هر گیرنده GNSS، صرف نظر از پیچیدگی آن، یک آسیب پذیری مشترک دارد: نیاز به دید واضح به ماهواره ها دارد. وقتی این خط دید توسط تونل ها، پارکینگ ها، دره های شهری متراکم یا اختلال عمدی قطع شود، دقت موقعیت یابی به سرعت کاهش می یابد یا کاملا از کار می افتد. برای خودروهای خودران، پهپادهای تحویل دهنده و سیستم های ناوبری حیاتی ایمنی، این شکاف ها غیرقابل قبول هستند.
راه حل در زیر نهفته استادغام حسگر: اتصال دقیق گیرنده های GNSS با واحدهای اندازه گیری اینرسی (IMU) برای ایجاد یک سیستم ناوبری که در طول قطعی های طولانی سیگنال ماهواره ای دقیق باقی بماند. این مقاله اصول فنی ادغام GNSS/IMU، تفاوت بین معماری های کوپلینگ شل و تنگ، و ویژگی های عملکردی که برای کاربردهای واقعی اهمیت دارند را بررسی می کند.
درک رانش IMU و اینکه چرا همجوشی ضروری است
IMU نیروی خاص و نرخ زاویه ای را با استفاده از شتاب سنج ها و ژیروسکوپ ها اندازه گیری می کند. با یکپارچه سازی این اندازه گیری ها در طول زمان، یک سیستم ناوبری می تواند موقعیت، سرعت و وضعیت را بدون هیچ مرجع خارجی محاسبه کند. با این حال، این فرایند انتگرال گیری باعث انباشته شدن خطاها می شود؛ سوگیری های کوچک در حسگرها به خطاهای موقعیتی رو به رشد سریع منجر می شوند، پدیده ای که به صورت زیر شناخته می شودرانش.
- بایاس شتاب سنج:یک بایاس کوچک ۱۰۰ میکروگرم (یک ده هزارم گرانش) پس از تنها ۶۰ ثانیه ناوبری خالص اینرسی، به خطای موقعیتی حدود ۱۸ متر تبدیل می شود.
- بایاس ژیروسکوپ:یک بایاس ژیروسکوپی ۱ درجه در ساعت باعث می شود راه حل وضعیت کج شود و گرانش را به اشتباه به صفحه افقی منتقل کند و شتاب ساختگی ایجاد کند که به سرعت تخمین های موقعیت را مختل می کند.
- نقش GNSS:GNSS اصلاحهای مطلق موقعیت را با خطای محدود ارائه می دهد که آن را به مکمل کامل برای محاسبه مرده مبتنی بر IMU تبدیل می کند. چالش اصلی طراحی معماری همجوشی به گونه ای است که قدرت هر دو حسگر را به حداکثر برساند.
یک IMU به تنهایی ظرف چند دقیقه نابینا می شود. تنها GNSS زیر پوشش کور است. آن ها با هم به درستی ترکیب شده اند و سیستم ناوبری ای ایجاد می کنند که در تقریبا هر محیطی که زمین ارائه دهد، مقاوم است.
کوپلینگ شل در مقابل کوپلینگ محکم
سیستم های همجوشی GNSS/IMU بر اساس عمق تعامل حسگرها دسته بندی می شوند. انتخاب معماری پیامدهای عمیقی برای عملکرد در طول قطعی های جزئی و کامل GNSS دارد.
اتصال شلGNSS و IMU را به عنوان حسگرهای مستقل در نظر می گیرد و خروجی های موقعیت و سرعت آن ها را به فیلتر کالمن منتقل می کند. اگرچه پیاده سازی ساده است، اما این معماری زمانی که GNSS به زیر چهار ماهواره قابل مشاهده می رسد، که حداقل مورد نیاز برای تعیین موقعیت مستقل است، کاملا شکست می خورد، حتی اگر اندازه گیری های خام شبه نارنجی و فاز حامل از ماهواره های کمتر همچنان بتوانند راه حل IMU را محدود کنند.
اتصال محکمدر سطح اندازه گیری عمل می کند و کاذب های خام GNSS، اندازه گیری های داپلر و فازهای حامل را مستقیما به فیلتر ناوبری همراه با داده های IMU وارد می کند. حتی با داشتن فقط یک یا دو ماهواره قابل مشاهده، این سیستم می تواند تا حدی انحراف موقعیت را محدود کند و تحمل قطعی را به طور چشمگیری افزایش دهد.
معیارهای عملکرد در دنیای واقعی
ماژول های GNSS/IMU به شدت متصل شده جامپ استار در سناریوهای واقعی آزمایش شده اند که سیستم های خالص GNSS را به چالش می کشند. در توالی های تونل بزرگراه با قطعی سیگنال ۴۵ ثانیه، اتصال محکم دقت موقعیت افقی را حفظ می کرد۰.۵ متر، در مقایسه با خطاهای کوپلینگ شل بیش از ۱۰ متر و خطاهای IMU خالص بیش از ۵۰ متر.
برای توسعه دهندگان خودروهای خودران، این تفاوت های عملکردی مستقیما به حاشیه های ایمنی منجر می شود. سیستمی که دقت زیرمتر را از طریق تونل حفظ می کند، می تواند بدون دخالت راننده، حفظ خط و کروز کنترل تطبیقی را ادامه دهد. سیستمی که ۱۰ متر منحرف می شود، خطر ایمنی فوری ایجاد می کند.
هنگام ارزیابی ماژول های GNSS برای کاربردهایی که قطعی سیگنال اجتناب ناپذیر است، کوپلینگ محکم یک بهبود اختیاری نیست؛ این یک نیاز اساسی برای عملکرد ایمن و قابل اعتماد است.
.png?imageMogr2/format/webp)
.png?imageMogr2/format/webp)
