INS beheersen: een volledige handleiding voor autonome navigatieoplossingen

Voor moderne bedrijven die inertiële navigatiesystemen (INS) willen integreren in hun algemene bedrijfsactiviteiten, is het essentieel om de kerncomponenten en operationele mechanismen van INS te begrijpen. Op het gebied van inertiële navigatie en inertiële meeteenheden (IMU's) springen drie elementen eruit als cruciaal: hardware, firmware en implementatie. Hieronder volgt een overzicht van de basisprincipes van inertiële systemen, afgestemd op hedendaagse bedrijven.

Hardware: Dit houdt in dat er een evenwicht moet worden gevonden tussen de kwaliteit, kwantiteit en kosten van sensoren - belangrijke overwegingen voor elke INS-implementatie.

Firmware: Firmware omvat datafiltering, -fusie en -verwerking en is cruciaal voor het waarborgen van de nauwkeurigheid en hoge prestaties van INS. Met name firmware-oplossingen zijn niet gestandaardiseerd tussen fabrikanten.

Implementatie: Vaak over het hoofd gezien, maar wellicht het meest cruciale aspect van het selecteren van een INS, omvat implementatie de kwaliteit van de documentatie en de expertise van de ondersteuning. Deze factoren kunnen het beslissende verschil maken tussen het op tijd en binnen budget lanceren van een product.

Kernfunctionaliteit vanINS

Inertiële navigatiesystemen berekenen de positie van apparaten ten opzichte van specifieke referentiepunten of vaste coördinaten. Binnen robotica en automatisering reguleren INS-implementaties de rol- en pitchhoek, terwijl ze continu de koers, positie en snelheid bewaken en handhaven. Om dit te bereiken, is naadloze samenwerking tussen meerdere componenten vereist om functionele autonome robotica- en navigatiesystemen te bouwen.

Om een robotsysteem autonoom te laten functioneren, moet het een duidelijk besef hebben van zijn huidige locatie, oriëntatie, bestemmingsdoel en navigatiepad. Dit begint allemaal met de hardwarecomponenten.

Belangrijkste componenten van inertiële navigatiesystemen

Een INS bestaat uit drie fundamentele componenten:

Hardware

Firmware of software

Implementatie

Elk van deze elementen moet zorgvuldig worden geëvalueerd bij het selecteren van een INS die aansluit bij de specifieke vereisten van een product.

INS-hardware voor autonome systemen

De hardware die autonome navigatie via INS aandrijft, omvat doorgaans een aantal of alle van de volgende componenten:

INS-sensoren

Versnellingsmeters meten de versnelling en de relatieve snelheid van het apparaat waarin ze zijn geïnstalleerd. Door veranderingen in snelheid en versnelling te volgen, spelen deze sensoren een cruciale rol bij het bepalen van de positie van het apparaat met bepaalde intervallen.

Gyroscopen zijn fysieke sensoren die de hoekpositie en -beweging van een object of apparaat detecteren ten opzichte van een specifiek inertieel referentiekader. Ze zijn essentieel voor het vaststellen van de exacte houding van apparaten in relatie tot andere referentiepunten en inertiële kaders.

Magnetometers detecteren magnetische velden en dienen als navigatiereferentiepunten voor apparaten, robots en complexe systemen.

GPS-ontvangers, die verbinding maken met het Global Navigation Satellite System (GNSS), vullen het inertiële systeem aan met extra positiegegevens. Antennes kunnen worden geïntegreerd om de toegang van het autonome systeem tot het GNSS-netwerk te verbeteren.

Een microprocessor draait de benodigde firmware voor de werking van het systeem. Interne opslagapparaten kunnen optioneel de bewegingen, locaties en activiteiten van het systeem tijdens de werking loggen.

Vormfactor

Apparaten zijn doorgaans ontworpen voor beschermde of robuuste omgevingen. In omgevingen waar sensoren kunnen worden afgeschermd van externe omstandigheden, zijn er caseless ontwerpen beschikbaar om de voetafdruk te minimaliseren. Voor toepassingen zoals drones, die in zware omstandigheden opereren, zijn robuuste aluminium behuizingen standaard.

Inertiële meeteenheden (IMU's) integreren micro-elektromechanische systemen (MEMS), gyroscopen, magnetometers en versnellingsmeters in één gebruiksvriendelijk apparaat voor het beheer van robotnavigatie. Een Attitude and Heading Reference System (AHRS) bouwt voort op de IMU-functionaliteit door de mogelijkheid toe te voegen om de houding van het robotsysteem ten opzichte van vaste referentiepunten te detecteren en erop te reageren. De GPS-antenne levert satellietgegevens om navigatiemogelijkheden mogelijk te maken. Bovendien zijn er dual-compassing units beschikbaar om magnetische interferentie tijdens het verkrijgen van de koers te verminderen, waardoor snellere kalibratie en een snellere systeemopstart mogelijk zijn. Samen vormen deze componenten - IMU, AHRS en GNSS - een compleet inertieel navigatiesysteem (INS).

Het selecteren van kosteneffectieve inertiële meeteenheden

Bij het aanschaffen van hardware voor inertiële navigatiesystemen zijn er verschillende factoren die de kosten en effectiviteit van IMU's aanzienlijk beïnvloeden:

Vezeloptische gyroscopen verminderen het aantal sensoren dat nodig is voor precieze metingen, maar gaan gepaard met een aanzienlijke prijs, soms wel 100 keer hoger dan conventionele alternatieven. Hoogwaardige gyroscopen en andere hardwarecomponenten verbeteren de nauwkeurigheid en minimaliseren drift.

