INS meistern: Ein umfassendes Handbuch für autonome Navigationslösungen

Für moderne Unternehmen, die Trägheitsnavigationssysteme (INS) in ihre gesamten Geschäftsabläufe integrieren möchten, ist das Verständnis der Kernkomponenten und Betriebsmechanismen von INS unerlässlich. Im Bereich der Trägheitsnavigation und der Inertial Measurement Units (IMUs) stechen drei Elemente als entscheidend hervor: Hardware, Firmware und Implementierung. Im Folgenden finden Sie eine Aufschlüsselung der Grundlagen von Trägheitssystemen, die auf moderne Unternehmen zugeschnitten sind.

Hardware: Dies beinhaltet das Finden eines Gleichgewichts zwischen Sensorqualität, -quantität und -kosten – wichtige Überlegungen für jeden INS-Einsatz.

Firmware: Die Firmware umfasst Datenfilterung, -fusion und -verarbeitung und ist entscheidend für die Gewährleistung der Genauigkeit und hohen Leistung von INS. Bemerkenswert ist, dass Firmware-Lösungen nicht herstellerübergreifend standardisiert sind.

Implementierung: Oft übersehen, aber wohl der wichtigste Aspekt bei der Auswahl eines INS, umfasst die Implementierung die Qualität der Dokumentation und die Fachkenntnisse des Supports. Diese Faktoren können den entscheidenden Unterschied zwischen der termingerechten und budgetgerechten Produkteinführung ausmachen.

Kernfunktionalität von INS

Trägheitsnavigationssysteme berechnen die Position von Geräten relativ zu bestimmten Bezugspunkten oder festen Koordinaten. Innerhalb der Robotik und Automatisierung regeln INS-Implementierungen Rollen und Neigung und überwachen und erhalten gleichzeitig Kurs, Position und Geschwindigkeit. Dies zu erreichen, erfordert eine nahtlose Zusammenarbeit über mehrere Komponenten hinweg, um funktionale autonome Robotik- und Navigationssysteme aufzubauen.

Damit ein Robotersystem autonom arbeiten kann, muss es sich seiner aktuellen Position, Ausrichtung, dem Zielort und dem Navigationspfad bewusst sein. Dies alles beginnt mit den Hardwarekomponenten.

Hauptkomponenten von Trägheitsnavigationssystemen

Ein INS besteht aus drei grundlegenden Komponenten:

Hardware

Firmware oder Software

Implementierung

Jedes dieser Elemente sollte sorgfältig bewertet werden, wenn ein INS ausgewählt wird, das den spezifischen Anforderungen eines Produkts entspricht.

INS-Hardware für autonome Systeme

Die Hardware, die die autonome Navigation über INS antreibt, umfasst typischerweise einige oder alle der folgenden Komponenten:

INS-Sensoren

Beschleunigungsmesser messen die Beschleunigung und die relative Geschwindigkeit des Geräts, in dem sie installiert sind. Durch die Verfolgung von Änderungen in Geschwindigkeit und Beschleunigung spielen diese Sensoren eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Position des Geräts in verschiedenen Intervallen.

Gyroskope sind physische Sensoren, die die Winkelposition und -bewegung eines Objekts oder Geräts relativ zu einem bestimmten Trägheitsbezugsrahmen erfassen. Sie sind unerlässlich, um die genaue Ausrichtung von Geräten in Bezug auf andere Bezugspunkte und Trägheitsrahmen zu bestimmen.

Magnetometer erfassen Magnetfelder und dienen als Navigationsbezugspunkte für Geräte, Roboter und komplexe Systeme.

GPS-Empfänger, die sich mit dem Global Navigation Satellite System (GNSS) verbinden, ergänzen das Trägheitssystem mit zusätzlichen Positionsdaten. Antennen können integriert werden, um den Zugriff des autonomen Systems auf das GNSS-Netzwerk zu verbessern.

