كيفية تحسين أداء أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي بتقنية MEMS؟

النقاط الرئيسية

مع تطور أجهزة القصور الذاتي بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، تحسنت دقة الجيروسكوبات ومقاييس التسارع بتقنية MEMS تدريجيًا، مما أدى إلى تقدم سريع في تطبيقاتها.MEMS INSومع ذلك، لم يكن التحسن في دقة أجهزة القياس بالقصور الذاتي بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) كافيًا لتلبية متطلبات الدقة العالية المتزايدة لأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي بتقنية MEMS. لذا، أصبح تحسين دقة هذه الأنظمة من خلال خوارزميات تعويض الأخطاء وغيرها من الأساليب محورًا رئيسيًا لأبحاثها.

لتحسين أداء أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS INS)، استكشف الباحثون طرقًا متنوعة لتقليل الأخطاء في هذه الأنظمة. وهناك أربعة مناهج رئيسية لتقليل أخطاء أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة:

معايرة وتعويض معلمات خطأ المستشعر: يتضمن ذلك استخدام النمذجة الرياضية والأدوات التجريبية لمحاكاة أخطاء المستشعر، ومعايرة الأخطاء الحتمية بشكل منهجي على مستوى النظام، ثم تعويض هذه الأخطاء من خلال خوارزميات الملاحة بالقصور الذاتي لتحسين الأداء العام.
تقنية تعديل الدوران: من خلال تطبيق أنظمة تعديل الدوران المناسبة، يمكن جعل أخطاء المستشعر تتغير دوريًا دون الاعتماد على مصادر معلومات خارجية. يعمل هذا التعويض التلقائي للأخطاء في خوارزمية الملاحة على الحد من تأثير أخطاء المستشعر على نظام الملاحة بالقصور الذاتي MEMS.
تقنية التكرار في أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي: بفضل التكلفة المنخفضة لأجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي بتقنية MEMS، يمكن تطبيق تصميمات التكرار. يساهم التكرار في أجهزة الاستشعار في تقليل تأثير الأخطاء العشوائية على أنظمة الاستشعار بالقصور الذاتي بتقنية MEMS بشكل فعال، مما يُحسّن الأداء.
دمج مصادر المعلومات الخارجية: استخدام ترشيح كالمان للملاحة المتكاملة لقمع تراكم أخطاء نظام الملاحة بالقصور الذاتي MEMS.

ستقدم هذه المقالة بشكل أكبر الطريقة الرابعة، وهي الشكل الأكثر عملية والأكثر بحثًا في مجال الملاحة المتكاملة - نظام الملاحة المتكامل GNSS/MEMS INS.

أسباب استخدام نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) لمساعدة أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي الكهروميكانيكية (MEMS INS)

نظام الملاحة بالقصور الذاتي MEMS هو نوع من أنظمة الملاحة التقديرية التي تقيس الحالة النسبية من لحظة أخذ العينات السابقة إلى اللحظة الحالية. لا يعتمد هذا النظام على الإشارات الصوتية أو الضوئية أو الكهربائية للقياس، مما يجعله شديد المقاومة للتداخل الخارجي والخداع. وبفضل استقلاليته وموثوقيته، يُعدّ نظامًا أساسيًا للملاحة في مختلف وسائل النقل، مثل الطائرات والسفن والمركبات. يوضح الشكل 1 أداء أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي من مختلف الفئات.

الشكل 1: أداء أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي من مختلف الدرجات.

توفر أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS INS) معدل تحديث عالٍ، ويمكنها إخراج معلومات شاملة عن حالة النظام، بما في ذلك الموقع والسرعة والاتجاه والسرعة الزاوية والتسارع، مع دقة عالية في الملاحة على المدى القصير. ومع ذلك، تتطلب هذه الأنظمة مصادر معلومات إضافية لتهيئة الموقع والسرعة والاتجاه، ويتراكم خطأ الملاحة بالقصور الذاتي فيها بمرور الوقت، لا سيما في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي التكتيكية والتجارية.

يُتيح دمج نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) مع نظام الملاحة بالقصور الذاتي الكهروميكانيكي (MEMS INS) الاستفادة من المزايا التكاملية لكلا النظامين: يوفر نظام GNSS دقةً مستقرةً على المدى الطويل، ويُمكنه توفير قيم أولية للموقع والسرعة، مع تصحيح الأخطاء المتراكمة في نظام MEMS INS من خلال الترشيح. في الوقت نفسه، يُحسّن نظام MEMS INS معدل تحديث مخرجات نظام GNSS، ويُثري أنواع معلومات الحالة المُخرجة، ويُساعد في اكتشاف أعطال رصد نظام GNSS وإزالتها.

النموذج الأساسي للملاحة المتكاملة GNSS/MEMS INS

يعكس النموذج الأساسي لتكامل نظام الملاحة بالقصور الذاتي GNSS/MEMS العلاقة الوظيفية بين المعلومات المرصودة من أجهزة الاستشعار (وحدة القياس بالقصور الذاتي وأجهزة الاستقبال) ومعايير الملاحة الخاصة بالمركبة (الموقع والسرعة والاتجاه)، بالإضافة إلى أنواع ونماذج عشوائية لأخطاء قياس أجهزة الاستشعار. يجب وصف معايير الملاحة الخاصة بالمركبة في نظام إحداثيات مرجعي محدد.

الشكل 2: النموذج الأساسي لنظام الملاحة المتكامل GNSSMEMS

تتضمن مشاكل الملاحة عادةً نظامين إحداثيين أو أكثر: تقيس المستشعرات بالقصور الذاتي حركة المركبة بالنسبة للفضاء القصوري، بينما تُوصف معايير ملاحة المركبة (الموقع والسرعة) عادةً في نظام إحداثيات ثابت بالنسبة للأرض لتسهيل الفهم. تشمل أنظمة الإحداثيات الشائعة الاستخدام في الملاحة المتكاملة GNSS/INS نظام الإحداثيات القصوري المركزي للأرض، ونظام الإحداثيات الثابت بالنسبة للأرض المركزي للأرض، ونظام الإحداثيات الجغرافية المحلية، ونظام إحداثيات الجسم.

لقد تطورت خوارزميات دمج أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية (GNSS) وأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS INS) في الملاحة المطلقة، وظهرت العديد من المنتجات عالية الأداء في السوق. على سبيل المثال، تُعدّ نماذج أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي الكهروميكانيكية الدقيقة الثلاثة التي أطلقتها شركة مايكرو ماجيك (Micro-Magic Inc) حديثًا، والموضحة في الصورة أدناه، مناسبة لتطبيقات الطائرات المسيّرة، ومسجلات الرحلات، والمركبات الذكية غير المأهولة، وتحديد مواقع واتجاهات الطرق، واكتشاف القنوات، والمركبات السطحية غير المأهولة، والمركبات تحت الماء.

الشكل 3: أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي GNSS/MEMS الثلاثة التي أطلقتها شركة مايكرو ماجيك