1. giới thiệu
Fiber Optic Gyroscope (FOG) từ lâu đã là giải pháp phổ biến cho định vị chiến thuật và chính xác cao. Nó phục vụ như một sự thay thế đáng tin cậy với chi phí thấp cho các công nghệ gyro cao cấp truyền thống.Tuy nhiên, với việc nâng cấp nhanh chóng các cảm biến quán tính MEMS trong những năm gần đây, các kính quay hiệu suất cao MEMS dần dần cạnh tranh với các sản phẩm FOG cấp thấp và trung bình.
Ngày nay, MEMS được áp dụng rộng rãi trong ổn định ăng-ten, điều khiển máy móc nông nghiệp, điều hướng xe không người lái và các lĩnh vực khác mà trước đây được thống trị bởi FOG.Để làm rõ khoảng cách thực tế giữa hai công nghệ, chúng tôi đã tiến hành một thử nghiệm so sánh thực tế giữa MEMS IMU chiến thuật cao cấp và FOG công nghiệp cấp nhập cảnh, bao gồm cấu hình phần cứng, thuật toán phần mềm và kết quả điều hướng thực tế.
2- Cải tiến kỹ thuật MEMS hiện đại cho định vị chính xác
MEMS giá rẻ truyền thống sử dụng để có lỗi lớn và ổn định kém, thấp hơn nhiều so với FOG.băng thông và độ nhạy gĐược hỗ trợ bởi hoạt động tốc độ cao và các thuật toán bù đắp lỗi cảm biến tiên tiến, MEMS hiện đại có thể đạt hiệu suất điều hướng cấp chiến thuật.
Ngày càng nhiều kịch bản điều hướng công nghiệp và ngoài trời đang chuyển từ FOG sang MEMS cấp cao.Máy móc nông nghiệp chính xác và các thiết bị không người lái khác nhau (UAV/UGV/USV)Trong quá khứ, người dùng chỉ có thể chọn các hệ thống FOG hoặc RLG đắt tiền (hơn 30.000 đô la) để có độ chính xác ổn định.
3. Cấu hình phần cứng hệ thống thử nghiệm
Chúng tôi đã xây dựng hai hệ thống định vị INS/GNSS hoàn chỉnh với cùng một thuật toán phần mềm và điều kiện thử nghiệm để so sánh công bằng.
3.1 Hệ thống lai FOG
Hệ thống này áp dụng FOG kép để đo độ nghiêng và độ cao, một vòng xoáy MEMS để đo lường cuộn, cộng với máy đo tốc độ ba trục tiêu chuẩn, máy đo từ và máy đo khí.000 (một lô nhỏ). FOG được chọn có băng thông cao, thiên vị ổn định và đi ngẫu nhiên góc thấp, phù hợp với các kịch bản năng động cao và ổn định cao.
3.2 Hệ thống MEMS đầy đủ
Hệ thống này sử dụng ba máy quay MEMS cao cấp để cảm biến xoay tròn tròn, phù hợp với các cảm biến phụ như hệ thống FOG.000, giá rẻ hơn gấp 8×10 lần so với giải pháp FOG. MEMS IMU cấp công nghiệp được áp dụng đạt được sự cân bằng tuyệt vời về băng thông, ổn định, tiếng ồn và kháng rung,với độ nhạy chéo cực thấp sau hiệu chuẩn nhà máy.
3.3 Các thông số chính của cảm biến lõi
MEMS IMU Core Specs: băng thông 330Hz, ổn định thiên hướng gyro 6,25 ° / h, lỗi trục chéo cực thấp (0,087%), ức chế rung động tuyệt vời và hiệu suất tuyến tính.
Thông số kỹ thuật của FOG Core: 1000Hz băng thông cực cao, ổn định thiên vị 3 ° / h, đi ngẫu nhiên theo góc thấp hơn nhiều, khả năng chống trôi dài hơn.
4. Khung phần mềm điều hướng
Cả hai hệ thống chạy cùng một thuật toán định vị tốc độ cao 1000Hz dựa trên giải pháp quán tính SINS truyền thống.Đường dẫn ăng-ten kép, hướng từ đo, độ cao từ đo và dữ liệu tốc độ OBDII tùy chọn của xe.
Mỗi cảm biến phụ trợ bù đắp cho các khiếm khuyết hoạt động khác nhau: GNSS điều chỉnh trục trặc vị trí tổng thể, máy tính từ đo hỗ trợ khởi tạo hướng đi trong thời gian mất điện GNSS, máy barometer ổn định dữ liệu độ cao,và tốc độ OBDII của xe có hiệu quả ngăn chặn đường ray trượt trong môi trường phức tạp. Toàn bộ hệ thống phần mềm được thiết kế để thích nghi với hoàn toàn các điều kiện làm việc GNSS,từ bầu trời mở đến các kịch bản an toàn đô thị.