Ein Mikroprozessor führt die für den Systembetrieb erforderliche Firmware aus. Interne Speichergeräte können optional die Bewegungen, Standorte und Aktivitäten des Systems während des Betriebs protokollieren.

Formfaktor

Geräte werden typischerweise für geschützte oder robuste Umgebungen entwickelt. In Umgebungen, in denen Sensoren vor äußeren Einflüssen geschützt werden können, sind gehäuselose Designs verfügbar, um die Stellfläche zu minimieren. Für Anwendungen wie Drohnen, die unter rauen Bedingungen arbeiten, sind robuste Aluminiumgehäuse Standard.

Inertial Measurement Units (IMUs) integrieren mikroelektromechanische Systeme (MEMS), Gyroskope, Magnetometer und Beschleunigungsmesser in einem einzigen, benutzerfreundlichen Gerät zur Verwaltung der Roboternavigation. Ein Attitude and Heading Reference System (AHRS) baut auf der IMU-Funktionalität auf, indem es die Fähigkeit hinzufügt, die Ausrichtung des Robotersystems relativ zu festen Bezugspunkten zu erkennen und darauf zu reagieren. Die GPS-Antenne liefert Satellitendaten, um Navigationsfunktionen zu ermöglichen. Darüber hinaus sind Dual-Compassing-Einheiten verfügbar, um magnetische Interferenzen während der Kursbestimmung zu mindern, was eine schnellere Kalibrierung und einen schnelleren Systemstart ermöglicht. Zusammen bilden diese Komponenten – IMU, AHRS und GNSS – ein komplettes Trägheitsnavigationssystem (INS).

Auswahl kostengünstiger Inertial Measurement Units

Bei der Beschaffung von Hardware für Trägheitsnavigationssysteme beeinflussen mehrere Faktoren die Kosten und Effektivität von IMUs erheblich:

Glasfasergyroskope reduzieren die Anzahl der Sensoren, die für präzise Messwerte benötigt werden, sind aber mit einem erheblichen Preisaufschlag verbunden – manchmal bis zu 100 Mal höher als herkömmliche Alternativen. Hochwertige Gyroskope und andere Hardwarekomponenten erhöhen die Genauigkeit und minimieren die Drift.

Kostengünstige Kombinationen aus Beschleunigungsmessern, Gyroskopen, GPS-Systemen und Magnetometern liefern oft eine ausreichende Navigationsleistung für Systeme, die in geschlossenen Umgebungen oder mit bescheidenen Präzisionsanforderungen arbeiten. Daten von diesen Sensoren werden kombiniert, um einzelne Sensorfehler zu kompensieren – ein Phänomen, das als Sensorfusion bezeichnet wird (siehe unten). In diesem Fall übertrifft die kombinierte Leistung die Summe der einzelnen Komponenten.

Für die meisten Unternehmen bietet diese Mischung aus erschwinglichen Sensoren das richtige Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten. Die Ermittlung des optimalen Gleichgewichts gewährleistet den Einsatz von kosteneffizienten IMUs, die auf die individuellen Bedürfnisse des Unternehmens zugeschnitten sind.

Trägheitsnavigations-Firmware

INS-Firmware umfasst zwei Kernelemente:

Sensorfusions-Firmware überträgt Daten von allen Hardwaresensoren an die Verarbeitungseinheit und formatiert sie für die Kompatibilität mit dem Mikroprozessor des Geräts.

Der Kalman-Filter ist entscheidend für die Gewährleistung der Genauigkeit der Sensordaten, ist aber nicht immer im Lieferumfang der Sensoren enthalten. Wenn er bereitgestellt wird, handelt es sich typischerweise um ein proprietäres Programm, das auf die spezifische Hardwarekonfiguration und den Hersteller zugeschnitten ist. Kalman-Filter eliminieren externe Daten (als „Rauschen“ bezeichnet) und optimieren so die Nutzung der Rechenressourcen für die autonome Navigation.

