تسلط بر آی ان اس: یک کتابچه کامل برای راه حل های ناوبری مستقل

برای شرکت‌های مدرنی که به دنبال ادغام سیستم‌های ناوبری اینرسی (INS) در عملیات کلی کسب‌وکار خود هستند، درک اجزای اصلی و مکانیسم‌های عملیاتی INS ضروری است. در حوزه ناوبری اینرسی و واحدهای اندازه‌گیری اینرسی (IMU)، سه عنصر برجسته هستند: سخت‌افزار، سیستم‌عامل و پیاده‌سازی. در زیر، تجزیه‌ای از اصول سیستم‌های اینرسی متناسب با کسب‌وکارهای امروزی ارائه شده است.

سخت‌افزار: این شامل ایجاد تعادل بین کیفیت، کمیت و هزینه حسگرها است—ملاحظات کلیدی برای هر استقرار INS.

سیستم‌عامل: سیستم‌عامل که شامل فیلتر کردن، ادغام و پردازش داده‌ها است، برای اطمینان از دقت INS و عملکرد بالا حیاتی است. قابل ذکر است که راه‌حل‌های سیستم‌عامل در بین تولیدکنندگان استاندارد نیستند.

پیاده‌سازی: اغلب نادیده گرفته می‌شود، اما شاید مهم‌ترین جنبه انتخاب یک INS باشد، پیاده‌سازی شامل کیفیت مستندات و تخصص پشتیبانی است. این عوامل می‌توانند تفاوت تعیین‌کننده‌ای بین راه‌اندازی یک محصول طبق برنامه و در بودجه ایجاد کنند.

عملکرد اصلی INS

سیستم‌های ناوبری اینرسی موقعیت دستگاه‌ها را نسبت به نقاط مرجع خاص یا مختصات ثابت محاسبه می‌کنند. در رباتیک و اتوماسیون، پیاده‌سازی‌های INS، رول و پیچ را تنظیم می‌کنند، در حالی که به طور مداوم جهت، موقعیت و سرعت را نظارت و حفظ می‌کنند. دستیابی به این امر نیازمند همکاری یکپارچه در چندین مؤلفه برای ساخت رباتیک خودمختار و سیستم‌های ناوبری کاربردی است.

برای اینکه یک سیستم رباتیک به طور مستقل عمل کند، باید از موقعیت فعلی، جهت‌گیری، مقصد مورد نظر و مسیر ناوبری خود آگاهی داشته باشد. همه اینها با اجزای سخت‌افزاری شروع می‌شود.

اجزای کلیدی سیستم‌های ناوبری اینرسی

یک INS از سه جزء اساسی تشکیل شده است:

سخت‌افزار

سیستم‌عامل یا نرم‌افزار

پیاده‌سازی

هر یک از این عناصر باید هنگام انتخاب یک INS که با الزامات خاص یک محصول همسو باشد، با دقت ارزیابی شوند.

سخت‌افزار INS برای سیستم‌های خودمختار

سخت‌افزاری که ناوبری خودمختار را از طریق INS تقویت می‌کند، معمولاً شامل برخی یا همه اجزای زیر است:

سنسورهای INS

شتاب‌سنج‌ها، شتاب و سرعت نسبی دستگاهی را که در آن نصب شده‌اند، اندازه‌گیری می‌کنند. با ردیابی تغییرات سرعت و شتاب، این حسگرها نقش حیاتی در تعیین موقعیت دستگاه در فواصل مختلف ایفا می‌کنند.

ژیروسکوپ‌ها حسگرهای فیزیکی هستند که موقعیت زاویه‌ای و حرکت یک شی یا دستگاه را نسبت به یک چارچوب مرجع اینرسی خاص تشخیص می‌دهند. آنها برای تعیین دقیق وضعیت دستگاه‌ها در رابطه با سایر نقاط مرجع و فریم‌های اینرسی ضروری هستند.

مغناطیس‌سنج‌ها میدان‌های مغناطیسی را تشخیص می‌دهند و به عنوان نقاط مرجع ناوبری برای دستگاه‌ها، ربات‌ها و سیستم‌های پیچیده عمل می‌کنند.

گیرنده‌های GPS که به سیستم ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) متصل می‌شوند، سیستم اینرسی را با داده‌های موقعیتی اضافی تکمیل می‌کنند. آنتن‌ها ممکن است برای افزایش دسترسی سیستم خودمختار به شبکه GNSS ادغام شوند.

