Освоение INS: полное руководство по автономным навигационным решениям

Для современных предприятий, стремящихся интегрировать инерциальные навигационные системы (ИНС) в свои общие бизнес-операции, понимание основных компонентов и механизмов работы ИНС является необходимым. В области инерциальной навигации и инерциальных измерительных блоков (IMU) выделяются три критически важных элемента: аппаратное обеспечение, прошивка и реализация. Ниже представлен обзор основ инерциальных систем, адаптированных для современных предприятий.

Аппаратное обеспечение: Это предполагает достижение баланса между качеством, количеством и стоимостью датчиков — ключевые соображения для любого развертывания ИНС.

Прошивка: Включая фильтрацию, объединение и обработку данных, прошивка играет ключевую роль в обеспечении точности и высокой производительности ИНС. Примечательно, что решения прошивок не стандартизированы у разных производителей.

Реализация: Часто упускаемый из виду, но, возможно, самый важный аспект при выборе ИНС, реализация включает в себя качество документации и опыт поддержки. Эти факторы могут стать решающей разницей между запуском продукта в срок и в рамках бюджета.

Основные функцииИНС

Инерциальные навигационные системы вычисляют положение устройств относительно конкретных контрольных точек или фиксированных координат. В робототехнике и автоматизации реализации ИНС регулируют крен и тангаж, непрерывно отслеживая и поддерживая курс, положение и скорость. Достижение этого требует бесперебойного взаимодействия между несколькими компонентами для создания функциональных автономных робототехнических и навигационных систем.

Чтобы роботизированная система работала автономно, она должна четко осознавать свое текущее местоположение, ориентацию, целевое место назначения и траекторию навигации. Все это начинается с аппаратных компонентов.

Ключевые компоненты инерциальных навигационных систем

ИНС состоит из трех основных компонентов:

Аппаратное обеспечение

Прошивка или программное обеспечение

Реализация

Каждый из этих элементов следует тщательно оценивать при выборе ИНС, которая соответствует конкретным требованиям продукта.

Аппаратное обеспечение ИНС для автономных систем

Аппаратное обеспечение, которое обеспечивает автономную навигацию через ИНС, обычно включает в себя некоторые или все из следующих компонентов:

Датчики ИНС

Акселерометры измеряют ускорение и относительную скорость устройства, в котором они установлены. Отслеживая изменения скорости и ускорения, эти датчики играют жизненно важную роль в определении положения устройства через различные интервалы.

Гироскопы — это физические датчики, которые обнаруживают угловое положение и движение объекта или устройства относительно определенной инерциальной системы отсчета. Они необходимы для точного определения точного положения устройств по отношению к другим контрольным точкам и инерциальным системам.

Магнитометры обнаруживают магнитные поля, служа навигационными ориентирами для устройств, роботов и сложных систем.

GPS-приемники, которые подключаются к Глобальной навигационной спутниковой системе (GNSS), дополняют инерциальную систему дополнительными данными о положении. Антенны могут быть интегрированы для расширения доступа автономной системы к сети GNSS.

Микропроцессор запускает необходимую прошивку для работы системы. Внутренние запоминающие устройства могут дополнительно регистрировать движения, местоположения и действия системы во время работы.

Форм-фактор

Устройства обычно разрабатываются либо для защищенных, либо для жестких условий эксплуатации. В условиях, когда датчики могут быть защищены от внешних воздействий, доступны конструкции без корпуса для минимизации занимаемой площади. Для таких применений, как дроны, которые работают в суровых условиях, стандартными являются упрочненные алюминиевые корпуса.

Инерциальные измерительные блоки (IMU) объединяют микроэлектромеханические системы (MEMS), гироскопы, магнитометры и акселерометры в одно удобное для пользователя устройство для управления роботизированной навигацией. Система определения ориентации и курса (AHRS) основывается на функциональности IMU, добавляя возможность обнаружения и реагирования на ориентацию роботизированной системы относительно фиксированных контрольных точек. Антенна GPS предоставляет спутниковые данные для обеспечения навигационных возможностей. Кроме того, доступны блоки двойного компаса для смягчения магнитных помех во время определения курса, что обеспечивает более быструю калибровку и более быстрый запуск системы. Вместе эти компоненты — IMU, AHRS и GNSS — составляют полную инерциальную навигационную систему (ИНС).

Выбор экономичных инерциальных измерительных блоков

При закупке оборудования для инерциальных навигационных систем несколько факторов существенно влияют на стоимость и эффективность IMU:

Волоконно-оптические гироскопы уменьшают количество датчиков, необходимых для точных показаний, но имеют значительную ценовую надбавку — иногда в 100 раз выше, чем у обычных альтернатив. Высококачественные гироскопы и другие аппаратные компоненты повышают точность и минимизируют дрейф.

