บทนำสู่เทคโนโลยี Inertial

(3) องค์ประกอบของระบบของระบบนำทาง Inertial

ระบบนำทาง Inertial (INS) เป็นโซลูชันการนำทางแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการบินและอวกาศ, UAV, เรือเดินทะเล, หุ่นยนต์, และการใช้งานในอุตสาหกรรมระดับสูง ซึ่งแตกต่างจากระบบที่ใช้ดาวเทียม INS ไม่ได้พึ่งพาสัญญาณภายนอก แต่จะคำนวณตำแหน่ง, ความเร็ว, และทัศนคติผ่านเซ็นเซอร์ภายในและอัลกอริทึม

บทความนี้อธิบายองค์ประกอบของระบบ INS ทั้งหมดและวิธีการทำงานร่วมกันของระบบย่อยต่างๆ เพื่อส่งมอบการนำทางที่แม่นยำและเชื่อถือได้

1. ภาพรวมของระบบนำทาง Inertial

INS กำหนดการเคลื่อนที่ของแพลตฟอร์มโดยการวัดความเร่งและความเร็วเชิงมุมอย่างต่อเนื่อง การวัดเหล่านี้ถูกประมวลผลผ่านอัลกอริทึมการนำทางเพื่อคำนวณ:

• ตำแหน่ง

• ความเร็ว

• ทัศนคติ (Roll, Pitch, Yaw)

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ INS ได้รวมฮาร์ดแวร์ที่มีความแม่นยำ โครงสร้างทางกล อิเล็กทรอนิกส์ และวิธีการสอบเทียบเข้าด้วยกัน

2. องค์ประกอบของระบบ

ส่วนประกอบหลักของระบบนำทาง Inertial ได้แก่:

(1) หน่วยวัดความเฉื่อย (IMU)

IMU เป็นแกนกลางในการตรวจจับของ INS โดยรวม:

• ไจโรสโคป
  วัดอัตราการหมุนรอบสามแกน

• มาตรความเร่ง
  วัดความเร่งเชิงเส้นตามสามแกน

เมื่อรวมกันแล้ว องศาอิสระทั้งหกนี้จะให้ข้อมูลการเคลื่อนที่ดิบที่จำเป็นสำหรับการคำนวณการนำทาง

(2) คอมพิวเตอร์นำทาง

คอมพิวเตอร์นำทางมีหน้าที่แปลงสัญญาณดิบของ IMU เป็นข้อมูลการนำทางที่ใช้งานได้

โดยดำเนินการ:

• การได้มาและการประมวลผลข้อมูล
  การกรอง, การสุ่มตัวอย่าง, และการแปลงเอาต์พุตเซ็นเซอร์

• โซลูชันการนำทาง
  ใช้อัลกอริทึม เช่น การคำนวณแบบสายรัด, การรวมทัศนคติ, การอัปเดตความเร็ว, และการคำนวณตำแหน่ง

• การชดเชยข้อผิดพลาด
  ใช้ข้อมูลการสอบเทียบ, การกำจัดอคติ, การแก้ไขปัจจัยมาตราส่วน, และการชดเชยอุณหภูมิ

(3) ระบบหน่วง

เพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำที่สอดคล้องกัน ระบบหน่วงจะรักษาเสถียรภาพของการเคลื่อนที่ของแพลตฟอร์มและลดอิทธิพลของการสั่นสะเทือน, แรงกระแทก, และการรบกวนทางกล

ฟังก์ชันต่างๆ ได้แก่:

• ลดเสียงรบกวนของเซ็นเซอร์ที่เกิดจากการสั่นสะเทือน

• ให้การหน่วงสำหรับการสั่นของกลไก

• ช่วยในการจัดตำแหน่งที่แม่นยำ

การออกแบบการหน่วงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานทางอากาศและบนมือถือ

(4) ระบบอิเล็กทรอนิกส์

ระบบอิเล็กทรอนิกส์ให้การจัดการพลังงาน, การปรับสภาพสัญญาณ, และอินเทอร์เฟซการสื่อสาร

องค์ประกอบสำคัญ:

• การควบคุมและกระจายพลังงาน

• วงจรประมวลผลสัญญาณดิจิทัล

• โปรโตคอลการสื่อสาร (CAN, RS422, Ethernet, ฯลฯ)

