مستشعرات القصور الذاتي بتقنية MEMS تُمكّن الطائرات بدون طيار من الطيران الذكي بدقة عالية
في عصر التطور السريع لتكنولوجيا الطائرات المسيّرة، سواءً لأغراض المسح الجوي عالي الدقة ورسم الخرائط، أو حماية النباتات الزراعية بدقة، أو توصيل الإمدادات في حالات الطوارئ والمراقبة البيئية المعقدة، تطورت هذه الطائرات من مجرد ألعاب بسيطة يتم التحكم بها عن بُعد إلى روبوتات جوية فائقة الذكاء. ويكمن وراء هذا التحول حاجة نظام التحكم في الطيران المُلحة إلى بيانات دقيقة وفورية عن الوضع والحركة. ويُعدّ نظام الاستشعار بالقصور الذاتي الكهروميكانيكي الدقيق (MEMS) حجر الزاوية التكنولوجي الذي يلبي هذه الحاجة، حيث يعمل بمثابة "الأذن الداخلية" و"جهاز التوازن" للطائرة المسيّرة، مُستشعراً بصمت كل لحظة من تغير الوضع وحالة الحركة. وتُشكّل هذه المستشعرات الأساس المادي الذي يمكّن الطائرات المسيّرة من تحقيق تحليق مستقر، وملاحة ذاتية، ومناورة رشيقة، وتحكم دقيق.
تعتمد أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي التقليدية عالية الدقة على جيروسكوبات ومقاييس تسارع بصرية أو ميكانيكية ضخمة الحجم، باهظة الثمن، وتستهلك طاقة عالية، مما يحدّ بشدة من استخدامها في الطائرات المسيّرة الاستهلاكية والصناعية التي تُعطي الأولوية للوزن الخفيف، والتكلفة المنخفضة، والقدرة على التحليق لفترات طويلة. وقد أحدثت التطورات الرائدة في تقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) نقلة نوعية في هذا المجال. فمن خلال دمج هياكل الاستشعار الميكانيكية الدقيقة بسلاسة مع عمليات الدوائر المتكاملة، تم تصغير أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي إلى مستوى الشريحة. على سبيل المثال، تستخدم سلسلة ACM-1700 من مقاييس التسارع أحادية المحور عالية الأداء بتقنية MEMS من شركة Micro-Magic عمليات MEMS متطورة، مما يُتيح نطاقًا واسعًا من ±10 غرام إلى ±200 غرام، وعرض نطاق ترددي يصل إلى 100 هرتز، واستقرارًا استثنائيًا في الانحياز (يصل إلى 50 ميكروغرام) ضمن حزمة صغيرة الحجم لا تتجاوز أبعادها 7.8 × 5.8 × 3 ملم. بفضل تصميمها المتين القادر على تحمل الصدمات حتى 10000 غرام، وتعويضها الكامل لنطاق درجات الحرارة عبر مستشعرات حرارية مدمجة، تضمن سلسلة ACM-1700 موثوقية ودقة قياس عالية أثناء المناورات الحادة للطائرات بدون طيار وفي البيئات المعقدة. سواءً أكان الهدف مراقبة التسارع أو التباطؤ الخطي للطائرات بدون طيار، أو رصد الاهتزازات الناتجة عن الرياح أو المناورات، فإن سلسلة ACM-1700 توفر بيانات دقيقة.