Экономичные комбинации акселерометров, гироскопов, GPS-систем и магнитометров часто обеспечивают достаточную навигационную производительность для систем, работающих в закрытых помещениях или с умеренными требованиями к точности. Данные с этих датчиков объединяются для компенсации ошибок отдельных датчиков — явление, известное как объединение датчиков (подробно описано ниже). В этом случае общая производительность превышает сумму отдельных компонентов.

Для большинства предприятий эта комбинация доступных датчиков обеспечивает правильный баланс между производительностью и стоимостью. Определение оптимального равновесия обеспечивает развертывание экономичных IMU, адаптированных к уникальным потребностям компании.

Прошивка инерциальной навигации

Прошивка ИНС состоит из двух основных элементов:

Прошивка объединения датчиков передает данные со всех аппаратных датчиков в процессорный блок, форматируя их для совместимости с микропроцессором устройства.

Фильтр Калмана имеет решающее значение для обеспечения точности данных датчиков, но не всегда входит в комплект поставки датчиков. При предоставлении это, как правило, проприетарная программа, настроенная для конкретной аппаратной конфигурации и производителя. Фильтры Калмана устраняют посторонние данные (называемые «шумом»), оптимизируя использование вычислительных ресурсов для автономной навигации.

Ключевые факторы эффективной фильтрации данных включают методы сбора и передачи данных, а также тщательную документацию — особенно во время первоначальной реализации — для выявления областей для улучшения. Удобные интерфейсы и скорость визуализации данных в реальном времени также способствуют общему успеху проекта.

Реализация ИНС

Реализация ИНС обычно требует наибольших вложений ресурсов и времени. Основные компоненты этого процесса включают следующие этапы:

Этап определения области применения ИНС

Оценка доступных решений ИНС на рынке

Определение типов датчиков, необходимых для проекта автономной навигации

Оценка способности поставщика инерциальной навигации достигать желаемых результатов

Процесс реализации ИНС

Полнота и качество документации по датчикам и прошивке

Опыт и доступность команд поддержки датчиков

Совместимость между желаемой системой и возможностями датчиков

Интеграция системы управления с данными датчиков

Тщательное исследование и определение области применения этих факторов необходимы при выборе производителя ИНС. В идеале, выбранный датчик будет предлагать правильное аппаратное обеспечение, прошивку и поддержку реализации — и все это в структуре затрат, которая гарантирует, что автономная роботизированная система будет как высокопроизводительной, так и прибыльной. Это закладывает основу для краткого знакомства с нашими решениями в Inertial Sense.

Inertial Sense: Ваш партнер в автономной навигации

В Inertial Sense мы специализируемся на предоставлении оптимальных, практичных решений для автономной навигации. Наши предложения включают ключевые функции, предназначенные для оптимизации реализации и максимизации результатов:

Аппаратное обеспечение ИНС

Наши датчики ИНС имеют непревзойденное соотношение занимаемой площади к производительности. Надежные и точные, они достаточно компактны, чтобы поместиться на монете.

Прошивка ИНС

Наш фильтр Калмана, усовершенствованный за десятилетие, обеспечивает данные, близкие к безошибочным, гарантируя, что устройства будут оставаться на курсе с минимальным дрейфом.

Наше собственное решение для объединения датчиков обеспечивает интеграцию с широким спектром датчиков — в том числе и не произведенных нами.

Реализация ИНС

Мы предоставляем интегрированный инструмент оценки, который позволяет устранять неполадки и исправлять ошибки данных в режиме реального времени, а также оценивать производительность отдельных датчиков. Это экономит время и усилия при проверке точности системы во время работы.

Наш специальный комплект разработки программного обеспечения (SDK) регулярно обновляется, имеет интуитивно понятный интерфейс и исчерпывающую документацию. Клиенты получают бесплатный доступ к последним обновлениям и информируются о текущих улучшениях.

В Inertial Sense мы гордимся тем, что предлагаем самые простые и удобные процессы реализации в отрасли. Мы тесно сотрудничаем с клиентами, чтобы обеспечить необходимое обучение и поддержку для беспрепятственного опыта.

Наша документация свободна от технических жаргонов, устраняя барьеры для быстрого внедрения наших автономных навигационных систем. Кроме того, мы предлагаем живую поддержку людей с возможностями совместного использования экрана и быстрым временем отклика, гарантируя, что клиенты смогут связаться с настоящим экспертом, когда потребуется помощь.