Dominar el INS: un manual completo para soluciones de navegación autónoma

Para las empresas modernas que buscan integrar sistemas de navegación inercial (INS) en sus operaciones comerciales generales, comprender los componentes principales y los mecanismos operativos de los INS es indispensable. En el ámbito de la navegación inercial y las unidades de medición inercial (IMU), tres elementos destacan como críticos: hardware, firmware e implementación. A continuación, se presenta un desglose de los fundamentos de los sistemas inerciales adaptados para las empresas contemporáneas.

Hardware: Esto implica lograr un equilibrio entre la calidad, la cantidad y el costo de los sensores, consideraciones clave para cualquier implementación de INS.

Firmware: Abarcando el filtrado, la fusión y el procesamiento de datos, el firmware es fundamental para garantizar la precisión y el alto rendimiento de los INS. Cabe destacar que las soluciones de firmware no están estandarizadas entre los fabricantes.

Implementación: A menudo pasado por alto, pero posiblemente el aspecto más crucial de la selección de un INS, la implementación abarca la calidad de la documentación y la experiencia en soporte. Estos factores pueden ser la diferencia decisiva entre el lanzamiento de un producto a tiempo y dentro del presupuesto.

Funcionalidad principal de INS

Los sistemas de navegación inercial calculan la posición de los dispositivos en relación con puntos de referencia específicos o coordenadas fijas. Dentro de la robótica y la automatización, las implementaciones de INS regulan el balanceo y el cabeceo, mientras monitorean y mantienen continuamente el rumbo, la posición y la velocidad. Lograr esto requiere una colaboración perfecta entre múltiples componentes para construir sistemas robóticos y de navegación autónomos funcionales.

Para que un sistema robótico funcione de forma autónoma, debe tener una clara conciencia de su ubicación actual, orientación, destino objetivo y ruta de navegación. Todo esto comienza con los componentes de hardware.

Componentes clave de los sistemas de navegación inercial

Un INS comprende tres componentes fundamentales:

Hardware

Firmware o software

Implementación

Cada uno de estos elementos debe evaluarse cuidadosamente al seleccionar un INS que se ajuste a los requisitos específicos de un producto.

Hardware INS para sistemas autónomos

El hardware que impulsa la navegación autónoma a través de INS generalmente incluye algunos o todos los siguientes componentes:

Sensores INS

Los acelerómetros miden la aceleración y la velocidad relativa del dispositivo en el que están instalados. Al rastrear los cambios en la velocidad y la aceleración, estos sensores juegan un papel vital en la determinación de la posición del dispositivo a intervalos variables.

Los giroscopios son sensores físicos que detectan la posición y el movimiento angular de un objeto o dispositivo en relación con un marco de referencia inercial específico. Son esenciales para identificar con precisión la actitud de los dispositivos en relación con otros puntos de referencia y marcos inerciales.

Los magnetómetros detectan campos magnéticos, sirviendo como puntos de referencia de navegación para dispositivos, robots y sistemas complejos.

Los receptores GPS, que se conectan al Sistema Mundial de Navegación por Satélite (GNSS), complementan el sistema inercial con datos posicionales adicionales. Se pueden integrar antenas para mejorar el acceso del sistema autónomo a la red GNSS.

Un microprocesador ejecuta el firmware necesario para el funcionamiento del sistema. Los dispositivos de almacenamiento interno pueden registrar opcionalmente los movimientos, ubicaciones y actividades del sistema durante el funcionamiento.

Factor de forma

Los dispositivos suelen estar diseñados para entornos protegidos o robustos. En entornos donde los sensores pueden protegerse de las condiciones externas, los diseños sin carcasa están disponibles para minimizar la huella. Para aplicaciones como los drones, que operan en condiciones adversas, las carcasas de aluminio reforzado son estándar.

Las unidades de medición inercial (IMU) integran sistemas microelectromecánicos (MEMS), giroscopios, magnetómetros y acelerómetros en un único dispositivo fácil de usar para la gestión de la navegación robótica. Un sistema de referencia de actitud y rumbo (AHRS) se basa en la funcionalidad de la IMU al agregar la capacidad de detectar y responder a la actitud del sistema robótico en relación con puntos de referencia fijos. La antena GPS proporciona datos satelitales para habilitar las capacidades de navegación. Además, hay unidades de doble alcance disponibles para mitigar la interferencia magnética durante la adquisición del rumbo, lo que permite una calibración más rápida y un inicio del sistema más rápido. Juntos, estos componentes (IMU, AHRS y GNSS) constituyen un sistema de navegación inercial (INS) completo.

Selección de unidades de medición inercial rentables

Al adquirir hardware para sistemas de navegación inercial, varios factores influyen significativamente en el costo y la efectividad de las IMU:

Los giroscopios de fibra óptica reducen la cantidad de sensores necesarios para lecturas precisas, pero tienen un precio considerablemente más alto, a veces hasta 100 veces más que las alternativas convencionales. Los giroscopios de alta calidad y otros componentes de hardware mejoran la precisión y minimizan la deriva.

