نظريًا، يمكن لوحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) إجراء قياس المسافات، أي قياس المسافة التي قطعتها المركبة من خلال دمج تسارعها ومعدلها الزاوي مع مرور الوقت. لكن في الواقع، يُعدّ هذا القياس بالقصور الذاتي فقط غير عملي. تكمن المشكلة في تراكم الأخطاء : فحتى انحيازات المستشعرات الطفيفة تُسبب انحرافًا في الموقع يتزايد بشكل كبير مع مرور الوقت. في غضون ثوانٍ، ينحرف المسار المحسوب عن الواقع.
بالنسبة للقيادة الذاتية والروبوتات، حيث يجب أن تظل دقة تحديد الموقع في حدود السنتيمترات، فإن وحدة قياس القصور الذاتي وحدها لا تستطيع ببساطة توفير قياس المسافات بشكل موثوق.
نظريًا، تستطيع وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) حساب قياس المسافات من خلال التكامل المزدوج، إلا أن الانحياز والضوضاء يُسببان انحرافًا أُسيًا بمرور الوقت. لذلك، تعتمد أنظمة الملاحة الواقعية على دمج وحدة القياس بالقصور الذاتي مع نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) أو الليدار (LiDAR) أو الكاميرات للحفاظ على الدقة والاستقرار.
يبدو الملاحة بالقصور الذاتي بسيطًا - قياس الحركة وحساب المسافة. لكن عمليًا، حتى أخطاء المستشعرات الصغيرة تتزايد بسرعة وتُضعف الدقة. تُعد وحدة القياس بالقصور الذاتي جزءًا أساسيًا من أي نظام ملاحة، لكنها لا تعمل بمفردها. تشرح هذه المقالة سبب فشل قياس المسافات بوحدة القياس بالقصور الذاتي، وكيف يُحوّلها دمج المستشعرات إلى أداة موثوقة لتحديد المواقع بدقة.
جدول المحتويات
لماذا يمكن لوحدة قياس القصور الذاتي (IMU) إجراء قياس المسافات نظريًا؟
وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) تقيس تسارع ثلاثة محاور وسرعة زاوية ثلاثة محاور .
ومن خلال التكامل المستمر لهذه الإشارات، يمكن للنظام أن يحسب نظريًا:
- التوجه (الموقف): عن طريق دمج السرعة الزاوية.
- السرعة: عن طريق دمج التسارع الخطي.
- الموضع: عن طريق دمج السرعة مرة أخرى.
هذا هو المبدأ الأساسي لنظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS)، وهو نظام ملاحة مستقل يعتمد كليًا على مستشعرات الحركة. في حالة مثالية، مع وجود مستشعرات معايرة بدقة وغياب أي ضوضاء، يمكن لوحدة IMU تحديد حركة المركبة باستمرار وتقدير مسارها بالنسبة لنقطة انطلاقها. لهذا السبب، نظريًا، يمكن لوحدة IMU إجراء قياس المسافات دون أي مرجع خارجي.
لماذا تفشل في الممارسة العملية: مشكلة تراكم الأخطاء
على الرغم من أن النظرية منطقية، إلا أن كل وحدة قياس بالقصور الذاتي تعاني من أخطاء استشعارية متأصلة . تتضخم هذه الانحيازات والضوضاء الصغيرة بشكل كبير أثناء عملية التكامل المزدوج ، التي تُحوّل التسارع إلى موضع. بمرور الوقت، حتى أصغر العيوب تُسبب انجرافًا كبيرًا ومتزايدًا بسرعة.
خطأ الموضع ينمو تربيعيًا مع مرور الوقت
إذا احتوى مقياس التسارع على تحيز ثابت صغير b a (م/ث²)، فإن الأخطاء المتراكمة في السرعة والموقع تزداد بمرور الوقت على النحو التالي:
هذا يعني أن خطأ الموقع يتزايد تناسبًا مع مربع الزمن . حتى الانحراف الطفيف قد يؤدي إلى انحراف كبير.