ACM-1700
| نطاق القياس | ±10~30/±30~50/±70~100/±150~200 غرام |
| محور القياس | X |
| استقرار الانحياز الصفري (10 ثوانٍ، 1σ) | 50/100/200/500μg |
| معامل درجة الحرارة عند انحياز صفري (درجة الحرارة الكاملة) | 50/50/100/200μg/℃ |
| مقاومة الصدمات | 10000 غرام، 2 مللي ثانية، 1/2 جيب |
| خطأ تصحيح الاهتزاز (6 غرامات) | 0.4/0.15/0.05 ملغ |
| بروتوكول الاتصال | I2C/SPI/UART |
| إشارة الخرج | رقمي |
| العبوة والحجم | شريحة، 7.8 × 5.8 × 3 مم |
| وزن | 1.5 غرام |
مع ذلك، فإنّ إدراك التسارع الخطي وحده لا يكفي لوصف حالة حركة الطائرة المسيّرة وصفًا كاملًا. فالحركة الدورانية، وتحديدًا السرعة الزاوية حول ثلاثة محاور، لا تقل أهمية لتحديد وضعية الطائرة. وقد صُممت سلسلة MG-XXXX من الجيروسكوبات أحادية المحور عالية الدقة بتقنية MEMS من شركة Micro-Magic خصيصًا لهذا الغرض. تستخدم هذه السلسلة بنية MEMS مبتكرة قادرة على قياس السرعة الزاوية بدقة على طول محور الدوران العمودي على سطح الشريحة. وتتميز هذه السلسلة بأدائها العالي، وانخفاض مستوى الضوضاء فيها، وثبات الانحياز الاستثنائي، مما يوفر تغذية راجعة دقيقة للسرعة الزاوية للتحكم في طيران الطائرة المسيّرة. بفضل واجهة SPI الرقمية المرنة وسجلاتها القابلة للتكوين (مثل ضبط عرض نطاق الإخراج من 12.5 هرتز إلى 800 هرتز أو تحديد معدلات تحديث البيانات من 62.5 هرتز إلى 2000 هرتز)، يستطيع نظام التحكم في الطيران تحسين استجابة المستشعرات لأنماط الطيران المختلفة (مثل الطيران السلس أو المناورات السريعة)، محققًا أفضل توازن بين كبح الضوضاء عالية التردد والحفاظ على استجابة إشارة سريعة. ويُشكل الجمع بين سلسلتي MG-XX و ACM-1700 زوج الاستشعار الأساسي للطائرات بدون طيار لإدراك حركتها المكانية ثلاثية الأبعاد من حيث المبدأ.
مع ذلك، يُعدّ دمج العديد من رقاقات استشعار MEMS المستقلة عالية الأداء (جيروسكوب ثلاثي المحاور + مقياس تسارع ثلاثي المحاور) في نظام التحكم في طيران الطائرات المسيّرة، ومعالجة بياناتها الأولية للحصول على معلومات دقيقة وموثوقة عن وضعية الطائرة، تحديًا هندسيًا معقدًا يتطلب معايرة دقيقة، وتعويضًا حراريًا، وخوارزميات دمج البيانات، ومعالجة بيانات عالية السرعة. وهنا تحديدًا تكمن قيمة وحدات قياس القصور الذاتي MEMS مثل U503 وU4930 وU16575. فهي ليست مجرد مجموعة بسيطة من المستشعرات، بل حل متكامل وذكي للغاية. يُوضع هذا النوع من وحدات IMU في غلاف متين من سبائك الألومنيوم، وقد حقق دقة عالية في تحديد مواقع وتركيب جيروسكوبات ومقاييس تسارع MEMS ثلاثية المحاور، مع دمج معالجات دقيقة عالية الأداء.
على سبيل المثال، تكمن الميزة الأساسية لوحدة القياس بالقصور الذاتي U4930 في معايرة درجة الحرارة الكاملة وتعويض النظام قبل التسليم. لا يقتصر دور المعالج داخل الوحدة على جمع البيانات الأولية من ستة محاور بسرعة عالية (تصل إلى 2000 هرتز) بشكل متزامن، بل والأهم من ذلك، أنه يطبق مصفوفة معلمات تعويض مُعايرة مسبقًا على نطاق واسع من درجات الحرارة (-40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية) لإجراء تعويض رقمي فوري لعشرات من متغيرات الخطأ، مثل خطأ الانحياز الصفري، وعدم خطية عامل المقياس، وخطأ عدم التعامد، وحساسية التسارع (حساسية g) للجيروسكوب لكل مستشعر. يتيح ذلك للوحدة إخراج بيانات عالية الدقة للسرعة الزاوية (°/ث) والتسارع (م/ث²) مباشرةً بعد معايرة درجة الحرارة وتصحيح الأخطاء. لم يعد المستخدمون بحاجة إلى إجراء معايرة معملية شاقة، مما يُبسط عملية دمج النظام بشكل كبير ويضمن اتساق الأداء وموثوقيته في مختلف الظروف المناخية. تتيح واجهة RS422 التي يوفرها الجهاز إمكانية إخراج حزم بيانات مستقرة تحتوي على السرعة الزاوية والتسارع ودرجة الحرارة الداخلية وطوابع زمنية عالية الدقة بتردد يصل إلى 200 هرتز. كما يمكنها إخراج إشارات نبضية تفاضلية TOV متزامنة بدقة مع أخذ عينات البيانات، مما يسهل محاذاة الوقت بدقة مع الأنظمة الخارجية مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وهو أمر بالغ الأهمية للملاحة المتكاملة.
