เครื่องรับสัญญาณ GNSS ทุกตัว ไม่ว่าจะมีความซับซ้อนแค่ไหน ก็มีจุดอ่อนร่วมกัน คือต้องการเส้นสายตาที่ชัดเจนไปยังดาวเทียม เมื่อเส้นสายตานั้นถูกขัดขวาง ไม่ว่าจะด้วยอุโมงค์ โรงจอดรถ หุบเขาเมืองหนาแน่น หรือการรบกวนโดยเจตนา ความแม่นยําในการวางตําแหน่งจะลดลงอย่างรวดเร็วหรือล้มเหลวโดยสิ้นเชิง สําหรับยานยนต์อัตโนมัติ โดรนส่งของ และระบบนําทางที่มีความสําคัญต่อความปลอดภัย ช่องว่างเหล่านี้เป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้
ทางออกอยู่ที่การหลอมรวมเซ็นเซอร์: เชื่อมต่อเครื่องรับ GNSS อย่างแน่นแฟ้นกับหน่วยวัดเฉื่อย (IMUs) เพื่อสร้างระบบนําทางที่แม่นยําในช่วงที่สัญญาณดาวเทียมขัดข้องเป็นเวลานาน บทความนี้จะวิเคราะห์หลักการทางเทคนิคของการรวม GNSS/IMU ความแตกต่างระหว่างสถาปัตยกรรมการเชื่อมต่อแบบหลวมและแบบแน่น รวมถึงลักษณะสมรรถนะที่สําคัญสําหรับการใช้งานจริง
ทําความเข้าใจ IMU Drift และเหตุผลที่ฟิวชันจําเป็น
IMU จะวัดแรงจําเพาะและอัตรามุมโดยใช้เครื่องวัดความเร่งและไจโรสโคป โดยการผสานค่าการวัดเหล่านี้ไปเรื่อย ๆ ระบบนําทางสามารถคํานวณตําแหน่ง ความเร็ว และทิศทางได้โดยไม่ต้องอ้างอิงจากภายนอก อย่างไรก็ตาม กระบวนการบูรณาการนี้สะสมข้อผิดพลาด; อคติเล็กน้อยในเซ็นเซอร์จะสะสมเป็นข้อผิดพลาดในตําแหน่งที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าลอย.
- อคติของเครื่องวัดความเร่ง:ไบแอสเล็ก ๆ เพียง 100 ไมโครกรัม (หนึ่งในหมื่นของแรงโน้มถ่วง) จะรวมเป็นข้อผิดพลาดของตําแหน่งประมาณ 18 เมตร หลังจากใช้แรงเฉื่อยเพียง 60 วินาที
- ไบแอสไจโรสโคป:ไบแอสไจโรที่ 1 องศาต่อชั่วโมงจะทําให้คําตอบของท่าทางเอียง ทําให้แรงโน้มถ่วงถูกฉายผิดไปยังระนาบแนวนอนและสร้างความเร่งที่ปลอมแปลงซึ่งทําให้การประมาณตําแหน่งผิดพลาดอย่างรวดเร็ว
- บทบาทของ GNSS:GNSS ให้การตรึงตําแหน่งแบบสัมบูรณ์ที่มีข้อผิดพลาดจํากัด ทําให้เป็นตัวเลือกที่สมบูรณ์แบบสําหรับการคํานวณแบบตายที่อิงกับ IMU ความท้าทายคือการออกแบบสถาปัตยกรรมฟิวชันให้ใช้ความสามารถของเซ็นเซอร์ทั้งสองได้สูงสุด
IMU เพียงอย่างเดียวก็ทําให้ตาบอดภายในไม่กี่นาที แค่ GNSS ก็ทําให้ตาบอดเมื่ออยู่ใต้ที่กําบัง เมื่อรวมกันอย่างเหมาะสม พวกมันสร้างระบบนําทางที่แข็งแกร่งในแทบทุกสภาพแวดล้อมที่โลกสามารถมอบให้ได้
ข้อต่อหลวม vs. ข้อต่อแบบแน่น
ระบบฟิวชัน GNSS/IMU ถูกจัดประเภทตามความลึกของการโต้ตอบระหว่างเซ็นเซอร์ การเลือกสถาปัตยกรรมมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพในช่วงที่ GNSS ขัดข้องบางส่วนและทั้งหมด
ข้อต่อหลวมถือว่า GNSS และ IMU เป็นเซ็นเซอร์อิสระ โดยป้อนตําแหน่งและความเร็วออกไปยังฟิลเตอร์ Kalman แม้จะง่ายต่อการติดตั้ง แต่สถาปัตยกรรมนี้จะล้มเหลวโดยสิ้นเชิงเมื่อ GNSS ลดลงต่ํากว่าสี่ดาวเทียมที่มองเห็นได้ ซึ่งเป็นขั้นต่ําที่จําเป็นสําหรับการกําหนดตําแหน่งแบบสแตนด์อโลน แม้ว่าการวัดระยะเทียมและเฟสพาหะดิบจากดาวเทียมจํานวนน้อยกว่าจะยังจํากัดโซลูชัน IMU ได้
ข้อต่อแน่นทํางานในระดับการวัด โดยป้อนข้อมูลดิบ GNSS pseudoranges, การวัด Doppler และเฟสพาหะโดยตรงเข้าสู่ตัวกรองนําทางควบคู่ไปกับข้อมูล IMU แม้จะมีดาวเทียมที่มองเห็นได้เพียงหนึ่งหรือสองดวง ระบบก็สามารถจํากัดการเคลื่อนที่ของตําแหน่งได้บางส่วน เพิ่มความทนทานต่อการขัดข้องอย่างมาก
เกณฑ์ประสิทธิภาพในโลกจริง
โมดูล GNSS/IMU ที่เชื่อมต่อกันอย่างแน่นแฟ้นของ Jumpstar ได้รับการทดสอบในสถานการณ์จริงที่ท้าทายระบบ GNSS บริสุทธิ์ ในลําดับอุโมงค์ทางหลวงที่มีการขัดข้องสัญญาณเป็นเวลา 45 วินาที การเชื่อมต่ออย่างแน่นหนาช่วยรักษาความแม่นยําของตําแหน่งในแนวนอนภายใน0.5 เมตร, เมื่อเทียบกับข้อผิดพลาดการเชื่อมต่อหลวมที่เกิน 10 เมตร และข้อผิดพลาด IMU บริสุทธิ์ที่เกิน 50 เมตร
สําหรับนักพัฒนายานยนต์อัตโนมัติ ความแตกต่างด้านสมรรถนะเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อขอบเขตความปลอดภัย ระบบที่รักษาความแม่นยําต่ํากว่าเมตรผ่านอุโมงค์สามารถรักษาเลนและควบคุมความเร็วอัตโนมัติแบบปรับได้โดยไม่ต้องมีผู้ขับขี่เข้ามาแทรกแซง ระบบที่ลอยตัวไป 10 เมตรจะก่อให้เกิดอันตรายต่อความปลอดภัยทันที
เมื่อประเมินโมดูล GNSS สําหรับการใช้งานที่สัญญาณขัดข้องเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ การเชื่อมต่อแบบแน่นหนาไม่ใช่ทางเลือกเสริม; เป็นข้อกําหนดพื้นฐานสําหรับการดําเนินงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้
.png?imageMogr2/format/webp)
.png?imageMogr2/format/webp)
