแบบ Kalman แบบปรับตัวที่ปรับให้เหมาะสมและอัลกอริทึมการหลอมรวมอัจฉริยะเพื่อหลอมรวมข้อมูลเฉื่อยกับข้อมูลตำแหน่งภายนอก ระบบทำงานในสองโหมดการทำงานหลักเพื่อให้แน่ใจว่ามีการส่งออกที่เสถียรในทุกสถานการณ์

ในสภาพแวดล้อมที่เปิดโล่งซึ่งมีสัญญาณ GNSS ที่เสถียร ข้อมูลตำแหน่งดาวเทียมจะปรับเทียบและระงับการลอยตัวสะสมระยะยาวของเซ็นเซอร์เฉื่อย MEMS แก้ไขข้อผิดพลาดของทัศนคติและตำแหน่งเล็กน้อยแบบเรียลไทม์เพื่อรักษาผลลัพธ์ตำแหน่งสัมบูรณ์ที่มีความแม่นยำสูง ในสถานการณ์ที่ไม่มี GNSS หรือมีการรบกวนสัญญาณ เช่น ในเมือง อุโมงค์ ป่าทึบ และโรงงานในร่ม หน่วยเฉื่อย MEMS จะรับผิดชอบการคำนวณระยะทางที่มีความแม่นยำสูงในระยะสั้นอย่างอิสระ เติมเต็มช่องว่างตำแหน่งได้อย่างราบรื่นและรับประกันการนำทางและการส่งออกทัศนคติอย่างต่อเนื่อง โหมดการหลอมรวมนี้ทำให้เกิดการลอยตัวต่ำในการทำงานระยะยาว การหยุดชะงักเป็นศูนย์ในสถานการณ์ที่ซับซ้อนในระยะสั้น.

3. ข้อได้เปรียบหลักของการนำทางแบบบูรณาการ MEMS

• ขนาดเล็กและน้ำหนักเบา ใช้การออกแบบระดับชิปที่รวมเข้าด้วยกันสูง มีขนาดเล็กมากและน้ำหนักเบามาก สามารถฝังในห้องโดยสารอุปกรณ์ที่แคบ ปรับให้เข้ากับข้อจำกัดด้านน้ำหนักและพื้นที่ที่เข้มงวดของอุปกรณ์อัจฉริยะขนาดเล็กและขนาดกลางได้อย่างสมบูรณ์แบบ
• ใช้พลังงานต่ำและประสิทธิภาพต้นทุนสูง เมื่อเทียบกับระบบนำทางเฉื่อยแบบใยแก้วนำแสงและเลเซอร์ โซลูชัน MEMS มีการใช้พลังงานต่ำกว่าและต้นทุนการผลิตต่ำกว่า รองรับการใช้งานจำนวนมากและการใช้งานที่แพร่หลาย
• การตอบสนองแบบไดนามิกที่แข็งแกร่ง รองรับการส่งออกข้อมูลความถี่สูง ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงทัศนคติอย่างรวดเร็ว การเร่งและลดความเร็วบ่อยครั้ง และการเคลื่อนที่แบบหักเลี้ยวที่เฉียบคมของพาหะได้อย่างไว เหมาะสำหรับสถานการณ์การเคลื่อนที่ของพลเรือนที่มีพลวัตสูง
• ความสามารถในการปรับตัวเข้ากับสถานการณ์ที่ยอดเยี่ยม รวมเทคโนโลยีการต้านทานการสั่นสะเทือนระดับอุตสาหกรรม การต้านทานแรงกระแทก และการปรับเทียบอุณหภูมิที่กว้าง ปรับให้เข้ากับสภาพการทำงานที่ซับซ้อน เช่น การสั่นสะเทือนของยานพาหนะ ลมปั่นป่วน และการกระแทกพื้นได้อย่างเสถียร
• ความเข้ากันได้ของการหลอมรวมที่ยืดหยุ่นเข้ากันได้ง่ายกับ GNSS, lidar, visual SLAM, มาตรวัดระยะทาง และโมดูลตำแหน่งหลักอื่นๆ รองรับโซลูชันการหลอมรวมที่ปรับแต่งได้สำหรับสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน

