Применение и развитие инерциальной навигации на основе МЭМС 

Применение инерциальной навигации на базе MEMS

Технология инерциальной навигации на базе MEMS благодаря своим компактным размерам, низкому энергопотреблению, малому весу и низкой стоимости широко применяется в различных беспилотных системах, таких как беспилотные летательные аппараты (БПЛА), беспилотные автомобили, беспилотные суда и роботы.

1. Область применения БПЛА

В последние годы микро- и мини-БПЛА играют все более важную роль как в военной, так и в гражданской сферах. Для обеспечения позиционирования и решения проблем навигации БПЛА крайне важна система измерения и управления ориентацией. Система измерения и управления ориентацией в основном состоит из GPS-антенны, GPS-приемника, связанного магнитного датчика, инерциального измерительного блока, датчика высоты и скорости, а также блока обработки сигналов. Точность датчиков напрямую определяет точность положения и ориентации БПЛА. Данные, собранные датчиками, используются навигационным алгоритмом для расчета информации о положении и ориентации БПЛА. В настоящее время навигация БПЛА в основном осуществляется путем комбинирования инерциальной навигационной системы на базе MEMS с GPS, что позволяет повысить точность системы и сократить время начальной инициализации. В настоящее время навигационные системы, устанавливаемые на БПЛА, имеют потребительский уровень точности, например, Invensense MP6500 имеет точность 2°/с. Однако с повышением точности MEMS-устройств и снижением их стоимости точность навигации БПЛА в будущем будет расти.

2. Область беспилотных автомобилей

Беспилотный автомобиль воспринимает внешнюю среду с помощью бортовых датчиков, получает информацию о местоположении, ориентации и препятствиях, а затем управляет скоростью движения, поворотами и остановками. В настоящее время такие компании, как Google и Baidu, занимаются разработкой беспилотных автомобилей и уже проводят дорожные испытания. Когда беспилотный автомобиль движется под высокими зданиями, и GPS заблокирован и не может нормально работать, точность инерциальной навигационной системы, установленной на беспилотном автомобиле, может удовлетворить потребности автономного движения автомобиля в течение короткого времени. Инерциальная навигационная система MEMS, установленная на беспилотном автомобиле, обычно требует высокой точности.

3. Область беспилотных судов

Поскольку обычное корабельное оборудование, используемое для таких задач, как пограничное патрулирование и исследование качества воды, является относительно опасным и дорогостоящим, технология беспилотных судов быстро развивается. Получение информации о местоположении и ориентации беспилотного судна является важной предпосылкой для его автономной работы. В настоящее время датчики, установленные на беспилотных судах, в основном включают GPS, инерциальные навигационные системы MEMS и радары предотвращения столкновений. С повышением точности инерциальных навигационных систем MEMS инерциальные навигационные системы играют все более важную роль в получении информации о местоположении и ориентации беспилотных судов. Инерциальная навигационная система MEMS, установленная на беспилотном судне, обычно может быть удовлетворена потребительским уровнем средней и низкой точности.

4. Область робототехники

Мобильный робот — это автоматизированное устройство, способное автономно работать в фиксированной или изменяющейся среде. В последние годы он широко используется в сфере услуг, быту, промышленности и других областях. Колесные роботы по применению схожи с беспилотными транспортными средствами, оба используют данные, собранные с помощью таких датчиков, как камеры машинного зрения, инерциальные датчики MEMS, лидары и одометры, для навигации. Отечественные университеты также начали исследования в области колесных роботов довольно рано. В процессе навигации колесных роботов с использованием инерциальных датчиков и одометров, инерциальные датчики MEMS обеспечивают точные углы ориентации, но из-за проскальзывания колес и других факторов, влияющих на инерциальную навигацию и одометр, в настоящее время большинство систем используют комбинацию визуальной одометрии и инерциальной навигации MEMS, объединяя данные с помощью расширенного алгоритма фильтра Калмана для повышения точности системы.

5. Другие области

Помимо вышеупомянутых областей, инерциальные датчики MEMS также используются в электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, планшеты, игровые приставки, камеры, VR-очки, а также в индивидуальной навигации для определения местоположения в помещении. В настоящее время проблемы безопасности пожарных при тушении пожаров в высотных зданиях и малоподвижных пожилых людей дома являются широко обсуждаемыми социальными проблемами. Если инерциальная навигационная система MEMS будет размещена на персонале для навигации, то можно будет получать информацию о положении и ориентации в реальном времени, что повысит коэффициент безопасности контролируемого персонала. Существует несколько основных методов определения местоположения людей в помещении с использованием инерциальной навигационной системы MEMS: один из них заключается в использовании акселерометра MEMS для обнаружения и идентификации состояния шага человека, а затем использовании магнитометра для определения направления движения человека, тем самым осуществляя ориентированное позиционирование человека в помещении. Другой метод заключается в использовании двух или более инерциальных навигационных систем MEMS, установленных на ногах и талии человека, и использовании метода коррекции нескольких инерциальных навигационных систем MEMS для позиционирования.

Перспективы развития инерциальной навигации на базе MEMS

1. Инерциальные навигационные устройства на базе MEMS

В последние годы инерциальные датчики MEMS быстро развиваются, и их точность постоянно повышается. Хотя они все еще значительно уступают волоконно-оптическим и лазерным гироскопам, их низкая стоимость, малый размер и легкий вес позволяют инерциальным навигационным системам на базе MEMS играть важную роль в инерциальных навигационных системах. В будущем, с постоянным развитием технологий материалов и производства MEMS, точность инерциальных навигационных систем на базе MEMS будет постоянно повышаться, а их стоимость будет постоянно снижаться. Поэтому замена волоконно-оптических гироскопов стратегическими высокоточными гироскопами MEMS является важной тенденцией развития. С постоянным прогрессом в технологии микрообработки инерциальные датчики MEMS будут развиваться в направлении легкости и миниатюризации.

2. Алгоритмы комбинированной навигации MEMS

Несмотря на постоянное повышение точности инерциальных MEMS-датчиков, ошибка тактических инерциальных MEMS-навигационных систем со временем накапливается и значительно расходится, что во многих случаях не может удовлетворить требованиям высокой точности. Поэтому комбинированная навигация MEMS-инерциальной системы и GPS по-прежнему является основным методом навигации. Таким образом, разработка более точных, эффективных и надежных алгоритмов для программной поддержки комбинированных навигационных систем также является важным направлением развития.

3. Применение инерциальной MEMS-навигации

За десятилетия развития MEMS-технологий, инерциальная MEMS-навигация нашла широкое применение в электронике, автомобильной промышленности и сфере бытовых услуг. С постоянным повышением точности и стабильности инерциальной MEMS-навигации, в будущем эта технология будет играть важную роль в беспилотных системах, таких как космические аппараты, спутники, роботы и другие.

Заключение

Технология инерциальной навигации на основе МЭМС (микроэлектромеханических систем) обладает такими преимуществами, как миниатюризация и низкая стоимость, и за последние десятилетия получила быстрое развитие. Она находит все большее применение в области беспилотных систем и, являясь основным направлением развития инерциальной навигации в будущем, демонстрирует огромный потенциал и хорошие перспективы применения