1مقدمة
يُعتبر المرور البصري (FOG) منذ فترة طويلة الحل الرئيسي للملاحة التكتيكية عالية الدقة. وهو يشكل بديلاً موثوقاً منخفضاً التكلفة لتقنيات المرور البصري التقليدية الراقية.مع ذلك، مع التحديث السريع لأجهزة الاستشعار الثابتة MEMS في السنوات الأخيرة ، تنافس دورات MEMS عالية الأداء تدريجياً مع منتجات FOG منخفضة الجودة ومتوسطة المدى.
في الوقت الحاضر ، يتم تطبيق MEMS على نطاق واسع في تثبيت الهوائيات ، والتحكم في الآلات الزراعية ، وملاحة المركبات بدون طيار وغيرها من المجالات التي كانت تهيمن عليها FOG.لتوضيح الفجوة الفعلية بين التقنيتين، قمنا بإجراء اختبار مقارنة عملية بين MEMS IMU التكتيكية الراقية ومستوى الدخول الصناعي FOG، تغطي تكوين الأجهزة، خوارزمية البرمجيات ونتائج الملاحة الفعلية.
2تحديث تقني لـ MEMS الحديثة للملاحة الدقيقة
كان لدى أجهزة MEMS التقليدية منخفضة التكلفة أخطاء كبيرة واستقرار ضعيف، أقل بكثير من FOG. لكن أجهزة الاستشعار MEMS المطورة اليوم قد تحسنت كثيراً في استقرار التحيز، القدرة على مكافحة الاهتزاز،عرض النطاق الترددي وحساسية gبدعم من عملية عالية السرعة المدمجة وخوارزميات مكافأة أخطاء المستشعرات المتقدمة ، يمكن أن تصل MEMS الحديثة إلى أداء الملاحة على المستوى التكتيكي.
تتحول المزيد والمزيد من سيناريوهات الملاحة الصناعية والخارجية من FOG إلى MEMS عالية الدرجة. الحالات النموذجية تشمل استقرار صفيحة الهوائي ،الآلات الزراعية الدقيقة والمعدات غير المأهولة المختلفة (UAV/UGV/USV)في الماضي، كان بإمكان المستخدمين اختيار أنظمة FOG أو RLG باهظة الثمن فقط (أكثر من 30،000 دولار) للحصول على دقة مستقرة. الآن، يمكن أن توفر MEMS المحسنة أداءً أساسيًا مقارنًا بواحد من العشر من التكلفة فقط.
3. تكوين أجهزة نظام الاختبار
قمنا ببناء نظامين كاملين للملاحة مع نفس خوارزمية البرمجيات و ظروف الاختبار للمقارنة العادلة
3.1 نظام فوج الهجاني
يعتمد هذا النظام على FOG المزدوج لقياس التأرجح والزاوية ، و MEMS gyro واحد لقياس التدحرج ، بالإضافة إلى مقياس تسارع ثلاثي المحور القياسي ، ومقياس المغناطيس والبارومتر. تبلغ التكلفة الإجمالية لـ BOM حوالي 8 ،000 (لعبة صغيرة)يحتوي FOG المختار على عرض النطاق الترددي العالي ، والتحيز المستقر والسير العشوائي الزاوي المنخفض ، مناسبة لسيناريوهات عالية الديناميكية والاستقرار العالي.
3.2 نظام MEMS كامل
يستخدم هذا النظام ثلاثة أجهزة تحركات MEMS متطورة للكشف عن دوران المحور الكامل، مما يتناسب مع نفس أجهزة الاستشعار المساعدة مثل نظام FOG.000، 8 ٪ 10 أضعاف أرخص من حل FOG. يصل MEMS IMU الصناعي المعتمد إلى توازن ممتاز بين عرض النطاق الترددي والاستقرار ومقاومة الضوضاء والاهتزاز ،مع حساسية منخفضة للغاية في المحور العرضي بعد المعايرة المصنعة.
3.3 المعلمات الرئيسية للمستشعر الأساسي
المواصفات الأساسية لـ MEMS IMU: عرض النطاق الترددي 330 هرتز، 6.25 درجة / ساعة استقرار تحيز الجيرو، خطأ منخفض جدا في المحور العرضي (0.087٪) ، قمع الاهتزاز ممتازة والأداء الخطي.
مواصفات FOG Core: 1000 هرتز عرض النطاق الترددي فائق الارتفاع، استقرار التحيز 3 ° / h، أقل بكثير الزاوية المشي العشوائي، مقاومة أفضل الانجراف على المدى الطويل.
4إطار برمجيات الملاحة
كلا النظامين يعملان بنفس خوارزمية الملاحة عالية السرعة 1000 هرتز بناءً على الحل الثابت التقليدي لـ SINS. يدمج النظام بيانات متعددة المصادر لقمع الانجراف ، بما في ذلك موقع GNSS والسرعة ،مسار الهوائيات المزدوجة، مسار مقياس المغناطيسية، وارتفاع مقياس البارومتر، وبيانات سرعة OBDII الاختيارية للسيارة.