Zu den Schlüsselfaktoren für eine effektive Datenfilterung gehören Datenerfassungs- und -übertragungsmethoden sowie eine gründliche Dokumentation – insbesondere während der ersten Implementierung – um Bereiche für Verbesserungen zu identifizieren. Benutzerfreundliche Oberflächen und Echtzeit-Datenvisualisierung tragen ebenfalls zum Gesamterfolg des Projekts bei.

INS-Implementierung

Die INS-Implementierung erfordert typischerweise die größte Investition in Ressourcen und Zeit. Zu den wichtigsten Komponenten dieses Prozesses gehören die folgenden Phasen:

INS-Scoping-Phase

Bewertung der auf dem Markt verfügbaren INS-Lösungen

Bestimmung der für das autonome Navigationsprojekt erforderlichen Sensortypen

Beurteilung der Fähigkeit des Trägheitsnavigationsanbieters, die gewünschten Ergebnisse zu erzielen

INS-Implementierungsprozess

Vollständigkeit und Qualität der Sensor- und Firmware-Dokumentation

Fachwissen und Verfügbarkeit von Sensor-Support-Teams

Kompatibilität zwischen dem gewünschten System und den Sensorfunktionen

Integration des Steuerungssystems mit Sensordaten

Eine gründliche Recherche und Bewertung dieser Faktoren sind bei der Auswahl eines INS-Herstellers unerlässlich. Idealerweise bietet der gewählte Sensor die richtige Hardware, Firmware und Implementierungsunterstützung – alles innerhalb einer Kostenstruktur, die sicherstellt, dass das autonome Robotersystem sowohl leistungsstark als auch rentabel ist. Dies bereitet den Weg für eine kurze Einführung in unsere Lösungen bei Inertial Sense.

Inertial Sense: Ihr Partner für autonome Navigation

Bei Inertial Sense sind wir darauf spezialisiert, optimale, praktische Lösungen für autonome Navigationsanforderungen zu liefern. Unsere Angebote umfassen wichtige Funktionen, die darauf ausgelegt sind, die Implementierung zu rationalisieren und die Ergebnisse zu maximieren:

INS-Hardware

Unsere INS-Sensoren zeichnen sich durch ein unübertroffenes Verhältnis von Stellfläche zu Leistung aus. Zuverlässig und präzise, sind sie kompakt genug, um auf einen Cent zu passen.

INS-Firmware

Unser über ein Jahrzehnt verfeinerter Kalman-Filter liefert nahezu fehlerfreie Daten und stellt sicher, dass Geräte mit minimaler Drift auf Kurs bleiben.

Unsere proprietäre Sensorfusionslösung ermöglicht die Integration mit einer Vielzahl von Sensoren – auch mit solchen, die nicht von uns hergestellt werden.

INS-Implementierung

Wir bieten ein integriertes Evaluierungstool, das Echtzeit-Fehlerbehebung und -Korrektur von Daten sowie die Leistungsbewertung einzelner Sensoren ermöglicht. Dies spart Zeit und Aufwand bei der Überprüfung der Systemgenauigkeit während des Betriebs.

Unser dediziertes Software Development Kit (SDK) wird regelmäßig aktualisiert und verfügt über eine intuitive Benutzeroberfläche und eine umfassende Dokumentation. Kunden erhalten kostenlosen Zugriff auf die neuesten Updates und werden über laufende Verbesserungen informiert.

Bei Inertial Sense sind wir stolz darauf, die branchenweit einfachsten und bequemsten Implementierungsprozesse anzubieten. Wir arbeiten eng mit den Kunden zusammen, um die notwendige Schulung und Unterstützung für ein nahtloses Erlebnis bereitzustellen.

Unsere Dokumentation ist frei von Fachjargon und beseitigt Hindernisse für die schnelle Einführung unserer autonomen Navigationssysteme. Darüber hinaus bieten wir Live-Support durch Menschen mit Bildschirmfreigabefunktionen und schnellen Reaktionszeiten, um sicherzustellen, dass sich Kunden bei Bedarf an einen echten Experten wenden können.