على سبيل المثال، افترض أن تحيز مقياس التسارع b a 0.01 م/ث 2 - وهي قيمة نموذجية للغاية لوحدات القياس بالقصور الذاتي MEMS ذات الجودة التجارية.
| وقت | خطأ في الموضع |
|---|---|
| 1 ثانية | 0.005 م |
| 10 ثوانٍ | 0.5 متر |
| 30 ثانية | 4.5 متر |
| 60 ثانية | 18 مترًا |
بعد دقيقة واحدة فقط (60 ثانية) من التشغيل، يمكن أن يصل خطأ الموضع المقدر إلى حوالي 18 مترًا ، وهو ما يتجاوز بكثير دقة تحديد الموقع المطلوبة للقيادة الذاتية ( عادةً < 0.1–0.3 متر ).
انحياز الجيروسكوب يسبب انحرافًا في الموقف
انحياز الجيروسكوب الطفيف غير ذي أهمية، ولكنه يؤدي مع مرور الوقت إلى أخطاء ملحوظة في تقدير الاتجاه . بمجرد انحراف الاتجاه، لا تستطيع وحدة قياس القصور الذاتي فصل الجاذبية عن الحركة الحقيقية بشكل صحيح - فهي تفشل في "إزالة الجاذبية" من بيانات مقياس التسارع. عند حدوث ذلك، يُعامل متجه الجاذبية تسارع أفقي ، مما يجعل النظام يعتقد أن المركبة تتحرك حتى وهي ثابتة. يستمر هذا التسارع الزائف في الاندماج مع سرعة وهمية ، ويؤدي في النهاية إلى انحراف مفاجئ في الموقع .
مصادر الخطأ الأخرى
وبعيدًا عن التحيز، تتأثر وحدات قياس القصور الذاتي في العالم الحقيقي بمصادر خطأ متعددة تتضخم بمرور الوقت:
| مصدر الخطأ | تأثير |
|---|---|
| خطأ عامل المقياس | قياس غير صحيح للتسارع أو قياسات المعدل الزاوي. |
| عدم المحاذاة | تؤدي محاور الاستشعار غير المتعامدة إلى حدوث أخطاء في الإسقاط. |
| انجراف درجة الحرارة | يتغير التحيز مع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تدهور المعايرة. |
| ضوضاء الاهتزاز | الضوضاء الميكانيكية تندمج مع انجراف الموضع. |
| خطأ المحاذاة الأولية | أخطاء المواقف في الشركات الناشئة الصغيرة تسبب انحرافًا طويل الأمد. |
حتى العيوب الصغيرة، عند اجتماعها، تُسبب تباينًا سريعًا في نتائج الملاحة. عمليًا، يُصبح قياس المسافات بالقصور الذاتي غير صالح للاستخدام في غضون ثوانٍ ، حتى مع أجهزة الاستشعار عالية الجودة.
تقييم الدقة: ما هي المدة التي يمكن أن يستمر فيها قياس المسافات باستخدام تقنية IMU فقط؟
حتى مع أجهزة الاستشعار المتقدمة، لا يمكن لقياس المسافات بالقصور الذاتي أن يظل دقيقًا إلا لفترة قصيرة قبل أن يفقد السيطرة. ونظرًا لأن خطأ الموقع يتزايد تربيعيًا مع مرور الوقت، فإن مدة التشغيل الموثوق تعتمد بشكل أساسي على درجة ميل وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) واستقرار انحيازها.
| درجة IMU | التحيز النموذجي | خطأ الموضع (10 ثوانٍ) | خطأ الموضع (60 ثانية) | الاستخدام العملي |
|---|---|---|---|---|
| درجة المستهلك | > 0.01 م/ث² | > 0.5 متر | > 18 م | غير صالحة للاستخدام تماما |
| الصف الصناعي | ~ 0.001 م/ث² | ~ 5 سم | ~ 1.8 متر | صالحة للاستخدام للاختبارات القصيرة فقط |
| درجة الملاحة | < 0.0001 م/ث² | ~ 0.5 سم | ~ 18 سم | دقيقة لبضع ثوانٍ؛ لا تزال بحاجة إلى الاندماج |
| الصف التكتيكي | منخفض للغاية | قابلة للتحكم | أمتار قليلة | صالحة للاستخدام في الأغراض العسكرية/الفضائية؛ تكلفة عالية |
حتى وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) عالية الجودة لا يمكنها تجنب الانجراف إلى الأبد. ولذلك، تعتمد الأنظمة ذاتية القيادة الحديثة دائمًا على دمج المستشعرات - أي دمج بيانات وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) مع نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) أو الليدار (LiDAR) أو المدخلات البصرية - للحفاظ على الدقة والاستقرار على المدى الطويل.