كل جهاز استشعار مساعد يعوض عن عيوب عمل مختلفة: GNSS تصحح الانجراف الموقع العام، مقياس المغناطيس يساعد في بدء التوجيه أثناء انقطاع GNSS، البارومتر يثبت بيانات الارتفاع,وسرعة المركبة OBDII تقمع بشكل فعال الانحراف في المسار في البيئات المعقدة. تم تصميم نظام البرمجيات بأكمله للتكيف مع ظروف عمل GNSS الكاملة ،من السماء المفتوحة إلى السيناريوهات المأمونة في المدن.
5ثلاثة اختبارات مقارنة قياسية للملاحة
قمنا بتصميم ثلاث مجموعات من الاختبارات على مستوى النظام للتحقق بشكل كامل من الفرق في الأداء بين MEMS و FOG في سيناريوهات انقطاع GNSS اليومية والمعقدة والشديدة.
5.1 اختبار السماء المفتوحة (إشارة GNSS جيدة)
في البيئات المفتوحة مع إشارات الأقمار الصناعية الكافية ، يحقق كلا النظامين دقة قريبة جدًا. مقارنة خطأ الموقف هي كما يلي:
نظام الضباب: تدوير 0.08 درجة، الارتفاع 0.08 درجة، البند 0.13 درجة
نظام MEMS: تدوير 0.10 درجة، ارتفاع 0.10 درجة، عنوان 0.14 درجة
في ظل ظروف GNSS الجيدة، MEMS لديها فقط فجوة أداء صغيرة من حوالي 5٪ مقارنة مع FOG، وكلاهما يمكن أن تلبي احتياجات استقرار الموقف عالية الدقة.
5.2 الاختبار الحضري المعقد (GNSS متعدد المسارات وضعيف)
في سيناريوهات المراكز الحضرية مع المباني الطويلة والطرق الضيقة ، تعاني إشارات GNSS من انعكاس وخفض شديد. يمكن أن يصل خطأ حل GPS النقي إلى 100 متر.
الحل الاندماجي FOG يحافظ على خطأ تحديد الموقع في غضون 10 أمتار مع مسار مستقر وسلس. الحل الأصلي MEMS هو في غضون 15 مترا، يتأثر قليلا بتحديثات GNSS غير مستقرة،مع فجوة أداء تبلغ 20%~30% مقارنة بـ FOG.
بعد إضافة بيانات سرعة المركبة OBDII للاندماج المساعد ، يسيطر نظام MEMS المحسن أيضًا بشكل مستقر على الخطأ في غضون 10 أمتار ، لتحقيق نفس المستوى تقريبًا مثل FOG.
5.3 اختبار INS النقي (GNSS التوقف الكامل)
هذا هو الاختبار الأكثر أهمية للتحقق من قدرة الملاحة المستقلة5 دقائق (مسافة القيادة حوالي 5500m) لمقارنة أداء الانجراف الثابت.
نظام FOG: الحد الأقصى للتحرك فقط 7 أمتار، استقرار الملاحة المستقلة ممتازة على المدى الطويل.
نظام MEMS الأصلي: يصل الحد الأقصى للتحرك إلى 75 مترًا ، حوالي 3 أضعاف أكبر من FOG ، ويرجع ذلك أساسًا إلى تراكم خطأ مسار معداد التسارع.
MEMS الأمثل مع OBDII: انخفضت الاهتزاز إلى أقل من 10 أمتار، مقارنة تماما مع أداء الملاحة المستقلة FOG.
6الاستنتاج و دليل اختيار الطلب
الفجوة في الأداء بين MEMS الحديثة عالية الجودة و FOG منخفضة الجودة تتقلص بسرعة ، والفائدة المطلقة التقليدية لـ FOG تضعف تدريجياً.
مزايا الضباب: استقرار طويل الأجل أفضل، وانحراف جدرانية نقية أصغر، قدرة أكبر على التكيف مع البيئات القاسية والملاحة ذات الدقة العالية المستقلة بالكامل دون أي أجهزة استشعار مساعدة.لا يزال الخيار الأول لمهمات الملاحة الاستراتيجية والطويلة المدى.
مزايا MEMS: أداء عال للغاية من حيث التكلفة (1/10 من تكلفة FOG) ، وحجم أصغر ووزن أخف وانخفاض استهلاك الطاقة. مع دعم إشارة GNSS أو اندماج مستشعر مساعد بسيط (مثل سرعة المركبة) ،يمكن أن تحل MEMS الراقية محل FOG المنخفضة في معظم السيناريوهات التكتيكية والصناعية.
اقتراح للاختيار:
-
بالنسبة لسيناريوهات السماء المفتوحة مع إشارات GNSS مستقرة، تحل MEMS محل FOG منخفضة الجودة بالكامل مع أداء أعلى التكلفة.
-
بالنسبة إلى سيناريوهات إشارة ضعيفة حضرية معقدة ، يمكن أن تحقق MEMS مع اندماج متعددة أجهزة الاستشعار دقة مستوى FOG.
-
بالنسبة للملاحة المستقلة بالكامل لفترة طويلة دون أي إشارات خارجية ، لا تزال FOG تحتفظ بمزايا لا يمكن استبدالها.
مع التكرار المستمر لتكنولوجيا MEMS وخوارزميات الاندماج متعددة المستشعرات،سوف تحل MEMS عالية الأداء محل تطبيقات FOG التقليدية منخفضة والمتوسطة في مجالات تجارية وصناعية في المستقبل.
يجب أن تكون رسالتك بين 20-3000 حرف!