أثناء تحليق الطائرة بدون طيار، تُغذّى بيانات القصور الذاتي الدقيقة من وحدات IMU في الوقت الفعلي إلى جوهر نظام التحكم في الطيران - خوارزميات حساب الوضعية والملاحة (التي تعتمد عادةً على مرشحات كالمان). تدمج الخوارزمية بذكاء معلومات القوة المحددة المقاسة بواسطة مقياس التسارع (المستخدم لتحديد اتجاه الجاذبية، أي زوايا الميل والدوران) مع معلومات السرعة الزاوية المقاسة بواسطة الجيروسكوب (المستخدمة لحساب تغيرات الوضعية). من خلال هذا "الدمج الحسي"، يتغلب النظام على أوجه القصور المتمثلة في حساسية مقاييس التسارع لتداخل الاهتزازات أثناء المناورات الديناميكية، وانحراف تكامل الجيروسكوب بمرور الوقت، مما ينتج عنه معلومات مستقرة ودقيقة وخالية من الأخطاء في الوقت الفعلي حول الوضعية ثلاثية الأبعاد (الميل، الدوران، الانعراج)، والسرعة الزاوية، والتسارع الخطي. تشكل هذه المعلومات أساس التحكم ذي الحلقة المغلقة في التحكم في الطيران: يقارن التحكم في الطيران نقطة الطريق المستهدفة أو تعليمات التحكم عن بعد مع الوضع والموقع الحاليين في الوقت الفعلي، ويحسب أوامر الدفع الدقيقة لكل محرك، ويقود الطائرة بدون طيار لإكمال سلسلة من الإجراءات المعقدة مثل التحليق والتسلق والانعطاف وتجنب العوائق وما إلى ذلك.
لذا، بدءًا من إدراك الكميات الفيزيائية الأساسية التي يوفرها مقياس التسارع ACM-1700 والجيروسكوب MG-XXXX على مستوى الشريحة، وصولًا إلى توفير البيانات المتكاملة والمعايرة والذكية التي توفرها وحدات القياس بالقصور الذاتي U503 وU4930 وU16575 على مستوى الوحدة، تُشكل تقنية مستشعرات القصور الذاتي MEMS حزمة تقنية متكاملة، تُسهم تدريجيًا في حل مشكلة إدراك وضعية الطائرات بدون طيار طبقةً تلو الأخرى. فهي تُمكّن الطائرات بدون طيار الحديثة ليس فقط من "الطيران"، بل أيضًا من "الطيران بثبات" و"الطيران بدقة" و"الطيران بذكاء". ومع تحسن مستويات القيادة الذاتية وازدياد تعقيد المهام، سترتفع متطلبات أداء مستشعرات القصور الذاتي MEMS. ولا شك أن حلول MEMS المتطورة باستمرار، عالية الأداء والمتكاملة للغاية، تُشكل الدعم الأساسي الذي لا غنى عنه للطائرات بدون طيار المستقبلية للانتقال نحو الاستقلالية الكاملة والتجميع والذكاء.
Xml سياسة الخصوصية المدونة خريطة الموقع
حقوق النشر
@ شركة مايكرو ماجيك كل الحقوق محفوظة.
دعم الشبكة
بالعربية
