Padroneggiare l'INS: un manuale completo per le soluzioni di navigazione autonoma

Per le aziende moderne che desiderano integrare i sistemi di navigazione inerziale (INS) nelle loro operazioni commerciali complessive, comprendere i componenti principali e i meccanismi operativi degli INS è indispensabile. Nel campo della navigazione inerziale e delle unità di misura inerziale (IMU), tre elementi si distinguono come critici: hardware, firmware e implementazione. Di seguito è riportata una ripartizione dei fondamenti dei sistemi inerziali su misura per le aziende contemporanee.

Hardware: Ciò implica trovare un equilibrio tra qualità, quantità e costo dei sensori, considerazioni chiave per qualsiasi implementazione INS.

Firmware: Comprendendo il filtraggio, la fusione e l'elaborazione dei dati, il firmware è fondamentale per garantire la precisione e le alte prestazioni degli INS. In particolare, le soluzioni firmware non sono standardizzate tra i produttori.

Implementazione: Spesso trascurata, ma probabilmente l'aspetto più cruciale della selezione di un INS, l'implementazione comprende la qualità della documentazione e la competenza del supporto. Questi fattori possono fare la differenza tra il lancio di un prodotto nei tempi previsti e nel budget.

Funzionalità principale di INS

I sistemi di navigazione inerziale calcolano la posizione dei dispositivi rispetto a specifici punti di riferimento o coordinate fisse. All'interno della robotica e dell'automazione, le implementazioni INS regolano rollio e beccheggio, monitorando e mantenendo continuamente la direzione, la posizione e la velocità. Per raggiungere questo obiettivo è necessaria una collaborazione senza soluzione di continuità tra più componenti per costruire sistemi di robotica e navigazione autonomi funzionali.

Affinché un sistema robotico possa operare in modo autonomo, deve avere una chiara consapevolezza della sua posizione attuale, del suo orientamento, della destinazione desiderata e del percorso di navigazione. Tutto questo inizia con i componenti hardware.

Componenti chiave dei sistemi di navigazione inerziale

Un INS comprende tre componenti fondamentali:

Hardware

Firmware o software

Implementazione

Ognuno di questi elementi deve essere valutato attentamente quando si seleziona un INS che si allinei ai requisiti specifici di un prodotto.

Hardware INS per sistemi autonomi

L'hardware che alimenta la navigazione autonoma tramite INS include in genere alcuni o tutti i seguenti componenti:

Sensori INS

Gli accelerometri misurano l'accelerazione e la velocità relativa del dispositivo in cui sono installati. Tracciando le variazioni di velocità e accelerazione, questi sensori svolgono un ruolo fondamentale nel determinare la posizione del dispositivo a vari intervalli.

I giroscopi sono sensori fisici che rilevano la posizione angolare e il movimento di un oggetto o dispositivo rispetto a uno specifico sistema di riferimento inerziale. Sono essenziali per individuare l'atteggiamento esatto dei dispositivi in relazione ad altri punti di riferimento e sistemi inerziali.

I magnetometri rilevano i campi magnetici, fungendo da punti di riferimento per la navigazione di dispositivi, robot e sistemi complessi.

I ricevitori GPS, che si collegano al Global Navigation Satellite System (GNSS), integrano il sistema inerziale con dati posizionali aggiuntivi. Le antenne possono essere integrate per migliorare l'accesso del sistema autonomo alla rete GNSS.

Un microprocessore esegue il firmware necessario per il funzionamento del sistema. I dispositivi di archiviazione interni possono facoltativamente registrare i movimenti, le posizioni e le attività del sistema durante il funzionamento.

Form Factor

I dispositivi sono in genere progettati per ambienti protetti o robusti. Nelle impostazioni in cui i sensori possono essere schermati dalle condizioni esterne, sono disponibili design senza involucro per ridurre al minimo l'ingombro. Per applicazioni come i droni, che operano in condizioni difficili, gli involucri in alluminio rinforzato sono standard.

Le unità di misura inerziale (IMU) integrano sistemi micro-elettromeccanici (MEMS), giroscopi, magnetometri e accelerometri in un unico dispositivo intuitivo per la gestione della navigazione robotica. Un sistema di riferimento di assetto e direzione (AHRS) si basa sulla funzionalità IMU aggiungendo la capacità di rilevare e rispondere all'assetto del sistema robotico rispetto a punti di riferimento fissi. L'antenna GPS fornisce dati satellitari per abilitare le capacità di navigazione. Inoltre, sono disponibili unità a doppia bussola per mitigare le interferenze magnetiche durante l'acquisizione della direzione, consentendo una calibrazione più rapida e un avvio più rapido del sistema. Insieme, questi componenti, IMU, AHRS e GNSS, costituiscono un sistema di navigazione inerziale (INS) completo.

Selezione di unità di misura inerziale convenienti

Quando si acquista hardware per sistemi di navigazione inerziale, diversi fattori influenzano in modo significativo il costo e l'efficacia delle IMU:

I giroscopi a fibra ottica riducono il numero di sensori necessari per letture precise, ma hanno un costo elevato, a volte fino a 100 volte superiore rispetto alle alternative convenzionali. Giroscopi di alta qualità e altri componenti hardware migliorano la precisione e riducono al minimo la deriva.

