يتوقع العديد من المهندسين أن توفر وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) مخرجات توجيه مستقرة ودقيقة، إلا أن تقديرات الوضع في الأنظمة الواقعية غالبًا ما تنحرف أو تتذبذب أو تتصرف بشكل غير متوقع أثناء الحركة الديناميكية. ينشأ هذا التباين عادةً من سوء فهم لما يمكن لأجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي قياسه فعليًا. تقيس مقاييس التسارع قوة محددة بدلًا من التوجيه، بينما تُخرج الجيروسكوبات سرعة زاوية بدلًا من الزاوية المطلقة. عندما تُعامل هذه الإشارات كقياسات زاوية مباشرة أو تُدمج دون افتراضات مناسبة، تتراكم أخطاء التقدير بسرعة. تكمن المشكلة الأساسية في أن التوجيه نفسه ليس كمية قابلة للملاحظة المباشرة. يجب استنتاجه من خلال النمذجة الرياضية والتكامل ودمج بيانات المستشعرات، مما يجعل تقدير الوضع مشكلة تصميم نظام وليس مجرد قراءة بيانات المستشعر.
لا تستطيع وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) قياس الزوايا مباشرةً لأن مستشعراتها ترصد كميات الحركة، لا الاتجاه نفسه. تقيس مقاييس التسارع القوة النوعية، وتقيس الجيروسكوبات السرعة الزاوية، ويجب استنتاج الاتجاه من خلال التكامل ودمج المستشعرات. يُعدّ الوضع متغير حالة مُعرّفًا بالنسبة إلى إطار مرجعي، مما يجعل التقدير - وليس القياس المباشر - أساسيًا لأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي.
لفهم سبب ضرورة حساب الاتجاه بدلاً من قياسه، من الضروري دراسة الحدود الفيزيائية لأجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي والطبيعة الرياضية للاتجاه نفسه. وهذا يفسر لماذا يُعد دمج البيانات الحسية أمراً لا مفر منه في الأنظمة العملية القائمة على وحدات القياس بالقصور الذاتي.
جدول المحتويات
ما هي القدرات الفيزيائية لوحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) على قياسه
وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) عبارة عن مجموعة متكاملة من أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي مرتبة على محاور متعامدة. في تكوينها القياسي، تتضمن ثلاثة مقاييس تسارع وثلاثة جيروسكوبات، بينما تتضمن الأنظمة الأكثر تطوراً مقاييس مغناطيسية لتوفير مرجع للاتجاه. وبغض النظر عن التكوين، يقيس كل مستشعر تأثيراً فيزيائياً موضعياً فقط يؤثر على جسم المستشعر.
من منظور القياس، تقتصر قراءات وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) على القوى ومعدلات الدوران. لا يمتلك أي مستشعر داخل وحدة القياس بالقصور الذاتي معرفةً جوهريةً بالاتجاه العام أو الأطر المرجعية. هذا القيد ليس عائقًا أمام الإلكترونيات الحديثة أو تصنيع الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، بل هو أساسي في فيزياء الاستشعار بالقصور الذاتي.
| نوع المستشعر | الكمية القابلة للملاحظة | لا يمكن الملاحظة المباشرة |
|---|---|---|
| مقياس التسارع | القوة النوعية (م/ث²) | التوجيه أو الدوران |
| جيروسكوب | السرعة الزاوية (°/ثانية، راديان/ثانية) | الزاوية المطلقة |
| مقياس المغناطيسية | متجه المجال المغناطيسي المحلي | اتجاه خالٍ من الاضطراب |
مقاييس التسارع: الجاذبية كمرجع توجيه مشروط
يُفترض عادةً أن مقاييس التسارع تقيس الميل مباشرةً، لكن هذا الافتراض لا يصح إلا في ظروف محددة. ففي البيئات الساكنة أو شبه الساكنة، تهيمن الجاذبية على خرج مقياس التسارع، مما يسمح باستنتاج الدوران والانحراف من إسقاط متجه الجاذبية على محاور المستشعر.
بمجرد إدخال الحركة الديناميكية، يقيس مقياس التسارع المجموع الاتجاهي للجاذبية والتسارع الخطي. عند هذه النقطة، تصبح الجاذبية غير قابلة للملاحظة بشكل فريد، ويصبح تحديد الاتجاه من بيانات مقياس التسارع غامضًا. يفسر هذا القيد سبب فشل تقدير الوضع باستخدام مقياس التسارع فقط في المركبات والطائرات بدون طيار والمنصات الروبوتية التي تخضع لحركة مستمرة.
من وجهة نظر هندسية، توفر مقاييس التسارع ما يلي:
- مرجع مطلق فقط عندما تكون الحركة محدودة
- لا توجد معلومات توجيه موثوقة في ظل الديناميكيات المستمرة
الجيروسكوبات: دقة ديناميكية عالية مع انحراف حتمي
تقيس الجيروسكوبات السرعة الزاوية، مما يجعلها ضرورية لرصد ديناميكيات الدوران السريعة. وعلى عكس مقاييس التسارع، فهي محصنة إلى حد كبير ضد التسارع الخطي، مما يسمح بتغيرات سلسة في وضعية المركبة حتى أثناء المناورات الحادة.
مع ذلك، فإن السرعة الزاوية لا تمثل الاتجاه. يتطلب حساب الزاوية تكاملاً زمنياً، وهذا التكامل يُضخّم حتماً الأخطاء منخفضة التردد. حتى الانحياز الطفيف أو الانحراف الناتج عن تغيرات درجة الحرارة يتراكم بمرور الوقت، مما يؤدي إلى انحراف تقديرات الاتجاه عن الواقع.