دور وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) في الملاحة الحديثة - دمج المستشعرات في جوهرها
على الرغم من أن وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) لا يمكنها إجراء قياس المسافات بشكل مستقل، إلا أنها تلعب دورًا لا غنى عنه في الملاحة الحديثة. فبدلاً من أن تكون المصدر الرئيسي لتحديد الموقع، تعمل كعمود فقري عالي التردد يُعزز ويُثبّت أجهزة الاستشعار الأخرى.
تقدير الحركة عالية التردد
تعمل وحدات IMU بتردد يتراوح بين مئات وآلاف الهيرتز ، وهي أسرع بكثير من أنظمة GNSS أو LiDAR أو الكاميرات.
يتيح معدل التحديث المرتفع هذا التقاط الحركة السريعة وملء الفجوات بين أجهزة الاستشعار الأبطأ - مما يوفر وعيًا سلسًا ومستمرًا بالحركة لنظام الملاحة بأكمله.
التنبؤ والتنعيم على المدى القصير
عندما يتم فقدان إشارات GNSS - داخل الأنفاق، أو تحت الجسور، أو في المناطق الحضرية الكثيفة - توفر وحدة IMU حسابًا ميتًا قصير المدى للحفاظ على مسار مستمر.
إنه يتنبأ بحالة النظام (الموقع، السرعة، الاتجاه) لعدة ثوانٍ، مما يضمن انتقالات سلسة حتى تصبح القياسات الخارجية متاحة مرة أخرى.
تجعل هذه القدرة على الربط بين الأجهزة من وحدة IMU ضرورية للملاحة القوية في البيئات التي لا تتوفر فيها تقنية GNSS .
جوهر اندماج المستشعرات
في مجال تحديد المواقع الحديث، تُعدّ وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) بمثابة النواة الديناميكية لأنظمة دمج أجهزة الاستشعار المتعددة. تُوفّر بياناتها بالقصور الذاتي عالية السرعة معلومات حركة مستمرة، بينما تُصحّح القياسات منخفضة السرعة والخالية من الانجراف، من أجهزة استشعار أخرى - مثل نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) أو الليدار (LiDAR) أو الكاميرات - الأخطاء المتراكمة باستمرار، مما يُحافظ على استقرار الملاحة ودقتها.
| طريقة الاندماج | مجموعة المستشعرات | طلب |
|---|---|---|
| اقتران GNSS/IMU فضفاض أو محكم | RTK-GNSS + IMU | الملاحة البرية أو الجوية عالية الدقة |
| قياس المسافة بالقصور الذاتي البصري (VIO) | الكاميرا + وحدة قياس القصور الذاتي | SLAM، الطائرات بدون طيار، الروبوتات |
| قياس المسافة بالقصور الذاتي (LIO) باستخدام تقنية الليدار | ليدار + وحدة قياس القصور الذاتي | القيادة الذاتية، رسم الخرائط |
| اندماج الرسم البياني العاملي أو مرشح كالمان | أجهزة استشعار متعددة + وحدة قياس القصور الذاتي | تقدير الحالة المتكاملة |
خاتمة
وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) قادرة وحدها على تقدير الحركة نظريًا، لكن أخطاءها في التطبيق العملي تتزايد بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا تُجدي نفعًا. حتى الانحيازات الطفيفة تُسبب انحرافًا سريعًا في الموقع لعدة أمتار خلال ثوانٍ.
مع ذلك، تبقى وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) أساسية، فهي توفر بيانات حركة عالية التردد لا توفرها أجهزة الاستشعار الأخرى. وعند دمجها مع نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) أو الليدار (LiDAR) أو الكاميرات، تُصبح جوهر نظام ملاحة مستقر ودقيق.
