Когда речь идет о навигации внутри помещений и о работе в сложных и экологически сложных сценариях, датчики могут быть использованы для улучшения способности системы определять реальное движение от аномального.
Навигация обычно ассоциируется с автомобилями, самолетами и кораблями. Однако прецизионная навигация находит все более широкое применение в промышленных и медицинских приложениях, начиная от заводского оборудования и хирургических роботов и заканчивая слежением за людьми, оказывающими первую помощь. Существует множество методов определения положения, направления и движения, относящихся к устройствам наведения, управления и ориентации. Фактически, во многих приложениях уже давно принято полагаться на GPS (Global Positioning System). Но когда речь идет о навигации внутри помещений и о более сложных сценариях, связанных с неблагоприятными условиями окружающей среды, одной GPS недостаточно.
Для таких приложений можно использовать различные типы датчиков, чтобы улучшить способность системы определять реальное движение от аномального. Способность того или иного датчика решать конкретную навигационную задачу зависит не только от уровня производительности датчика, но и от уникальной динамики приложения. Как и при решении любой сложной конструкторской задачи, вначале необходимо понять цели и ограничения конечного приложения. Отсюда можно проранжировать ключевые параметры производительности, чтобы получить приблизительное представление о желаемом датчике, а затем приступить к оптимизации конструкции путем тщательной настройки, интеграции и обработки датчика.
Понимание проблем навигации
Начнем с аналогии: Допустим, вы находитесь на работе и хотите выпить чашку кофе, поэтому вы направляетесь к кофейнику. Если вы уже бывали там раньше, то вы продумаете маршрут, но по пути вы будете использовать все свои органы чувств, включая зрение, звук, равновесие и даже осязание. Ваш персональный процессор комбинирует все эти источники, а также распознает шаблоны, а если день выдался тяжелым, то, возможно, придется сделать паузу и обратиться к внешнему источнику информации, а именно к указаниям. На протяжении всего процесса вы полагаетесь на то, что ваши персональные датчики не только точны сами по себе, но и хорошо работают вместе, при необходимости отбрасывают недостоверную информацию (например, запах кофе в кабинке соседа) и полагаются на другие датчики. Для достижения этой цели необходимо использовать те же методы, что и при проектировании автомобилей, хирургических инструментов и роботизированных механических навигационных систем.
Выбор и обработка датчиков
Большинство решений всех, кроме самых простых, задач предполагают использование нескольких типов датчиков для обеспечения требуемой точности и производительности в любых условиях.Инерциальные датчики, такие как акселерометры и гироскопы на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС), способны полностью компенсировать недостатки других типов датчиков, поскольку они не подвержены многим помехам и не требуют внешней инфраструктуры (ни спутников, ни магнитных полей, ни камер...... только инерция).
Инерционные МЭМС-датчики отличаются высокой надежностью (20-летний опыт применения в автомобильной промышленности) и коммерческой привлекательностью благодаря меньшему энергопотреблению, размерам и стоимости, что подтверждается успешным применением в мобильных телефонах и видеоиграх. Однако уровень доступной производительности сильно варьируется, и устройства, подходящие для игр, не могут решать высокопроизводительные навигационные задачи, описанные ранее. Например, для высокоточной промышленной и медицинской навигации обычно требуется на порядок более высокий уровень производительности, чем для МЭМС-датчиков, используемых в потребительских устройствах.
В большинстве случаев движение устройства относительно сложное (по нескольким осям), что обусловливает необходимость использования полноценного инерциального измерительного блока (ИИБ), способного интегрировать до шести степеней свободы инерциального движения - три линейных и три вращательных.
Как уже отмечалось, любой тип датчиков имеет свои ограничения, и если эти ограничения не позволяют достичь требуемых характеристик системы, разработчики могут выбрать одновременную реализацию методов компенсации и использовать несколько типов датчиков. Например, инерциальный измерительный блок выдает высокостабильные значения линейных и вращательных датчиков, которые должны компенсировать следующие эффекты:
температурный дрейф и дрейф напряжения
смещение, чувствительность и нелинейность
вибрация
несогласованность осей X, Y и Z
Инерциальные датчики могут иметь различную степень дрейфа, зависящую от их массы, и этот дрейф может периодически корректироваться с помощью GPS или магнитометров. Помимо правильной конструкции датчиков, одной из главных задач навигации является определение того, на какие датчики и когда следует полагаться. Инерционные МЭМС-акселерометры и гироскопы оказались хорошим дополнением, помогающим разработчикам создавать полнофункциональные сенсорные системы.
Инерциальный МЭМС-датчик использовался при проектировании
В закрытых промышленных или медицинских помещениях, где сигналы GPS не принимаются, а механические и электронные устройства создают магнитные помехи, разработчикам приходится использовать менее традиционные методы управления машиной.
Многие новые приложения, например навигация хирургических инструментов, также требуют большей точности, чем автомобильная навигация. Во всех этих случаях инерциальные датчики являются опцией и обеспечивают наведение на цель, необходимое для поддержания точности при блокировке прямой видимости или других источниках помех, вредных для неинерциальных датчиков.
Помимо улучшения центровки для повышения комфорта и более быстрого и менее инвазивного выполнения хирургических операций, правильно подобранные датчики могут помочь в борьбе с дрожанием рук и усталостью. В последние годы к чисто механическому выравниванию добавилось оптическое выравнивание, но, подобно блокированию GPS для автомобильной навигации, в операционной существует потенциальное блокирование прямой видимости, которое ограничивает точность оптических датчиков. Инструменты для выравнивания хирургических операций с инерционным наведением могут дополнить или даже заменить оптическое наведение без проблем с прямой видимостью и имеют потенциальные преимущества с точки зрения размеров, стоимости и автоматизации.
Несмотря на то, что основы решения навигационных задач весьма единообразны в каждом конкретном случае, необходимо полностью понимать детали терминальной системы. Именно они в конечном итоге определяют выбор подходящего типа датчика и его общую производительность.
В то время как в потребительских приложениях активно развиваются малогабаритные многоосевые инерциальные датчики с низким энергопотреблением, некоторые разработчики датчиков уделяют не меньшее внимание высокой точности компактных, маломощных и высокопроизводительных датчиков в любых условиях. Эти разработки высокоточных и экологически устойчивых датчиков стимулируют новую волну внедрения инерциальных МЭМС-датчиков в промышленности, приборостроении и медицине.
Компания Join Sunny является производителем инерциальных датчиков MEMS. Мы предлагаем навигационные датчики уровня mems и датчики уровня северного ориентирования. Если вы хотите получить более подробную техническую информацию, вы можете связаться с нами в любое время.
Сообщение Просмотров: 0
Поделиться статьей