• การตรวจสอบและป้องกันระบบ

(5) โครงสร้างทางกล

โครงสร้างทางกลให้รากฐานทางกายภาพของ INS
โครงสร้างทางกลที่ออกแบบมาอย่างดีช่วยปรับปรุง:

• ความต้านทานการสั่นสะเทือน

• ความเสถียรทางความร้อน

• ความสมบูรณ์ของโครงสร้างในระยะยาว

• ความทนทานต่อสภาพแวดล้อม

ส่วนนี้ช่วยให้ระบบทำงานได้อย่างสม่ำเสมอภายใต้สภาวะที่ต้องการ

3. การเริ่มต้นพารามิเตอร์และกลไกการสอบเทียบ

เพื่อให้ได้ความแม่นยำสูงสุด INS ต้องมีการสอบเทียบและการเริ่มต้นหลายชั้น

(1) พารามิเตอร์เริ่มต้น

ซึ่งรวมถึงอคติของเซ็นเซอร์, มุมการติดตั้ง, ปัจจัยมาตราส่วน, และสัมประสิทธิ์ด้านสิ่งแวดล้อม

(2) ตำแหน่งเริ่มต้น

ระบบต้องการพิกัดเริ่มต้นที่ถูกต้องเพื่อเริ่มการคำนวณการนำทาง

(3) การสอบเทียบอุณหภูมิ

เซ็นเซอร์ IMU มีความไวต่ออุณหภูมิสูง
การสอบเทียบอุณหภูมิชดเชย:

• การดริฟท์ของอคติ

• การเปลี่ยนแปลงปัจจัยมาตราส่วน

• ผลกระทบจากอุณหภูมิที่ไม่เป็นเชิงเส้น

สิ่งนี้จำเป็นสำหรับการทำงานที่มีความแม่นยำสูง

(4) การจัดตำแหน่งและการสอบเทียบเริ่มต้น

การจัดตำแหน่งเริ่มต้นสร้างการอ้างอิงทัศนคติ (Roll / Pitch / Heading)
ประเภทการจัดตำแหน่งทั่วไปสองประเภท:

• การจัดตำแหน่งแบบคงที่ – ดำเนินการเมื่อระบบอยู่นิ่ง

• การจัดตำแหน่งแบบไดนามิก – ดำเนินการขณะเคลื่อนที่ โดยได้รับความช่วยเหลือจากอัลกอริทึม

การจัดตำแหน่งที่เหมาะสมช่วยให้มั่นใจได้ถึงเอาต์พุต Heading และทัศนคติที่ถูกต้องตลอดการทำงาน

4. เอาต์พุตของ INS

หลังจากประมวลผลข้อมูลเซ็นเซอร์ทั้งหมดและใช้การแก้ไขแล้ว INS จะส่งออก:

• ทัศนคติ (Roll, Pitch, Yaw)

• ความเร็ว (เหนือ/ตะวันออก/ลง หรือ XYZ)

• ตำแหน่ง (พิกัด GPS หรือระบบพิกัดท้องถิ่น)

• พารามิเตอร์ข้อผิดพลาด (การวินิจฉัย, สถานะ, ตัวบ่งชี้คุณภาพ)

ความแม่นยำของเอาต์พุตเหล่านี้ขึ้นอยู่กับคุณภาพของเซ็นเซอร์, ความสมบูรณ์ของการสอบเทียบ, และประสิทธิภาพของอัลกอริทึม

5. บทสรุป

ระบบนำทาง Inertial เป็นเทคโนโลยีที่ซับซ้อนแต่ทรงพลัง สร้างขึ้นจากเซ็นเซอร์ที่แม่นยำ, อัลกอริทึมที่ซับซ้อน, และกระบวนการสอบเทียบขั้นสูง ความสามารถในการนำทางการหยุดชะงักในสภาพแวดล้อมที่ปฏิเสธ GNSS ทำให้ไม่สามารถถูกแทนที่ได้ในการบินและอวกาศ, การป้องกันประเทศ, หุ่นยนต์, และการใช้งานในอุตสาหกรรมสมัยใหม่

การทำความเข้าใจองค์ประกอบของระบบ INS ทั้งหมด—IMU, คอมพิวเตอร์นำทาง, การหน่วง, ระบบย่อยอิเล็กทรอนิกส์, โครงสร้างทางกล, และเวิร์กโฟลว์การสอบเทียบ—ช่วยให้ผู้ใช้เข้าใจถึงความลึกและความสำคัญทางเทคนิค