Компенсація руху та визначення положення — це здатність системи, яка зазвичай включає датчики або пристрої, коригувати або компенсувати рух з метою збереження точної інформації про положення. Така компенсація забезпечує надійність і стабільність даних про положення та орієнтацію, незважаючи на зовнішні рухи чи перешкоди.
Компенсація руху та положення: вибір правильного інерціального датчика
Океанографія відіграє вирішальну роль у контексті сучасних екологічних викликів, таких як зміна клімату, забруднення та екологія. Океанографи покладаються на технології, що стрімко розвиваються, задля досягнення вищих характеристик, які є життєво необхідними для розуміння та вирішення цих завдань.
Понад 15 років ми виготовляємо інерціальні навігаційні системи для морської галузі. Ми розповімо, що таке інерціальні навігаційні системи та як вони використовуються. Крім того, ми виділимо ключові параметри, важливі для вибору MRU або INS/GNSS для компенсації руху та точного відстеження положення океанографічних інструментів.
Ваш надійний помічник для точних вимірювань руху та навігації
Інерціальна навігаційна система (також відома як INS) — це навігаційний пристрій, який надає дані про roll, pitch, heading, положення, швидкість і heave. Вона складається з різних елементів: інерціального вимірювального блока (IMU), який є основою INS, мікропроцесора та приймача GPS/GNSS.
IMU містить 3 акселерометри, 3 гіроскопи та, залежно від вимог до heading, 3 магнітометри. Він вимірює кути Ейлера за 3 осями шляхом обертання для визначення pitch, roll та нишпорення (yaw). Мікропроцесор запускає вдосконалений розширений фільтр Калмана (EKF) на борту для об’єднання в реальному часі інерціальних даних із GNSS, якщо потрібні положення, швидкість або heading на основі GNSS. Крім того, деякі INS також надають дані вимірювання heave та хвиль для всіх океанографічних завдань і місій.
Океанографи використовують багато різних приладів для вимірювання різноманітних елементів, таких як екологічні параметри (наприклад, солоність), седиментологія або течії. Це включає інерціальні навігаційні системи, які компенсують рух інструментів або платформи.
Їх можна встановлювати на платформи різних типів, такі як буї, судна, надводні або підводні системи (USV, ROV або AUV), через що розмір, енергоспоживання та корпус стають визначальними факторами під час вибору рішення, але не єдиними. Нижче наведено 5 корисних порад, на які слід зважати при виборі інерціального датчика.
1 – Як перевірити надійність та відтворюваність даних?
Оскільки інерціальні датчики вбудовуються в платформи, які можуть перебувати в морі місяцями, надійність датчиків має вирішальне значення. Саме тому всі MRU та INS від SBG Systems проходять процедуру individual high-end calibration з використанням багатоосьових поворотних платформ і температурних камер.
Кожен датчик проходить ретельне калібрування в діапазоні від -40°C до 85°C і постачається з детальним звітом про калібрування. Це важливий етап у виробництві, оскільки він гарантує, що система підтримуватиме оптимальну стабільну поведінку та безперервно надаватиме точні дані за будь-яких умов навколишнього середовища, навіть найсуворіших.
У компанії SBG спеціальний внутрішній процес кваліфікації гарантує однаковий рівень продуктивності протягом усього терміну служби без значного дрейфу. Після калібрування інерціальні датчики проходять суворий процес відбору, під час якого видаляються всі датчики, що не відповідають специфікаціям, щоб професіонали могли розраховувати на послідовні вимірювання під час своїх місій.
2 – Вимірювання хвильового руху: вибір датчика залежно від стану моря
Якщо мініатюрний інерціальний датчик SBG під назвою Ellipse забезпечує вимірювання heave в реальному часі з точністю 5 см, яке автоматично підлаштовується під період хвилі, він робить це лише для обмеженого періоду хвиль. Для виконання місій із більшими або складнішими частотами хвиль продукти SBG вищого класу постачаються з функцією відкладеного heave (delayed heave), що забезпечує розрахований у реальному часі із затримкою heave з точністю до 2 см.
