Mỗi bộ thu GNSS, bất kể độ tinh vi ra sao, đều có một điểm yếu chung: nó đòi hỏi phải có đường nhìn rõ ràng đến vệ tinh. Khi tầm nhìn đó bị gián đoạn, bởi đường hầm, bãi đậu xe, hẻm núi đô thị dày đặc hoặc gây nhiễu cố ý, độ chính xác định vị trí sẽ giảm nhanh hoặc hoàn toàn thất bại. Đối với xe tự lái, drone giao hàng và hệ thống định vị quan trọng về an toàn, những khoảng trống này là không thể chấp nhận được.
Giải pháp nằm ởnhiệt hạch cảm biến: kết nối chặt chẽ các bộ thu GNSS với Đơn vị Đo quán tính (IMU) để tạo ra hệ thống định vị duy trì độ chính xác trong các đợt mất tín hiệu vệ tinh kéo dài. Bài viết này xem xét các nguyên tắc kỹ thuật của hợp nhất GNSS/IMU, sự khác biệt giữa kiến trúc liên kết lỏng và chặt chẽ, cũng như các đặc tính hiệu suất quan trọng trong các ứng dụng thực tế.
Hiểu về sự trôi của IMU và lý do tại sao cần nhiệt hạch
IMU đo lực cụ thể và tốc độ góc bằng cách sử dụng gia tốc kế và con quay hồi chuyển. Bằng cách tích hợp các phép đo này theo thời gian, hệ thống định vị có thể tính toán vị trí, vận tốc và tư thế mà không cần tham chiếu bên ngoài. Tuy nhiên, quá trình tích hợp này sẽ tích lũy nhiều lỗi; các sai lệch nhỏ trong cảm biến tích tụ thành sai số vị trí tăng nhanh, hiện tượng này được gọi làtrôi dạt.
- Độ lệch gia tốc kế:Một sai lệch nhỏ 100 microgam (một phần mười nghìn trọng lực) được tích hợp thành sai số vị trí khoảng 18 mét chỉ sau 60 giây định vị quán tính thuần túy.
- Độ lệch của con quay hồi chuyển:Độ lệch con quay hồi chuyển 1 độ mỗi giờ khiến nghiệm tư thế bị nghiêng, chiếu sai trọng lực vào mặt phẳng ngang và tạo ra gia tốc giả định nhanh chóng làm sai lệch ước lượng vị trí.
- Vai trò của GNSS:GNSS cung cấp các cố định vị trí tuyệt đối với sai số có giới hạn, khiến nó trở thành sự bổ sung hoàn hảo cho phương pháp đếm chết dựa trên IMU. Thách thức là thiết kế kiến trúc nhiệt hạch để tối đa hóa sức mạnh của cả hai cảm biến.
Chỉ riêng IMU đã bị mù trong vài phút. Chỉ riêng GNSS đã bị mù khi được che giấu. Khi kết hợp đúng cách, chúng tạo nên một hệ thống định vị vững chắc trong hầu hết mọi môi trường mà Trái Đất có thể cung cấp.
Khớp nối lỏng so với Khớp nối chặt
Hệ thống nhiệt hạch GNSS/IMU được phân loại dựa trên mức độ tương tác sâu sắc của các cảm biến. Lựa chọn kiến trúc này có ảnh hưởng sâu sắc đến hiệu suất trong các sự cố GNSS một phần và toàn bộ.
khớp nối lỏngxem GNSS và IMU như các cảm biến độc lập, truyền vị trí và vận tốc đầu ra vào bộ lọc Kalman. Mặc dù đơn giản để triển khai, kiến trúc này hoàn toàn thất bại khi GNSS giảm xuống dưới bốn vệ tinh nhìn thấy, mức tối thiểu cần thiết cho việc xác định vị trí độc lập, ngay cả khi các phép đo pseudorange và pha sóng mang thô từ ít vệ tinh hơn vẫn có thể hạn chế giải pháp IMU.
khớp nối chặthoạt động ở cấp độ đo, đưa các dữ liệu pseudorange thô GNSS, các phép đo Doppler và pha mang trực tiếp vào bộ lọc điều hướng cùng với dữ liệu IMU. Ngay cả với chỉ một hoặc hai vệ tinh có thể nhìn thấy, hệ thống vẫn có thể hạn chế một phần sự lệch vị trí, kéo dài đáng kể khả năng chịu gián đoạn.
Các tiêu chuẩn hiệu suất thực tế
Các mô-đun GNSS/IMU liên kết chặt chẽ của Jumpstar đã được thử nghiệm trong các tình huống thực tế thách thức các hệ thống GNSS thuần túy. Trong các chuỗi đường hầm đường cao tốc với sự cố mất tín hiệu kéo dài 45 giây, sự kết nối chặt chẽ duy trì độ chính xác vị trí ngang trong0,5 mét, so với lỗi khớp nối lỏng vượt quá 10 mét và lỗi IMU thuần túy vượt quá 50 mét.
Đối với các nhà phát triển xe tự lái, những khác biệt về hiệu suất này trực tiếp chuyển thành biên độ an toàn. Một hệ thống duy trì độ chính xác dưới mét qua đường hầm có thể tiếp tục giữ làn đường và kiểm soát hành trình thích ứng mà không cần sự can thiệp của tài xế. Một hệ thống trôi dạt 10 mét sẽ gây nguy hiểm an toàn ngay lập tức.
Khi đánh giá các mô-đun GNSS cho các ứng dụng mà sự cố tín hiệu là điều không thể tránh khỏi, kết nối chặt chẽ không phải là một cải tiến tùy chọn; Đây là yêu cầu cơ bản để vận hành an toàn và đáng tin cậy.
.png?imageMogr2/format/webp)
.png?imageMogr2/format/webp)
