تعتمد الطائرات بدون طيار والروبوتات ومنصات الاستهداف الحديثة بشكل كبير على تقدير الوضع القائم على وحدات قياس القصور الذاتي (IMU)، إلا أن الجيروسكوبات تنحرف حتمًا مع مرور الوقت، ومقاييس التسارع معرضة للاهتزاز والتسارع الخطي. تتراكم هذه العيوب بسرعة وتُضعف دقتها. لذا، هناك حاجة إلى طريقة دمج عملية، توازن بين بيانات الجيروسكوب السريعة والناعمة واستقرار قياسات مقياس التسارع على المدى الطويل.
تعتمد وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) المستقرة على دمج بيانات الجيروسكوب ومقياس التسارع. تنحرف الجيروسكوبات، وتُصدر مقاييس التسارع ضوضاء، ويجمع مرشح مكمل بينهما لتوفير تقدير دقيق وخفيف الوزن للاتجاه في الوقت الفعلي.
تعتمد وحدات IMU الدقيقة على الاندماج الذكي.
جدول المحتويات
مقدمة - ما يمكن لإشارات IMU الخام أن تخبرك به وما لا تستطيع أن تخبرك به
وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) ضرورية للطائرات بدون طيار، والروبوتات الأرضية، والأدوات الصناعية، وأجهزة الاستهداف الدقيق. لكن قراءات الجيروسكوب ومقياس التسارع الخام وحدها لا تضمن استشعارًا بالقصور الذاتي مستقرًا. لكل مستشعر نقاط قوة قيّمة لتقدير الوضع، ونقاط ضعف قد تُعيق الأداء بشدة. وهنا يصبح دمج المستشعرات أمرًا لا غنى عنه، مما يسمح لوحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) بإنتاج معلومات توجيه دقيقة وموثوقة حتى في البيئات الصعبة.
الجيروسكوبات في الحركة - سريعة وسلسة ولكنها تنجرف دائمًا
يقيس الجيروسكوب السرعة الزاوية، ويزود وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) باستجابات سريعة وسلسة للدوران. وهو أساس تقدير الموقف على المدى القصير.
نقاط القوة
- نطاق ترددي عالي واستجابة سريعة
- تتبع الحركة بشكل سلس ومنخفض الضوضاء
- عدم الحساسية للتسارع الخطي
نقاط الضعف
- تتراكم التحيزات والانحرافات ذات الإزاحة الصفرية
- تؤثر درجة الحرارة والشيخوخة على الاستقرار
- لا يمكن الحفاظ على الدقة على المدى الطويل بمفردها
باختصار، يتميز الجيروسكوب بقدرته على التقاط الحركة ولكنه لا يستطيع تثبيت وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) بمرور الوقت.
مقاييس التسارع كمرسيات - مستقرة، مطلقة، ولكن من السهل إزعاجها
تقوم مقاييس التسارع بقياس القوة النوعية، بما في ذلك الجاذبية، مما يمنح وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) مرجعًا مدمجًا لتقدير الموقف على المدى الطويل.
نقاط القوة
- الاستقرار طويل الأمد دون انحراف
- مرجع الجاذبية المطلقة للتدحرج والانحدار
- مفيد أثناء الحركة الثابتة أو البطيئة
نقاط الضعف
- يتأثر بسهولة بالاهتزازات والصدمات
- مشوهة بسبب التسارع الخطي
- صاخبة مقارنة بالجيروسكوبات
يُعد مقياس التسارع بمثابة "المرساة" لوحدة قياس القصور الذاتي (IMU) - فهو موثوق به على مدار الوقت، ولكنه عرضة للخطر من لحظة إلى أخرى.
لماذا تحتاج وحدات قياس القصور الذاتي (IMUs) إلى كليهما - مستشعران غير كاملين، ونظام واحد موثوق به
تتبع الجيروسكوبات التغييرات؛ وتوفر مقاييس التسارع مرجعًا.
في حد ذاته، كلاهما معيبان.
يشكلان معًا الأساس لتقدير موقف IMU الدقيق.
تحتاج وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) إلى استجابة فورية للجيروسكوب واستقرار طويل الأمد لمقياس التسارع. هذا هو المنطق الهندسي الكامن وراء كل نظام استشعار بالقصور الذاتي الحديث تقريبًا.
التصفية التكميلية - طريقة الاندماج البسيطة التي تعمل فقط
بدلاً من الرياضيات المعقدة، يمزج المرشح التكميلي كل مستشعر حيث يعمل بشكل أفضل:
- الجيروسكوب → الحركة عالية التردد
- مقياس التسارع → استقرار التردد المنخفض
ملخص الهندسة
يطبق المرشح التكميلي مرشح تمرير عالي على بيانات الجيروسكوب ومرشح تمرير منخفض على بيانات مقياس التسارع، ثم يدمجهما في تقدير موقف مستقر.