5. Ba thử nghiệm so sánh định vị tiêu chuẩn
Chúng tôi đã thiết kế ba nhóm thử nghiệm cấp hệ thống để xác minh đầy đủ sự khác biệt hiệu suất giữa MEMS và FOG trong các kịch bản gián đoạn GNSS hàng ngày, phức tạp và cực đoan.
5.1 Thử nghiệm bầu trời mở ( tín hiệu GNSS tốt)
Trong môi trường mở với tín hiệu vệ tinh đầy đủ, cả hai hệ thống đạt được độ chính xác rất gần.
Hệ thống sương mù: cuộn 0,08 °, độ nghiêng 0,08 °, tiêu đề 0,13 °
Hệ thống MEMS: Cuộn 0,10 °, độ nghiêng 0,10 °, tiêu đề 0,14 °
Trong điều kiện GNSS tốt, MEMS chỉ có một khoảng cách hiệu suất nhỏ khoảng 5% so với FOG, và cả hai đều có thể đáp ứng nhu cầu ổn định thái độ chính xác cao.
5.2 Thử nghiệm đô thị phức tạp (Multi-Path & Weak GNSS)
Trong các kịch bản trung tâm đô thị với các tòa nhà cao và đường hẹp, tín hiệu GNSS bị phản xạ và suy giảm nghiêm trọng.
Giải pháp tổng hợp FOG duy trì lỗi định vị trong vòng 10 mét với quỹ đạo ổn định và trơn tru.với khoảng cách hiệu suất 20%~30% so với FOG.
Sau khi thêm dữ liệu tốc độ xe OBDII cho tổng hợp phụ trợ, hệ thống MEMS tối ưu hóa cũng kiểm soát một cách ổn định lỗi trong vòng 10 mét, đạt được mức gần như giống như FOG.
5.3 Thử nghiệm INS thuần túy (GNSS Full Outage)
Đây là thử nghiệm quan trọng nhất để xác minh khả năng điều hướng độc lập.5 phút (khoảng cách lái xe khoảng 5500m) để so sánh hiệu suất trục trặc thuần túy.
Hệ thống FOG: Máy trôi tối đa chỉ 7 mét, ổn định điều hướng độc lập lâu dài tuyệt vời.
Hệ thống MEMS gốc: Trượt tối đa đạt 75 mét, lớn hơn khoảng 3 lần so với FOG, chủ yếu là do sự tích lũy lỗi đường đua tăng tốc.
MEMS tối ưu hóa với OBDII: Drift giảm xuống dưới 10 mét, hoàn toàn so sánh với hiệu suất điều hướng độc lập của FOG.
6Kết luận & Hướng dẫn lựa chọn ứng dụng
Khoảng cách hiệu suất giữa MEMS cấp cao hiện đại và FOG cấp thấp đang thu hẹp nhanh chóng, và lợi thế tuyệt đối truyền thống của FOG đang dần suy yếu.
Ưu điểm của sương mù: Tính ổn định lâu dài tốt hơn, trôi động quán tính thuần túy nhỏ hơn, khả năng thích nghi tốt hơn với môi trường khắc nghiệt và định vị chính xác cao hoàn toàn độc lập mà không cần bất kỳ cảm biến phụ trợ nào.Nó vẫn là sự lựa chọn đầu tiên cho các nhiệm vụ hàng hải chiến lược cao cấp và bền lâu.
Ưu điểm MEMS: Hiệu suất chi phí cực kỳ cao (1/10 chi phí của FOG), kích thước nhỏ hơn, trọng lượng nhẹ hơn và tiêu thụ năng lượng thấp hơn. Với hỗ trợ tín hiệu GNSS hoặc tổng hợp cảm biến phụ trợ đơn giản (như tốc độ xe),MEMS cao cấp có thể thay thế FOG cấp thấp trong hầu hết các kịch bản chiến thuật và công nghiệp.
Đề xuất lựa chọn:
-
Đối với các kịch bản bầu trời mở với tín hiệu GNSS ổn định, MEMS hoàn toàn thay thế FOG cấp thấp với hiệu suất chi phí cao hơn.
-
Đối với các kịch bản tín hiệu yếu ở đô thị phức tạp, MEMS với tổng hợp đa cảm biến có thể đạt được độ chính xác cấp FOG.
-
Đối với việc điều hướng độc lập hoàn toàn trong thời gian dài mà không có bất kỳ tín hiệu bên ngoài nào, FOG vẫn duy trì những lợi thế không thể thay thế.
Với sự lặp đi lặp lại liên tục của công nghệ MEMS và thuật toán tổng hợp đa cảm biến,MEMS hiệu suất cao sẽ tiếp tục thay thế các ứng dụng FOG thấp và trung bình truyền thống trong các lĩnh vực thương mại và công nghiệp trong tương lai.