Las combinaciones rentables de acelerómetros, giroscopios, sistemas GPS y magnetómetros a menudo ofrecen un rendimiento de navegación suficiente para sistemas que operan en entornos cerrados o aquellos con requisitos de precisión modestos. Los datos de estos sensores se combinan para compensar los errores de los sensores individuales, un fenómeno conocido como fusión de sensores (detallado a continuación). En este caso, el rendimiento combinado supera la suma de los componentes individuales.

Para la mayoría de las empresas, esta combinación de sensores asequibles logra el equilibrio adecuado entre rendimiento y costo. Identificar el equilibrio óptimo garantiza la implementación de IMU rentables adaptadas a las necesidades únicas de la empresa.

Firmware de navegación inercial

El firmware INS comprende dos elementos principales:

El firmware de fusión de sensores transmite datos de todos los sensores de hardware a la unidad de procesamiento, formateándolos para que sean compatibles con el microprocesador del dispositivo.

El filtro de Kalman es fundamental para garantizar la precisión de los datos de los sensores, pero no siempre se incluye con las compras de sensores. Cuando se proporciona, suele ser un programa propietario personalizado para la configuración de hardware y el fabricante específicos. Los filtros de Kalman eliminan los datos extraños (denominados "ruido"), optimizando la utilización de los recursos informáticos para la navegación autónoma.

Los factores clave para el filtración eficaz de datos incluyen los métodos de recopilación y transmisión de datos, así como una documentación exhaustiva, particularmente durante la implementación inicial, para identificar áreas de mejora. Las interfaces fáciles de usar y la velocidad de visualización de datos en tiempo real también contribuyen al éxito general del proyecto.

Implementación de INS

La implementación de INS suele exigir la mayor inversión en recursos y tiempo. Los componentes clave de este proceso incluyen las siguientes fases:

Fase de alcance de INS

Evaluación de las soluciones INS disponibles en el mercado

Determinación de los tipos de sensores requeridos para el proyecto de navegación autónoma

Evaluación de la capacidad del proveedor de navegación inercial para ofrecer los resultados deseados

Proceso de implementación de INS

Integridad y calidad de la documentación de sensores y firmware

Experiencia y disponibilidad de los equipos de soporte de sensores

Compatibilidad entre el sistema deseado y las capacidades del sensor

Integración del sistema de control con los datos del sensor

La investigación y el alcance exhaustivos de estos factores son esenciales al seleccionar un fabricante de INS. Idealmente, el sensor elegido ofrecerá el hardware, el firmware y el soporte de implementación adecuados, todo dentro de una estructura de costos que garantice que el sistema robótico autónomo sea de alto rendimiento y rentable. Esto sienta las bases para una breve introducción a nuestras soluciones en Inertial Sense.

Inertial Sense: Su socio en navegación autónoma

En Inertial Sense, nos especializamos en ofrecer soluciones óptimas y prácticas para las necesidades de navegación autónoma. Nuestras ofertas incluyen características clave diseñadas para optimizar la implementación y maximizar los resultados:

Hardware INS

Nuestros sensores INS cuentan con una relación huella-rendimiento inigualable. Confiables y precisos, son lo suficientemente compactos como para caber en una moneda de diez centavos.

Firmware INS

Nuestro filtro de Kalman, refinado durante una década, ofrece datos casi sin errores, lo que garantiza que los dispositivos se mantengan en curso con una deriva mínima.

Nuestra solución de fusión de sensores patentada permite la integración con una amplia gama de sensores, incluidos los que no fabricamos.

Implementación de INS

Proporcionamos una herramienta de evaluación integrada que permite la resolución de problemas y la corrección de errores de datos en tiempo real, así como la evaluación del rendimiento de los sensores individuales. Esto ahorra tiempo y esfuerzo en la verificación de la precisión del sistema durante el funcionamiento.

Nuestro kit de desarrollo de software (SDK) dedicado se actualiza periódicamente, con una interfaz intuitiva y documentación completa. Los clientes reciben acceso gratuito a las últimas actualizaciones y se les mantiene informados de las mejoras en curso.

En Inertial Sense, nos enorgullecemos de ofrecer los procesos de implementación más sencillos y convenientes de la industria. Colaboramos estrechamente con los clientes para proporcionar la formación y el soporte necesarios para una experiencia perfecta.

Nuestra documentación no contiene jerga técnica, lo que elimina las barreras para la rápida adopción de nuestros sistemas de navegación autónoma. Además, ofrecemos soporte humano en vivo con capacidades de uso compartido de pantalla y tiempos de respuesta rápidos, lo que garantiza que los clientes puedan conectarse con un experto real cuando necesiten ayuda.