لماذا يحبها المهندسون
- يعمل في الوقت الحقيقي على المعالجات الصغيرة
- قوي بما يكفي لمعظم تطبيقات IMU الديناميكية
- سلوك نظيف وقابل للتنبؤ به في ظل الحركة النموذجية
- ضبط الحد الأدنى مقارنة بالمرشحات المتقدمة
أين تشرق
- وحدات تحكم طيران الطائرات بدون طيار
- موازنة الروبوتات
- محاور تثبيت صغيرة ومثبتات
- أجهزة قياس القصور الوريدي القابلة للارتداء أو المحمولة باليد
- أنظمة مدمجة منخفضة الطاقة
يظل الترشيح التكميلي أحد أكثر أدوات دمج المستشعرات كفاءة في هندسة IMU.
حيث تكافح المرشحات التكميلية - حدود البساطة
على الرغم من أناقته، إلا أن الفلتر التكميلي له حدود.
التحديات الرئيسية
- يعاني من التسارع الخطي السريع
- دقة محدودة لموقف ثلاثي الأبعاد بدون أجهزة قياس مغناطيسية
- لا يمكن تقدير تحيز الجيروسكوب أو خصائص الضوضاء
- غير مناسب للملاحة التكتيكية
- يختلف الأداء حسب درجة الحرارة والاهتزاز
تصبح هذه نقاط الضعف مهمة في الأنظمة المتقدمة أو عالية الدقة.
ما وراء المرشحات التكميلية - المستوى التالي من اندماج مستشعرات IMU
بالنسبة للمنصات المتطلبة مثل الطائرات بدون طيار التكتيكية، وأنظمة الدفاع، ووحدات الملاحة البحرية، والروبوتات الصناعية، يجب على وحدات IMUs استخدام اندماج أكثر تقدمًا:
- مرشح كالمان الممتد (EKF)
- فلتر كالمان غير المعطر (UKF)
- الرسم البياني للعوامل وتقنيات التحسين
- تكامل GNSS/IMU
- الاندماج بالقصور الذاتي بمساعدة الرؤية
- معايرة درجة الحرارة والمحور المتعدد
هذه الأساليب تجعل من الممكن:
- تقدير الانجراف وتحيز المستشعر
- تحسين الاستقرار على المدى الطويل
- الحفاظ على الدقة في ظل الاهتزاز والصدمة
- توفير أداء ثابت عبر نطاقات درجات الحرارة
هذا هو المستوى المطلوب لوحدات IMU الصناعية والدفاعية.
نهج GuideNav الهندسي - ما وراء وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) التقليدية
لا يتم تشكيل أداء IMU الحقيقي من خلال البرنامج فقط، ولكن من خلال الهندسة الدقيقة.
في GuideNav، يتم تحقيق جودة الاستشعار بالقصور الذاتي من خلال:
- محاذاة ميكانيكية دقيقة والتحكم في محور PCB
- معايرة درجات الحرارة المتعددة لأجهزة الجيروسكوب ومقاييس التسارع
- التحيز والضوضاء وتوصيف عامل المقياس
- الاختبار البيئي تحت الصدمات والاهتزازات
- تنفيذ اندماج المستشعرات بشكل مستقر وموثوق
ويضمن هذا النهج على مستوى النظام أن تعمل التصفية التكميلية - أو أي طريقة اندماج - بمستوى عالٍ من الاتساق في ظل الظروف الواقعية.
الخلاصة - تحويل أجهزة الاستشعار غير الكاملة إلى تقديرات مواقف موثوقة
لا يمكن لأي مستشعر واحد تقديم تقدير موثوق لموقف وحدة القصور الذاتي بمفرده.
تتحرك الجيروسكوبات، وأجهزة قياس التسارع تصدر ضوضاء.
ولكن عندما يتم دمجها من خلال تقنيات مثل الترشيح التكميلي، فإن هذه الإشارات غير الكاملة تنتج معلومات اتجاه سلسة ومستقرة وفي الوقت الحقيقي.
بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب دقة أعلى أو متانة بيئية، تعمل تقنيات الاندماج والمعايرة الأكثر تقدمًا على توسيع قدرات وحدة القياس بالقصور الذاتي إلى ما هو أبعد بكثير مما يمكن أن يوفره مرشح تكميلي بسيط.
إن الاستشعار بالقصور الذاتي هو في نهاية المطاف فن تحويل إشارات الحركة الخام إلى بيانات جديرة بالثقة يمكن للأنظمة المستقلة الاعتماد عليها في أي وقت وفي أي مكان.