Kosteneffectieve combinaties van versnellingsmeters, gyroscopen, GPS-systemen en magnetometers leveren vaak voldoende navigatieprestaties voor systemen die in afgesloten omgevingen werken of systemen met bescheiden precisie-eisen. Gegevens van deze sensoren worden gecombineerd om individuele sensorfouten te compenseren - een fenomeen dat bekend staat als sensorfusie (hieronder in detail beschreven). In dit geval overtreft de gecombineerde prestatie de som van de individuele componenten.

Voor de meeste bedrijven biedt deze mix van betaalbare sensoren de juiste balans tussen prestaties en kosten. Het identificeren van het optimale evenwicht zorgt voor de implementatie van kostenefficiënte IMU's die zijn afgestemd op de unieke behoeften van het bedrijf.

Inertiële navigatie-firmware

INS-firmware bestaat uit twee kernelementen:

Sensorfusie-firmware verzendt gegevens van alle hardwaresensoren naar de verwerkingseenheid en formatteert deze voor compatibiliteit met de microprocessor van het apparaat.

Het Kalman-filter is cruciaal voor het waarborgen van de nauwkeurigheid van sensorgegevens, maar is niet altijd inbegrepen bij de aankoop van sensoren. Indien aanwezig, is het doorgaans een eigen programma dat is aangepast aan de specifieke hardwareconfiguratie en fabrikant. Kalman-filters elimineren externe gegevens (aangeduid als 'ruis'), waardoor het gebruik van computerbronnen voor autonome navigatie wordt geoptimaliseerd.

Belangrijke factoren bij effectieve datafiltering zijn onder meer methoden voor het verzamelen en verzenden van gegevens, evenals grondige documentatie - met name tijdens de initiële implementatie - om verbeterpunten te identificeren. Gebruiksvriendelijke interfaces en real-time datavisualisatiesnelheid dragen ook bij aan het algehele projectsucces.

INS-implementatie

INS-implementatie vereist doorgaans de grootste investering in middelen en tijd. Belangrijke componenten van dit proces zijn de volgende fasen:

INS-scopingfase

Het evalueren van beschikbare INS-oplossingen op de markt

Het bepalen van de sensortypen die nodig zijn voor het autonome navigatieproject

Het beoordelen van het vermogen van de leverancier van inertiële navigatie om de gewenste resultaten te leveren

INS-implementatieproces

Volledigheid en kwaliteit van sensor- en firmware-documentatie

Expertise en beschikbaarheid van sensorondersteuningsteams

Compatibiliteit tussen het gewenste systeem en de sensorcapaciteiten

Integratie van het besturingssysteem met sensorgegevens

Grondig onderzoek en scoping van deze factoren zijn essentieel bij het selecteren van een INS-fabrikant. Idealiter biedt de gekozen sensor de juiste hardware, firmware en implementatieondersteuning - allemaal binnen een kostenstructuur die ervoor zorgt dat het autonome robotsysteem zowel hoogwaardig als winstgevend is. Dit vormt de basis voor een korte introductie van onze oplossingen bij Inertial Sense.

Inertial Sense: Uw partner in autonome navigatie

Bij Inertial Sense zijn we gespecialiseerd in het leveren van optimale, praktische oplossingen voor autonome navigatiebehoeften. Onze aanbiedingen omvatten belangrijke functies die zijn ontworpen om de implementatie te stroomlijnen en de resultaten te maximaliseren:

INS-hardware

Onze INS-sensoren hebben een ongeëvenaarde voetafdruk-tot-prestatieverhouding. Betrouwbaar en nauwkeurig, ze zijn compact genoeg om op een dubbeltje te passen.

INS-firmware

Ons Kalman-filter, verfijnd over een periode van tien jaar, levert vrijwel foutloze gegevens, waardoor apparaten op koers blijven met minimale drift.

Onze eigen sensorfusie-oplossing maakt integratie met een breed scala aan sensoren mogelijk - inclusief sensoren die niet door ons worden geproduceerd.

INS-implementatie

We bieden een geïntegreerde evaluatietool die real-time probleemoplossing en foutcorrectie van gegevens mogelijk maakt, evenals prestatiebeoordeling van individuele sensoren. Dit bespaart tijd en moeite bij het verifiëren van de systeemnauwkeurigheid tijdens de werking.

Onze speciale software development kit (SDK) wordt regelmatig bijgewerkt en beschikt over een intuïtieve interface en uitgebreide documentatie. Klanten krijgen gratis toegang tot de nieuwste updates en worden op de hoogte gehouden van voortdurende verbeteringen.

Bij Inertial Sense zijn we er trots op dat we de eenvoudigste, handigste implementatieprocessen in de branche aanbieden. We werken nauw samen met klanten om de nodige training en ondersteuning te bieden voor een naadloze ervaring.

Onze documentatie is vrij van technische jargon, waardoor barrières voor snelle adoptie van onze autonome navigatiesystemen worden weggenomen. Daarnaast bieden we live menselijke ondersteuning met schermdelingmogelijkheden en snelle reactietijden, zodat klanten contact kunnen maken met een echte expert wanneer hulp nodig is.