مع أكثر من 15 عامًا من الخبرة في العمل في مجال الملاحة بالقصور الذاتي، أدرك مدى صعوبة اختيار المستشعر المناسب لتطبيقك. في هذه المقالة، سأرشدك خلال كل ما تحتاج لمعرفته حول وحدات MEMS IMU - ما هي، وكيفية عملها، وسبب أهميتها للتنقل الدقيق في تقنيات اليوم.
تجمع وحدة قياس القصور الذاتي للنظام الكهروميكانيكي الصغير (MEMS IMU) بين مقاييس التسارع والجيروسكوبات وأحيانًا مقاييس المغناطيسية في جهاز واحد لقياس الحركة والاتجاه. توفر هذه الوحدات الصغيرة والقوية بيانات مهمة في عدد لا يحصى من التطبيقات، بدءًا من الطائرات بدون طيار وحتى الروبوتات الصناعية، مما يجعلها لا غنى عنها للشركات التي تهدف إلى دمج الملاحة والتحكم الدقيق في أنظمتها.
تابع القراءة بينما أقوم بتفصيل العناصر الأساسية لوحدات MEMS IMU وكيف يمكنها تحسين مشاريعك.
جدول المحتويات
كيف تعمل MEMS IMU؟
تعمل وحدة MEMS IMU باستخدام مكونات ميكانيكية صغيرة لقياس كل من التسارع والحركة الدورانية. تخيل هذا: أنت تحمل هاتفك الذكي، وعندما تقوم بإمالته، تدور الشاشة تلقائيًا. وذلك بفضل وحدة MEMS IMU الموجودة داخل هاتفك. ويكتشف كيفية تحرك الجهاز عبر الفضاء باستخدام مقاييس التسارع ، التي تقيس الحركة الخطية، والجيروسكوبات ، التي تتتبع الدوران. يتيح الجمع بين هذين النوعين من المستشعرات للجهاز مراقبة اتجاهه وموضعه في الوقت الفعلي.
في بعض الحالات، تشتمل وحدات MEMS IMU أيضًا على مقياس المغناطيسية ، الذي يقيس المجال المغناطيسي للأرض لتحديد الاتجاه. وهذا مفيد بشكل خاص في التطبيقات التي تتطلب التوجه بالنسبة إلى أقطاب الأرض، مثل البوصلات أو أنظمة الملاحة.
عندما تعمل كل هذه العناصر معًا، فإنها تخلق صورة متماسكة لكيفية تحرك الجسم، سواء كان ذلك طائرة بدون طيار تحلق في الهواء أو روبوتًا يتنقل على أرضية المصنع.
ما هي المكونات الرئيسية لـ MEMS IMU؟
عندما نقوم بتفكيك وحدة IMU MEMS، فإننا ننظر بشكل أساسي إلى ثلاثة مكونات أساسية:
- مقياس التسارع - يقيس هذا المستشعر التغيرات في السرعة. يمكنه اكتشاف التسارع الخطي، مما يساعد في تحديد مدى سرعة تحرك الجسم في اتجاه معين.
- الجيروسكوب – يقيس الجيروسكوب سرعة الدوران، مما يعني أنه يخبرك بمدى سرعة دوران الجسم حول محوره. يعد هذا أمرًا حيويًا للتطبيقات التي يكون فيها فهم الاتجاه أمرًا أساسيًا، مثل تثبيت الطائرات بدون طيار أو الحفاظ على ثبات الكاميرا.
- مقياس المغناطيسية (اختياري) - يتتبع هذا المستشعر المجالات المغناطيسية، والتي تُستخدم غالبًا للعثور على الشمال الحقيقي. إنها مفيدة بشكل خاص في أنظمة الملاحة، حيث تعد معرفة اتجاهك بالنسبة للمجال المغناطيسي للأرض أمرًا ضروريًا.
يلعب كل من هذه المستشعرات دورًا حاسمًا في إعطاء قياس دقيق للحركة، وعندما يتم دمجها في نظام واحد مثل IMU، فإنها تعمل معًا لتوفير بيانات الحركة الشاملة.
على سبيل المثال، في الطائرة بدون طيار ، قد يخبر مقياس التسارع النظام أن الطائرة بدون طيار تتسارع للأمام، بينما يقيس الجيروسكوب مدى انحدارها لأعلى. ومن خلال هذه البيانات، يمكن للطائرة بدون طيار ضبط دواراتها لتحقيق الاستقرار في مسار طيرانها.