تشمل الخصائص الرئيسية لانتشار الوضعية باستخدام الجيروسكوب ما يلي:
- استقرار ممتاز على المدى القصير
- استجابة ديناميكية عالية النطاق الترددي
- الانحراف طويل الأمد بدون تصحيح خارجي
هذا السلوك متأصل في الرياضيات التكاملية، وليس عيبًا في الترشيح أو البرامج الثابتة.
التوجه كمتغير حالة، وليس كمقياس
على مستوى أعمق، لا يمكن قياس التوجيه بشكل مباشر لأنه ليس كمية فيزيائية كالقوة أو السرعة. يصف التوجيه العلاقة الهندسية بين أنظمة الإحداثيات، مما يجعله متغير حالة وليس قابلاً للملاحظة بواسطة المستشعر.
تعمل مستشعرات وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) حصريًا ضمن إطار الجسم. وبدون مرجع خارجي - كالجاذبية أو المجال المغناطيسي أو نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) أو الرؤية - لا يمكن تحديد الاتجاه المطلق. وحتى في حال وجود هذه المراجع، فإنها تكون جزئية وتعتمد على السياق، مما يؤكد الحاجة إلى التقدير بدلًا من الاستشعار المباشر.
لماذا يُعد دمج البيانات الحسية ضروريًا من الناحية الهيكلية؟
لا يوفر أي مستشعر قصور ذاتي منفرد معلومات كافية لتقدير الاتجاه بدقة في جميع الظروف. يُستخدم دمج المستشعرات لتعويض الثغرات الأساسية في إمكانية الرصد، وليس لتحسين الدقة بشكل طفيف.
| مستشعر | المساهمة الأساسية | القيد الأساسي |
|---|---|---|
| مقياس التسارع | مرجع الجاذبية المطلقة | غير صالح بموجب اقتراح |
| جيروسكوب | انتشار ديناميكي سلس | الانجراف مع مرور الوقت |
| مقياس المغناطيسية | قيود الاتجاه | حساس للتداخل |
تقوم خوارزميات الدمج - مثل المرشحات التكميلية والمقدرات القائمة على كالمان - بدمج هذه المدخلات للحفاظ على حل محدود وقابل للملاحظة للوضع بمرور الوقت.
نظام تحديد الاتجاه والحدود العملية للاتجاه المغناطيسي
يُمكّن دمج أجهزة قياس المغناطيسية من تقدير الاتجاه بالنسبة للشمال المغناطيسي، مما يُشكّل نظام مرجعي للاتجاه والمكان. ورغم فعالية هذه القياسات في البيئات المُتحكّم بها، إلا أنها عُرضة بشدة للتداخل من المواد المغناطيسية الحديدية والتيارات الكهربائية والاضطرابات الخاصة بالمنصة.
ونتيجة لذلك، تتعامل أنظمة الملاحة الاحترافية مع بيانات مقياس المغناطيسية كمدخلات مشروطة. في العديد من التطبيقات المتطورة، يتم تثبيت الاتجاه في نهاية المطاف باستخدام نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) أو الأنظمة القائمة على الرؤية أو قيود الحركة المعروفة بدلاً من الاعتماد فقط على القياسات المغناطيسية.
ما تمثله مخرجات وضعية وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) فعلياً
عندما تُخرج وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) زوايا أويلر أو رباعيات، فإن هذه القيم تمثل أفضل تقدير حالي ينتجه نموذج التقدير. وهي ليست قياسات مباشرة. وتعتمد دقتها بشكل أكبر على استقرار المستشعر وجودة المعايرة وتصميم الخوارزمية أكثر من اعتمادها على مواصفات الدقة الخام.
يُعد فهم هذا التمييز أمرًا بالغ الأهمية عند تشخيص الانحراف أو التذبذب أو عدم الاستقرار على المدى الطويل في الأنظمة المنشورة.
منظور هندسي: من النظرية إلى اختيار المستشعر
في تصميم الأنظمة العملية، تؤثر القيود المذكورة أعلاه بشكل مباشر على اختيار وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU). فالجيروسكوبات عالية الجودة ذات استقرار الانحياز الأفضل تقلل من تراكم الانحراف، بينما يُحسّن المعايرة الدقيقة والتحكم الحراري أداء تحديد الاتجاه على المدى الطويل. ولهذا السبب، تُفضّل التطبيقات الصناعية والفضائية والدفاعية بشكل متزايد وحدات القياس بالقصور الذاتي القائمة على أنظمة MEMS وFOG والمخصصة للملاحة، على الحلول الاستهلاكية.
في شركة GuideNav، تستند تصميمات وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMU) وأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي (INS) إلى هذا الفهم الدقيق لإمكانية الرصد بالقصور الذاتي. فبدلاً من محاولة "قياس الزوايا"، تركز أنظمة GuideNav على تقليل عدم استقرار الانحياز، وتحسين المتانة الحرارية، ودعم دمج البيانات الحسية عالية الجودة، مما يسمح ببقاء تقديرات الوضع مستقرة على مدى فترات تشغيل طويلة وفي ظل ظروف ديناميكية.
بالنسبة للمهندسين العاملين على الطائرات بدون طيار، والمركبات ذاتية القيادة، ومنصات التثبيت، أو أنظمة الملاحة، فإن اختيار وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) يتعلق في جوهره بإدارة عدم اليقين، وليس القضاء عليه. ويُعدّ الفهم الواضح لسبب عدم إمكانية قياس الزوايا بشكل مباشر أساسًا لاتخاذ هذا القرار الصحيح.