Combinazioni convenienti di accelerometri, giroscopi, sistemi GPS e magnetometri offrono spesso prestazioni di navigazione sufficienti per i sistemi che operano in ambienti chiusi o quelli con requisiti di precisione modesti. I dati di questi sensori vengono combinati per compensare gli errori dei singoli sensori, un fenomeno noto come fusione dei sensori (dettagliata di seguito). In questo caso, le prestazioni combinate superano la somma dei singoli componenti.

Per la maggior parte delle aziende, questo mix di sensori convenienti trova il giusto equilibrio tra prestazioni e costi. L'identificazione dell'equilibrio ottimale garantisce l'implementazione di IMU convenienti su misura per le esigenze specifiche dell'azienda.

Firmware di navigazione inerziale

Il firmware INS comprende due elementi principali:

Il firmware di fusione dei sensori trasmette i dati da tutti i sensori hardware all'unità di elaborazione, formattandoli per la compatibilità con il microprocessore del dispositivo.

Il filtro di Kalman è fondamentale per garantire l'accuratezza dei dati dei sensori, ma non è sempre incluso con gli acquisti dei sensori. Se fornito, è in genere un programma proprietario personalizzato per la specifica configurazione hardware e il produttore. I filtri di Kalman eliminano i dati estranei (denominati “rumore”), ottimizzando l'utilizzo delle risorse di calcolo per la navigazione autonoma.

I fattori chiave per un efficace filtraggio dei dati includono i metodi di raccolta e trasmissione dei dati, nonché una documentazione completa, in particolare durante l'implementazione iniziale, per identificare le aree di miglioramento. Anche le interfacce intuitive e la velocità di visualizzazione dei dati in tempo reale contribuiscono al successo complessivo del progetto.

Implementazione INS

L'implementazione INS richiede in genere il maggiore investimento di risorse e tempo. I componenti chiave di questo processo includono le seguenti fasi:

Fase di definizione dell'ambito INS

Valutazione delle soluzioni INS disponibili sul mercato

Determinazione dei tipi di sensori necessari per il progetto di navigazione autonoma

Valutazione della capacità del fornitore di navigazione inerziale di fornire i risultati desiderati

Processo di implementazione INS

Completezza e qualità della documentazione dei sensori e del firmware

Competenza e disponibilità dei team di supporto dei sensori

Compatibilità tra il sistema desiderato e le capacità dei sensori

Integrazione del sistema di controllo con i dati dei sensori

Una ricerca e una definizione dell'ambito approfondite di questi fattori sono essenziali quando si seleziona un produttore di INS. Idealmente, il sensore scelto offrirà l'hardware, il firmware e il supporto all'implementazione giusti, il tutto all'interno di una struttura dei costi che garantisca che il sistema robotico autonomo sia sia ad alte prestazioni che redditizio. Questo pone le basi per una breve introduzione alle nostre soluzioni presso Inertial Sense.

Inertial Sense: il tuo partner nella navigazione autonoma

In Inertial Sense, siamo specializzati nella fornitura di soluzioni ottimali e pratiche per le esigenze di navigazione autonoma. Le nostre offerte includono funzionalità chiave progettate per semplificare l'implementazione e massimizzare i risultati:

Hardware INS

I nostri sensori INS vantano un rapporto ingombro-prestazioni senza rivali. Affidabili e precisi, sono abbastanza compatti da stare su un centesimo.

Firmware INS

Il nostro filtro di Kalman, perfezionato da oltre un decennio, fornisce dati quasi privi di errori, garantendo che i dispositivi rimangano in rotta con una deriva minima.

La nostra soluzione proprietaria di fusione dei sensori consente l'integrazione con un'ampia gamma di sensori, inclusi quelli non prodotti da noi.

Implementazione INS

Forniamo uno strumento di valutazione integrato che consente la risoluzione dei problemi e la correzione degli errori dei dati in tempo reale, nonché la valutazione delle prestazioni dei singoli sensori. Ciò consente di risparmiare tempo e fatica nella verifica dell'accuratezza del sistema durante il funzionamento.

Il nostro kit di sviluppo software (SDK) dedicato viene regolarmente aggiornato, con un'interfaccia intuitiva e una documentazione completa. I clienti ricevono l'accesso gratuito agli ultimi aggiornamenti e vengono informati dei miglioramenti in corso.

In Inertial Sense, siamo orgogliosi di offrire i processi di implementazione più semplici e convenienti del settore. Collaboriamo a stretto contatto con i clienti per fornire la formazione e il supporto necessari per un'esperienza senza soluzione di continuità.

La nostra documentazione è priva di gergo tecnico, rimuovendo le barriere alla rapida adozione dei nostri sistemi di navigazione autonoma. Inoltre, offriamo supporto umano dal vivo con funzionalità di condivisione dello schermo e tempi di risposta rapidi, garantendo che i clienti possano connettersi con un vero esperto quando è necessaria assistenza.