هل يمكن استخدام وحدات MEMS IMU في تطبيقات الدفاع؟
قطعاً. إن وحدات IMU للأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة ليست مخصصة للاستخدام التجاري فحسب، بل إنها تتمتع بقيمة كبيرة في التطبيقات الدفاعية أيضًا. في حين أن أجهزة IMU التقليدية ذات الجودة العسكرية تعتمد غالبًا على تقنيات أكثر تكلفة مثل FOGs (جيروسكوبات الألياف الضوئية) أو RLGs (جيروسكوبات الليزر الحلقية)، فإن التقدم في تكنولوجيا MEMS جعل هذه المستشعرات جذابة بشكل متزايد للتطبيقات الدفاعية.
واحدة من أكبر مزايا استخدام وحدات MEMS IMU في الدفاع هي حجمها الصغير واستهلاكها المنخفض للطاقة ، مما يجعلها مثالية للاستخدام في تطبيقات مثل:
- الصواريخ الموجهة : يمكن لوحدات MEMS IMU تتبع حركة الأسلحة الموجهة والتحكم فيها، مما يساعد على تحسين الدقة مع تقليل الوزن الإجمالي ومتطلبات الطاقة للنظام.
- المركبات الجوية بدون طيار (UAVs) : تستفيد الطائرات بدون طيار المستخدمة في الاستطلاع أو العمليات العسكرية الأخرى من وحدات MEMS IMU للملاحة والاستقرار، مما يضمن قدرتها على العمل بفعالية في البيئات الديناميكية.
- أنظمة تتبع الجنود : بالنسبة للجنود الراجلين، تساعد وحدات MEMS IMU في تتبع الحركة والتوجه، مما يتيح وعيًا أفضل بالموقف في ساحة المعركة.
في حين أن وحدات MEMS IMU قد لا تنافس بعد الدقة القصوى لأجهزة الاستشعار المتطورة في بعض التطبيقات الدفاعية الأكثر تطلبًا، إلا أن تحسيناتها السريعة وتعدد استخداماتها تجعلها ذات قيمة عالية في بعض حالات الاستخدام العسكري. بالإضافة إلى ذلك، تقنية MEMS الفعالة من حيث التكلفة لمؤسسات الدفاع بنشر أجهزة الاستشعار هذه في مجموعة واسعة من المعدات، بدءًا من الأجهزة المحمولة وحتى المركبات المتطورة.
ما مدى دقة MEMS IMU؟
أحد الأسئلة الرئيسية التي أطرحها غالبًا هو، ما مدى دقة وحدات IMU للأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة؟ والحقيقة هي أن الدقة تعتمد على عدة عوامل، بما في ذلك جودة أجهزة الاستشعار والمعايرة وكيفية معالجة النظام للبيانات الأولية.
تتميز وحدات IMUs للأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة بأنها دقيقة بشكل لا يصدق، ولكن لديها قيود، خاصة عند مقارنتها بأنواع أخرى من وحدات IMU، مثل جيروسكوبات الألياف الضوئية (FOGs). يمكن أن تتعرض الأنظمة المستندة إلى MEMS إلى الانحراف ، وهو فقدان تدريجي للدقة بمرور الوقت إذا لم يتم تصحيح البيانات أو تصفيتها. ومع ذلك، يمكن استخدام الخوارزميات المتقدمة، مثل تصفية كالمان ، للتخفيف من هذه الأخطاء، وضمان بقاء المخرجات موثوقة.
على الرغم من أنها قد لا تكون دقيقة مثل وحدات FOG IMUs في البيئات فائقة الدقة مثل الطيران أو الملاحة العسكرية، إلا أن شركات مثل GuideNav التي تقوم بتصنيع وحدات MEMS IMUs توفر دقة أكثر من كافية تنافس حتى جيروسكوبات الألياف الضوئية ذات المستوى المبتدئ ومتوسط المدى. (FOGs). بالإضافة إلى ذلك، فهي تأتي بجزء بسيط من التكلفة وبحجم أصغر بكثير، مما يجعلها مثالية للتطبيقات ذات المساحة المحدودة مثل الطائرات بدون طيار.
