1. مقدمه
ژیروسکوپ فیبر نوری (FOG) برای مدت طولانی راه حل اصلی برای ناوبری تاکتیکی و با دقت بالا بوده است. این به عنوان یک جایگزین قابل اعتماد ارزان قیمت برای فناوریهای ژیروسکوپ سنتی پیشرفته عمل میکند. با این حال، با ارتقای سریع حسگرهای اینرسی MEMS در سال های اخیر، ژیروسکوپ های MEMS با کارایی بالا به تدریج با محصولات FOG رده پایین و میان رده رقابت می کنند.
امروزه، MEMS به طور گسترده در تثبیت آنتن، کنترل ماشین آلات کشاورزی، ناوبری وسایل نقلیه بدون سرنشین و سایر زمینه هایی که زمانی تحت سلطه FOG بودند، استفاده می شود. برای روشن کردن شکاف عملکرد واقعی بین دو فناوری، ما یک آزمایش مقایسه عملی بین MEMS IMU تاکتیکی پیشرفته و FOG صنعتی سطح ابتدایی انجام دادیم که پیکربندی سختافزار، الگوریتم نرمافزار و نتایج ناوبری واقعی را پوشش میدهد.
2. ارتقاء فنی MEMS مدرن برای ناوبری دقیق
MEMS های ارزان قیمت سنتی دارای خطاهای بزرگ و پایداری ضعیف بودند که بسیار پایین تر از FOG بودند. اما حسگرهای ارتقا یافته MEMS امروزی در پایداری بایاس، توانایی ضد لرزش، پهنای باند و حساسیت به g بسیار بهبود یافته اند. MEMS مدرن با پشتیبانی از عملکرد با سرعت بالا و الگوریتم های پیشرفته جبران خطای حسگر، می تواند به عملکرد ناوبری در سطح تاکتیکی دست یابد.
بیشتر و بیشتر سناریوهای ناوبری صنعتی و فضای باز از FOG به MEMS درجه بالا تغییر می کنند. موارد معمولی عبارتند از تثبیت آرایه آنتن، ماشین آلات کشاورزی دقیق و تجهیزات مختلف بدون سرنشین (UAV/UGV/USV). در گذشته، کاربران فقط می توانستند سیستم های گران قیمت FOG یا RLG (بیش از 30000 دلار) را برای دقت پایدار انتخاب کنند. اکنون، MEMS ارتقا یافته می تواند عملکرد پایه قابل مقایسه ای را تنها با یک دهم هزینه ارائه دهد.
3. تست پیکربندی سخت افزار سیستم
ما دو سیستم ناوبری کامل INS/GNSS با الگوریتم نرم افزاری مشابه و شرایط آزمایشی برای مقایسه منصفانه ساختیم.
3.1 سیستم هیبریدی FOG
این سیستم از FOG دوگانه برای اندازهگیری انحراف و گام، یک ژیروسکوپ MEMS برای اندازهگیری رول، بهعلاوه شتابسنج استاندارد سه محوره، مغناطیسسنج و فشارسنج استفاده میکند. کل هزینه BOM حدود 8000 دلار (دسته کوچک) است. FOG انتخاب شده دارای پهنای باند بالا، بایاس پایدار و راه رفتن تصادفی زاویه ای کم است که برای سناریوهای پویا و با ثبات بالا مناسب است.
3.2 سیستم MEMS کامل
این سیستم از سه ژیروسکوپ MEMS پیشرفته برای سنجش چرخش تمام محور استفاده می کند که با همان سنسورهای کمکی سیستم FOG مطابقت دارد. هزینه کل فقط حدود 1000 دلار است که 8 تا 10 برابر ارزان تر از راه حل FOG است. MEMS IMU با درجه صنعتی پذیرفته شده تعادل عالی پهنای باند، پایداری، مقاومت در برابر نویز و لرزش را با حساسیت محور متقاطع بسیار کم پس از کالیبراسیون کارخانه به دست می آورد.
3.3 پارامترهای کلیدی سنسور هسته
مشخصات هسته MEMS IMU: پهنای باند 330 هرتز، پایداری بایاس ژیروسکوپ 6.25 درجه در ساعت، خطای محور متقاطع بسیار کم (0.087٪)، سرکوب لرزش عالی و عملکرد خطی.
مشخصات FOG Core: پهنای باند فوقالعاده 1000 هرتز، پایداری بایاس 3 درجه در ساعت، راه رفتن تصادفی زاویهای بسیار کمتر، مقاومت درازمدت رانش بهتر.
4. چارچوب نرم افزار ناوبری
هر دو سیستم همان الگوریتم ناوبری پرسرعت 1000 هرتز را بر اساس راه حل اینرسی سنتی SINS اجرا می کنند. این سیستم دادههای چند منبع را برای سرکوب رانش ترکیب میکند، از جمله موقعیت و سرعت GNSS، عنوان آنتن دوگانه، عنوان مغناطیسسنج، ارتفاع فشارسنج، و دادههای اختیاری سرعت OBDII خودرو.