3 – GNSS з підтримкою декількох супутникових систем та поправки
Нові GNSS початкового рівня тепер підтримують системи GPS, ГЛОНАСС, Бейду та Галілео, що покращує доступність супутників у районах зі слабким покриттям. Якщо метрична точність позиціонування недостатня для дослідження, висококласні системи забезпечують точність до 5 см у режимі реального часу завдяки PPP-корекціям.
Ця технологія постійно розвивається, пропонуючи більш доступні та прості рішення. RTK, що забезпечує точність до сантиметра, залишається найточнішим рішенням для позиціонування поблизу узбережжя. Якщо дані не потрібні в режимі реального часу, можна досягти ще вищої точності за допомогою програмного забезпечення для постобробки.
4 – Яке рішення щодо курсу слід обрати в умовах низької динаміки або під час виконання завдання поблизу полюса?
З нашого досвіду, більшість океанографічних застосувань підкреслюють важливість наявності INS із двома антенами (тобто такої, що використовує дві антени на одному приймачі GPS/GNSS).
Дійсно, цей тип інерціального датчика використовує дві антени GPS/GNSS для забезпечення положення, швидкості та істинного кута heading, який є дійсним навіть у стаціонарному положенні або за дуже низької динаміки, на відміну від одноантенних GPS. Він також забезпечує істинний heading у будь-якій ситуації без впливу магнітних перешкод або обертання Землі, на відміну від магнітометра та gyrocompass. Це критично важлива функція, особливо для вивчення течій та місій у полярних районах.
У SBG ми щойно випустили Ellipse-D 3-го покоління — дводіапазонний двантенний GNSS/INS вагою 17 грамів із висококласними функціями, що робить його ідеальним рішенням для океанографії.
5 – Проста інтеграція та технічна підтримка
Ви можете легко інтегрувати інерціальні датчики в будь-який морський проєкт. Це можливо завдяки їхній сумісності з численним галузевим програмним забезпеченням та протоколами (понад 90 різних повідомлень у SBG). Драйвери ROS також надаються для легкої інтеграції на автономних платформах.
Обираючи датчик, зосереджуйтеся не лише на технічному паспорті, а й на підтримці компанії під час та після інтеграції.
Чуйність та доречність підтримки є ключовими для успіху проєкту. Інерціальні вимірювання та навігація — це дисципліна, яка враховує безліч параметрів. Вивчення деяких фундаментальних основ за допомогою навчання також може змінити правила гри в швидкості розробки проєкту.
Ми бачили, як нові мініатюрні датчики, такі як Ellipse, підходять для більшості океанографічних застосувань. Висококласні INS/GNSS компенсують роботу різних приладів на повністю укомплектованих суднах, що інтегрують різні класи приладів.
Navsight від SBG Systems
SBG Systems пропонує морське рішення Navsight Marine Solution, яке містить інерціальний вимірювальний блок з performance grades крену та тангажу від 0,02° до 0,007°.
Navsight, надійний процесорний блок, об'єднує інтелектуальну систему злиття даних, приймач GNSS геодезичного класу, реєстратор даних та різні варіанти підключення.
Це передове рішення чудово підходить для цілих флотилій суден, призначених для океанографії. Їм потрібно було компенсувати роботу таких інструментів, як, наприклад, багатопроменеві ехолоти.
Для будь-якого типу застосування вибір інерціального датчика схожий на вибір партнера для розвитку вашого проєкту. Ми сподіваємося, що ці поради допоможуть зробити ваші майбутні інтеграції успішними.
Повну статтю було опубліковано у лютневому випуску журналу Marine Technology Reporter. “Motion Compensation and Position: Role and Important Features to Check when Selecting an Inertial Sensor”