عند تصنيف وحدات IMUs للأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة، يتم تصنيفها عمومًا إلى أربع درجات رئيسية بناءً على عدم استقرار التحيز (التحيز الدوراني في درجة/ساعة) والدقة : درجة المستهلك ، والدرجة الصناعية ، والدرجة التكتيكية ، والدرجة الإستراتيجية . وفيما يلي تفصيل لهذه التصنيفات:
| MEMS IMU الصف | عدم استقرار التحيز النموذجي (الجيروسكوب، درجة/ساعة) | التطبيقات |
|---|---|---|
| درجة المستهلك | > 10°/ساعة | الهواتف الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية وأجهزة التحكم في الألعاب |
| الصف الصناعي | 1 درجة/ساعة إلى 10 درجة/ساعة | الطائرات بدون طيار والروبوتات وأنظمة السيارات |
| الصف التكتيكي | 0.1 درجة/ساعة إلى 1 درجة/ساعة | أنظمة الدفاع، الطائرات بدون طيار، الأدوات الصناعية الدقيقة |
| الصف الاستراتيجي | <0.01 درجة/ساعة | الفضاء الجوي والغواصات والملاحة على المستوى الاستراتيجي |
ما هي التطبيقات الشائعة لوحدات MEMS IMU؟
وحدات IMU للأنظمة MEMS موجودة في كل مكان، حتى لو لم تدرك ذلك. دعني أعطيك بعض الأمثلة:
- الطائرات بدون طيار والطائرات بدون طيار : تعد وحدات MEMS IMU في قلب أنظمة تثبيت الطيران، مما يضمن قدرة الطائرات بدون طيار على الحفاظ على مستوى الطيران حتى في الظروف المضطربة. إنهم مسؤولون عن تتبع تحركات الطائرة بدون طيار وإعادة تلك البيانات إلى نظام التحكم لإجراء تعديلات دقيقة في الوقت الفعلي.
- الهواتف الذكية : كما ذكرت سابقًا، فإن وحدات MEMS IMU هي التي تسمح لهاتفك بالتبديل من الوضع الرأسي إلى الوضع الأفقي عند إمالته. ولكن أبعد من ذلك، يتم استخدامها أيضًا في تطبيقات الواقع المعزز (AR) لاكتشاف كيفية تحريك هاتفك عبر الفضاء.
- الروبوتات : في البيئات الصناعية، تُستخدم وحدات MEMS IMU لمساعدة الروبوتات على التنقل في بيئتها، وتجنب العوائق وتحديد موضعها بدقة للقيام بمهام مثل التجميع أو التعامل مع المواد.
- الأجهزة القابلة للارتداء : تستخدم أجهزة تتبع اللياقة البدنية وحدات MEMS IMU لمراقبة مستويات نشاطك، وتتبع عدد الخطوات التي اتخذتها، ومدى سرعة الجري، أو حتى مدى جودة نومك من خلال اكتشاف تحركاتك طوال النهار والليل.
- المركبات ذاتية القيادة : بالنسبة للسيارات ذاتية القيادة، تلعب وحدات MEMS IMU دورًا حاسمًا في مساعدة السيارة على فهم موقعها وحركتها، خاصة عند دمجها مع أجهزة استشعار أخرى مثل GPS وLIDAR.
باختصار، تعد وحدات MEMS IMU جزءًا لا يتجزأ من العديد من التقنيات التي تشكل عالمنا الحديث، بدءًا من الأدوات التي نحملها في جيوبنا إلى الأنظمة الصناعية التي تدعم التصنيع.
ما هو الفرق بين MEMS IMUs وFOG IMUs؟
غالبًا ما يتم سؤالي عن الاختلافات بين وحدات MEMS IMUs وجيروسكوبات الألياف الضوئية (FOGs)، ويتعلق الأمر حقًا بالمفاضلة بين الحجم والتكلفة والدقة .
وحدات MEMS IMU بأنها مدمجة وخفيفة الوزن وغير مكلفة نسبيًا، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التجارية التي تتعلق بالمساحة والتكلفة. ومع ذلك، فإنها قد لا توفر الدقة الفائقة المطلوبة في بعض التطبيقات.
من ناحية أخرى، وحدات FOG IMU دقة عالية للغاية وغالبًا ما تستخدم في تطبيقات الفضاء والدفاع وغيرها من التطبيقات ذات المهام الحرجة. ويستخدمون تداخل الضوء لقياس الدوران، وهو أكثر دقة ولكنه أيضًا أكبر حجمًا وأكثر تكلفة.