یک ریزپردازنده سیستم‌عامل لازم را برای عملکرد سیستم اجرا می‌کند. دستگاه‌های ذخیره‌سازی داخلی می‌توانند به صورت اختیاری حرکات، مکان‌ها و فعالیت‌های سیستم را در حین کار ثبت کنند.

فرم فاکتور

دستگاه‌ها معمولاً برای محیط‌های محافظت‌شده یا ناهموار مهندسی می‌شوند. در تنظیماتی که حسگرها را می‌توان از شرایط خارجی محافظت کرد، طرح‌های بدون محفظه برای به حداقل رساندن ردپا در دسترس هستند. برای برنامه‌هایی مانند پهپادها که در شرایط سخت کار می‌کنند، محفظه‌های آلومینیومی مقاوم استاندارد هستند.

واحدهای اندازه‌گیری اینرسی (IMU) سیستم‌های میکرو-الکترومکانیکی (MEMS)، ژیروسکوپ‌ها، مغناطیس‌سنج‌ها و شتاب‌سنج‌ها را در یک دستگاه واحد و کاربرپسند برای مدیریت ناوبری رباتیک ادغام می‌کنند. یک سیستم مرجع وضعیت و جهت (AHRS) بر اساس عملکرد IMU با افزودن توانایی تشخیص و پاسخ به وضعیت سیستم رباتیک نسبت به نقاط مرجع ثابت ساخته می‌شود. آنتن GPS داده‌های ماهواره‌ای را برای فعال کردن قابلیت‌های ناوبری فراهم می‌کند. علاوه بر این، واحدهای دو قطبی برای کاهش تداخل مغناطیسی در طول اکتساب جهت در دسترس هستند و کالیبراسیون سریع‌تر و راه‌اندازی سریع‌تر سیستم را امکان‌پذیر می‌کنند. این اجزا—IMU، AHRS و GNSS—با هم یک سیستم ناوبری اینرسی (INS) کامل را تشکیل می‌دهند.

انتخاب واحدهای اندازه‌گیری اینرسی مقرون‌به‌صرفه

هنگام تهیه سخت‌افزار برای سیستم‌های ناوبری اینرسی، چندین عامل بر هزینه و اثربخشی IMUها تأثیر می‌گذارند:

ژیروسکوپ‌های فیبر نوری تعداد حسگرهای مورد نیاز برای خوانش‌های دقیق را کاهش می‌دهند، اما با یک قیمت قابل توجه همراه هستند—گاهی اوقات تا 100 برابر بیشتر از جایگزین‌های معمولی. ژیروسکوپ‌ها و سایر اجزای سخت‌افزاری با کیفیت بالا دقت را افزایش داده و رانش را به حداقل می‌رسانند.

ترکیبات مقرون‌به‌صرفه شتاب‌سنج‌ها، ژیروسکوپ‌ها، سیستم‌های GPS و مغناطیس‌سنج‌ها اغلب عملکرد ناوبری کافی را برای سیستم‌های عامل در محیط‌های بسته یا آنهایی که نیازهای دقت متوسطی دارند، ارائه می‌دهند. داده‌های این حسگرها برای جبران خطاهای حسگرهای فردی ترکیب می‌شوند—پدیده‌ای که به عنوان ادغام حسگر (در زیر توضیح داده شده است) شناخته می‌شود. در این حالت، عملکرد ترکیبی از مجموع اجزای فردی فراتر می‌رود.

برای اکثر شرکت‌ها، این ترکیب از حسگرهای مقرون‌به‌صرفه تعادل مناسبی بین عملکرد و هزینه ایجاد می‌کند. شناسایی تعادل بهینه، استقرار IMUهای مقرون‌به‌صرفه را که متناسب با نیازهای منحصر به فرد شرکت هستند، تضمین می‌کند.

سیستم‌عامل ناوبری اینرسی

سیستم‌عامل INS از دو عنصر اصلی تشکیل شده است:

سیستم‌عامل ادغام حسگر، داده‌ها را از تمام حسگرهای سخت‌افزاری به واحد پردازش منتقل می‌کند و آن را برای سازگاری با ریزپردازنده دستگاه قالب‌بندی می‌کند.

فیلتر کالمن برای اطمینان از دقت داده‌های حسگر حیاتی است، اما همیشه با خرید حسگرها گنجانده نمی‌شود. در صورت ارائه، معمولاً یک برنامه اختصاصی است که برای پیکربندی سخت‌افزار و سازنده خاص سفارشی شده است. فیلترهای کالمن داده‌های اضافی (که به عنوان «نویز» نامیده می‌شوند) را حذف می‌کنند و استفاده از منابع محاسباتی را برای ناوبری خودمختار بهینه می‌کنند.