4. ความแตกต่างระหว่างการนำทางแบบบูรณาการ MEMS และ FOG

การนำทางแบบบูรณาการ MEMS และการนำทางแบบบูรณาการใยแก้วนำแสง (FOG) สร้างเมทริกซ์ผลิตภัณฑ์ระดับสูง-ต่ำที่สมบูรณ์แบบในอุตสาหกรรมการนำทางเฉื่อย เทคโนโลยี MEMS อาศัยโครงสร้างชิปไมโครอิเล็กโตร-กลไก มีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนต่ำ ขนาดเล็ก และการผลิตจำนวนมาก แต่มีความสามารถในการระงับการลอยตัวระยะยาวที่จำกัด เหมาะสำหรับสถานการณ์พลเรือนและอุตสาหกรรมที่มีความแม่นยำปานกลางและต่ำ

การนำทางเฉื่อยใยแก้วนำแสง FOG ใช้โครงสร้างการตรวจจับแสงแบบโซลิดสเตต มีการลอยตัวต่ำมากและมีความเสถียรระยะยาวสูงมาก แต่มีปริมาตรใหญ่กว่าและต้นทุนสูงกว่า โดยส่วนใหญ่ให้บริการในสถานการณ์ความแม่นยำสูง เช่น การบินและอวกาศ อุปกรณ์ทะเลลึก และการสำรวจและทำแผนที่ระดับสูง การนำทางแบบบูรณาการ MEMS เติมเต็มช่องว่างทางการตลาดของการนำทางเฉื่อยที่เชื่อถือได้ทั่วไป และเป็นเทคโนโลยีพื้นฐานหลักสำหรับการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเศรษฐกิจระดับต่ำทั่วโลกและการผลิตอัจฉริยะในภาคอุตสาหกรรม

5. สถานการณ์การใช้งานหลัก

• โดรนพลเรือนและอุตสาหกรรมใช้กันอย่างแพร่หลายในการตรวจสอบพลังงาน การสำรวจทางอากาศ การกระจายสินค้า การป้องกันพืชผลทางการเกษตร และโดรนกู้ภัยฉุกเฉิน ให้การควบคุมทัศนคติที่เสถียรและข้อมูลการนำทางอย่างต่อเนื่องสำหรับสถานการณ์การบินที่ซับซ้อน
• การขับขี่อัจฉริยะและหุ่นยนต์เคลื่อนที่ให้บริการยานพาหนะอัตโนมัติความเร็วต่ำ รถลาดตระเวนในมหาวิทยาลัย รถเก็บขยะ หุ่นยนต์ AGV และ AMR ในร่ม แก้ไขปัญหาการหยุดชะงักของตำแหน่งในสถานการณ์ที่ไม่มี GNSS
• อุปกรณ์อัจฉริยะในภาคอุตสาหกรรมนำไปใช้กับการตรวจสอบทัศนคติของเครื่องจักรกล การรักษาเสถียรภาพของ Gimbal อัจฉริยะ อุปกรณ์สำรวจและทำแผนที่แบบพกพา ทำให้เกิดการแก้ไขทัศนคติแบบเรียลไทม์และการตรวจสอบสถานะการเคลื่อนที่
• อุปกรณ์เศรษฐกิจระดับต่ำครอบคลุมพาหะขนาดเล็กและขนาดกลางต่างๆ ให้การสนับสนุนการนำทางเฉื่อยที่เชื่อถือได้สำหรับการขนส่งระดับต่ำในเมืองและอุปกรณ์ปลายทางอัจฉริยะ

6. สรุปทางเทคนิค

ในฐานะโซลูชันการนำทางเฉื่อยที่แพร่หลายและหลากหลายที่สุดในภาคอุตสาหกรรมและพลเรือน ระบบนำทางเฉื่อยแบบบูรณาการ MEMS สร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ปริมาตร การใช้พลังงาน และต้นทุนได้อย่างสมบูรณ์แบบ ด้วยเทคโนโลยีการหลอมรวมเซ็นเซอร์หลายตัว ระบบนี้จึงชดเชยข้อบกพร่องของการลอยตัวโดยธรรมชาติของการนำทางเฉื่อย MEMS แบบเดี่ยว ทำให้เกิดการรับรู้การนำทางและทัศนคติที่เสถียร ต่อเนื่อง และมีความแม่นยำสูง เป็นเทคโนโลยีการตรวจจับพื้นฐานหลักสำหรับอุปกรณ์ไร้คนขับอัจฉริยะ ระบบอัตโนมัติในภาคอุตสาหกรรม และการทำให้เศรษฐกิจระดับต่ำเป็นอุตสาหกรรม และสนับสนุนการใช้งานเชิงพาณิชย์จำนวนมากของอุปกรณ์ปลายทางอัจฉริยะทั่วโลก