هر سنسور کمکی نقصهای کاری متفاوتی را جبران میکند: GNSS دریفت موقعیت کلی را تصحیح میکند، مغناطیسسنج به راهاندازی اولیه در هنگام قطع GNSS کمک میکند، فشارسنج دادههای ارتفاع را تثبیت میکند، و سرعت خودرو OBDII به طور موثری رانش مسیر را در محیطهای پیچیده سرکوب میکند. کل سیستم نرم افزاری برای انطباق با شرایط کاری GNSS کامل، از آسمان باز تا سناریوهای سرپناه شهری طراحی شده است.
5. سه تست مقایسه ناوبری استاندارد
ما سه گروه از تستهای سطح سیستم را برای تأیید کامل تفاوت عملکرد بین MEMS و FOG در سناریوهای قطع روزانه، پیچیده و شدید GNSS طراحی کردیم.
5.1 تست آسمان باز (سیگنال GNSS خوب)
در محیط های باز با سیگنال های ماهواره ای کافی، هر دو سیستم به دقت بسیار نزدیکی دست می یابند. مقایسه خطای نگرش به شرح زیر است:
سیستم مه شکن: رول 0.08 درجه، گام 0.08 درجه، سمت 0.13 درجه
سیستم MEMS: رول 0.10 درجه، گام 0.10 درجه، هدینگ 0.14 درجه
تحت شرایط GNSS خوب، MEMS در مقایسه با FOG تنها دارای یک شکاف عملکرد کوچک در حدود 5٪ است و هر دو می توانند نیازهای تثبیت نگرش با دقت بالا را برآورده کنند.
5.2 تست پیچیده شهری (چند مسیری و GNSS ضعیف)
در سناریوهای مرکز شهری با ساختمانهای بلند و جادههای باریک، سیگنالهای GNSS از بازتاب و تضعیف شدید رنج میبرند. خطای راه حل GPS خالص می تواند تا 100 متر برسد.
راه حل همجوشی FOG خطای موقعیت یابی را در فاصله 10 متری با مسیر ثابت و صاف حفظ می کند. راه حل اصلی MEMS در فاصله 15 متری قرار دارد و کمی تحت تأثیر به روز رسانی های ناپایدار GNSS قرار دارد و دارای شکاف عملکردی 20٪ تا 30٪ در مقایسه با FOG است.
پس از افزودن دادههای سرعت خودرو OBDII برای همجوشی کمکی، سیستم MEMS بهینهسازی شده نیز خطا را در فاصله 10 متری به طور پایدار کنترل میکند و تقریباً به همان سطح FOG میرسد.
5.3 آزمایش INS خالص (خروج کامل GNSS)
این مهم ترین آزمایش برای تأیید قابلیت ناوبری مستقل است. ما تمام سیگنالهای GNSS را بهمدت 4.5 دقیقه (فاصله رانندگی در حدود 5500 متر) به طور مداوم قطع کردیم تا عملکرد رانش اینرسی خالص را مقایسه کنیم.
سیستم مه: حداکثر رانش تنها 7 متر، پایداری ناوبری مستقل طولانی مدت عالی.
سیستم MEMS اصلی: حداکثر رانش به 75 متر می رسد، حدود 3 برابر بزرگتر از FOG، که عمدتاً ناشی از تجمع خطای مسیر شتاب سنج است.
MEMS بهینه شده با OBDII: رانش به کمتر از 10 متر کاهش یافته است که کاملاً با عملکرد ناوبری مستقل FOG قابل مقایسه است.
6. نتیجه گیری و راهنمای انتخاب برنامه
شکاف عملکرد بین MEMS مدرن پیشرفته و FOG پایین به سرعت در حال کاهش است و مزیت مطلق سنتی FOG به تدریج ضعیف می شود.
مزایای مه: پایداری طولانیمدت بهتر، رانش اینرسی خالص کوچکتر، سازگاری قویتر با محیطهای شدید و ناوبری کاملا مستقل با دقت بالا بدون هیچ سنسور کمکی. هنوز هم اولین انتخاب برای وظایف ناوبری استراتژیک و طولانی مدت است.
مزایای MEMS: عملکرد هزینه بسیار بالا (هزینه 1/10 FOG)، اندازه کوچکتر، وزن سبک تر و مصرف برق کمتر. با پشتیبانی از سیگنال GNSS یا ادغام حسگر کمکی ساده (مانند سرعت خودرو)، MEMS رده بالا می تواند جایگزین FOG پایین در اکثر سناریوهای تاکتیکی و صنعتی شود.
پیشنهاد انتخاب:
-
برای سناریوهای آسمان باز با سیگنال های GNSS پایدار، MEMS به طور کامل جایگزین FOG پایین با عملکرد هزینه بالاتر می شود.
-
برای سناریوهای پیچیده سیگنال ضعیف شهری، MEMS با همجوشی چند سنسوری میتواند به دقت در سطح FOG دست یابد.
-
برای ناوبری کاملا مستقل طولانی مدت بدون هیچ سیگنال خارجی، FOG همچنان مزایای غیرقابل جایگزینی را حفظ می کند.
با تکرار مداوم فناوری MEMS و الگوریتمهای همجوشی چند سنسوری، MEMS با کارایی بالا بیشتر جایگزین کاربردهای سنتی FOG پایین و متوسط در زمینههای تجاری و صنعتی بیشتر در آینده خواهد شد.
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!