عوامل کلیدی در فیلتر کردن مؤثر داده‌ها شامل روش‌های جمع‌آوری و انتقال داده‌ها و همچنین مستندات کامل—به‌ویژه در طول پیاده‌سازی اولیه—برای شناسایی زمینه‌های بهبود است. رابط‌های کاربرپسند و سرعت تجسم داده‌ها در زمان واقعی نیز به موفقیت کلی پروژه کمک می‌کنند.

پیاده‌سازی INS

پیاده‌سازی INS معمولاً بیشترین سرمایه‌گذاری را در منابع و زمان می‌طلبد. اجزای کلیدی این فرآیند شامل مراحل زیر است:

مرحله تعیین محدوده INS

ارزیابی راه‌حل‌های INS موجود در بازار

تعیین انواع حسگرهای مورد نیاز برای پروژه ناوبری خودمختار

ارزیابی توانایی ارائه‌دهنده ناوبری اینرسی برای ارائه نتایج دلخواه

فرآیند پیاده‌سازی INS

کامل بودن و کیفیت مستندات حسگر و سیستم‌عامل

تخصص و در دسترس بودن تیم‌های پشتیبانی حسگر

سازگاری بین سیستم مورد نظر و قابلیت‌های حسگر

ادغام سیستم کنترل با داده‌های حسگر

تحقیق و تعیین محدوده کامل این عوامل هنگام انتخاب یک تولیدکننده INS ضروری است. در حالت ایده‌آل، حسگر انتخاب‌شده سخت‌افزار، سیستم‌عامل و پشتیبانی پیاده‌سازی مناسب را ارائه می‌دهد—همه در یک ساختار هزینه که تضمین می‌کند سیستم رباتیک خودمختار هم با عملکرد بالا و هم سودآور است. این زمینه را برای یک معرفی مختصر از راه‌حل‌های ما در Inertial Sense فراهم می‌کند.

Inertial Sense: شریک شما در ناوبری خودمختار

در Inertial Sense، ما در ارائه راه‌حل‌های بهینه و عملی برای نیازهای ناوبری خودمختار تخصص داریم. پیشنهادات ما شامل ویژگی‌های کلیدی است که برای ساده‌سازی پیاده‌سازی و به حداکثر رساندن نتایج طراحی شده‌اند:

سخت‌افزار INS

حسگرهای INS ما دارای نسبت ردپای بی‌رقیب به عملکرد هستند. قابل اعتماد و دقیق، آنها به اندازه کافی جمع و جور هستند تا روی یک سکه جا شوند.

سیستم‌عامل INS

فیلتر کالمن ما که بیش از یک دهه اصلاح شده است، داده‌های تقریباً بدون خطا را ارائه می‌دهد و اطمینان می‌دهد که دستگاه‌ها با حداقل رانش در مسیر خود باقی می‌مانند.

راه‌حل ادغام حسگر اختصاصی ما امکان ادغام با طیف گسترده‌ای از حسگرها—از جمله حسگرهایی که توسط ما تولید نمی‌شوند—را فراهم می‌کند.

پیاده‌سازی INS

ما یک ابزار ارزیابی یکپارچه ارائه می‌دهیم که امکان عیب‌یابی و تصحیح خطای داده‌ها در زمان واقعی و همچنین ارزیابی عملکرد حسگرهای فردی را فراهم می‌کند. این باعث صرفه‌جویی در زمان و تلاش در تأیید دقت سیستم در حین کار می‌شود.

کیت توسعه نرم‌افزار (SDK) اختصاصی ما به طور منظم به‌روزرسانی می‌شود و دارای یک رابط بصری و مستندات جامع است. مشتریان به به‌روزرسانی‌های اخیر دسترسی رایگان دارند و از پیشرفت‌های مداوم مطلع می‌شوند.

در Inertial Sense، ما به ارائه ساده‌ترین و راحت‌ترین فرآیندهای پیاده‌سازی در صنعت افتخار می‌کنیم. ما از نزدیک با مشتریان همکاری می‌کنیم تا آموزش و پشتیبانی لازم را برای یک تجربه یکپارچه ارائه دهیم.

مستندات ما عاری از اصطلاحات فنی است و موانع را برای پذیرش سریع سیستم‌های ناوبری خودمختار ما از بین می‌برد. علاوه بر این، ما پشتیبانی زنده انسانی با قابلیت‌های اشتراک‌گذاری صفحه و زمان پاسخ سریع ارائه می‌دهیم و اطمینان می‌دهیم که مشتریان می‌توانند در صورت نیاز به کمک با یک متخصص واقعی ارتباط برقرار کنند.