لذا، إذا كان مشروعك يتطلب دقة بالغة ولديك الميزانية اللازمة لذلك، فقد تكون وحدة FOG IMU هي الخيار الأفضل. ولكن بالنسبة لمعظم التطبيقات التجارية، تحقق وحدات IMUs MEMS التوازن الصحيح بين الأداء والتكلفة.
| ميزة | MEMS IMU | الضباب IMU |
|---|---|---|
| تكنولوجيا | تستخدم الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) مكونات ميكانيكية مصغرة. | يستخدم جيروسكوب الألياف الضوئية (FOG) تداخل الضوء في الألياف الضوئية للقياس. |
| الحجم والوزن | أصغر حجمًا وأخف وزنًا، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات ذات المساحة المحدودة مثل الطائرات بدون طيار والأجهزة المحمولة. | أكبر وأثقل بسبب استخدام الألياف الضوئية، وأكثر ملاءمة للتطبيقات الفضائية أو الصناعية. |
| يكلف | منخفضة التكلفة، ومتوفرة على نطاق واسع في الأسواق الاستهلاكية والصناعية. | ارتفاع التكلفة بسبب التكنولوجيا المتقدمة وعملية التصنيع الأكثر تعقيدًا. |
| دقة | دقة جيدة للتطبيقات العامة، ولكن الانحراف بمرور الوقت يمكن أن يكون كبيرًا في البيئات عالية الدقة. | دقة عالية للغاية مع انحراف منخفض للغاية، مما يجعلها مثالية لتطبيقات الملاحة والفضاء. |
| استهلاك الطاقة | استهلاك منخفض للطاقة، مناسب للأجهزة التي تعمل بالبطارية. | استهلاك أعلى للطاقة بسبب المكونات البصرية، وهو أكثر ملاءمة للأنظمة ذات موارد الطاقة المتاحة. |
| متانة | بشكل عام، أكثر مقاومة للصدمات والاهتزازات، وغالبًا ما تستخدم في البيئات الوعرة. | هشة بالمقارنة مع MEMS؛ يتطلب معالجة دقيقة وغالبًا ما يتم تثبيته في بيئات يتم التحكم فيها بالاهتزاز. |
| التطبيقات | الإلكترونيات الاستهلاكية، والطائرات بدون طيار، والسيارات، والأجهزة القابلة للارتداء، والدفاع، والاستخدامات الصناعية العامة. | الفضاء الجوي والدفاع والغواصات وأنظمة الملاحة عالية الدقة. |
كيف يمكنك اختيار MEMS IMU المناسب لمشروعك؟
يعتمد اختيار MEMS IMU المناسب على عدة عوامل:
- متطلبات الدقة : على سبيل المثال، إذا كنت تعمل على طائرة بدون طيار تحتاج إلى الحفاظ على التحكم الدقيق في الطيران في الظروف المضطربة، فستحتاج إلى وحدة IMU ذات انحراف منخفض ودقة عالية.
- قيود الحجم : تتطلب بعض المشاريع، مثل الأجهزة القابلة للارتداء أو الطائرات بدون طيار المدمجة، أن تكون وحدة IMU صغيرة وخفيفة الوزن قدر الإمكان.
- التحمل البيئي : إذا كان مشروعك يتضمن بيئات قاسية، مثل الحرارة العالية أو الاهتزاز أو الرطوبة، فستحتاج إلى اختيار وحدة MEMS IMU التي يمكنها تحمل هذه الظروف دون فقدان الدقة.
- الميزانية : تأتي وحدات IMU للأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة في مجموعة واسعة من نقاط السعر، وعادةً ما توفر النماذج الأكثر تكلفة أداءً أفضل. من الضروري تحقيق التوازن بين ميزانية مشروعك ومستوى الدقة الذي تحتاجه.
- استهلاك الطاقة : في الأجهزة التي تعمل بالبطاريات، مثل الأجهزة القابلة للارتداء أو الطائرات بدون طيار، ستحتاج إلى وحدة IMU تستهلك الحد الأدنى من الطاقة لتمديد وقت تشغيل الجهاز.
كيف يمكن لـ GuideNav المساعدة؟
في GuideNav ، نحن متخصصون في تصنيع وحدات IMU عالية الدقة ، حيث وحدات MEMS IMU بجيروسكوبات الألياف الضوئية ذات المستوى المبتدئ وحتى متوسطة المدى . كما نقدم أيضًا حلولاً مخصصة بناءً على متطلبات التطبيق المحددة الخاصة بك، مما يضمن حصولك على أفضل ملاءمة لمشروعك.
إذا كنت في السوق للحصول على IMU المناسب، فأنا أشجعك على التواصل معنا . نحن جاهزون ومجهزون لمساعدتك في العثور على الحل الأمثل. سواء كان مشروعك يتضمن الدفاع أو الأنظمة الذاتية أو التطبيقات الصناعية، فنحن هنا لخدمتك.
