Mỗi máy thu GNSS, bất kể độ phức tạp, đều có chung một lỗ hổng: nó đòi hỏi một đường ngắm rõ ràng đối với vệ tinh. Khi tầm nhìn đó bị gián đoạn, bởi đường hầm, nhà để xe, hẻm núi đô thị dày đặc hoặc cố tình gây nhiễu, độ chính xác của định vị sẽ giảm nhanh chóng hoặc thất bại hoàn toàn. Đối với xe tự hành, máy bay không người lái 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 ởhợp nhất cảm biến: kết hợp chặt chẽ máy thu GNSS với Đơn vị đo lường quán tính (IMU) để tạo ra một hệ thống định vị vẫn chính xác trong thời gian 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 khớp nối lỏng lẻo và chặt chẽ cũng như các đặc tính hiệu suất quan trọng đối với các ứng dụng trong thế giới thực.
Hiểu về IMU Drift và tại sao Fusion lại cần thiết
IMU đo lực và tốc độ góc cụ thể 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 thái độ mà không cần bất kỳ tham chiếu bên ngoài nào. Tuy nhiên, quá trình tích hợp này tích lũy lỗi; Các sai lệch nhỏ trong cảm biến kết hợp thành lỗi vị trí phát triển nhanh chóng, một hiện tượng được gọi làtrôi dạt.
- Gia tốc kế thiên vị:Một độ lệch nhỏ 100 microgram (một phần mười nghìn trọng lực) tích hợp thành sai số vị trí khoảng 18 mét chỉ sau 60 giây điều hướng quán tính thuần túy.
- Thiên vị con quay hồi chuyển:Độ lệch con quay hồi chuyển 1 độ mỗi giờ làm cho giải pháp thái độ nghiêng, chiếu sai trọng lực vào mặt phẳng nằm ngang và tạo ra gia tốc hư cấu làm hỏng nhanh chóng các ước tính vị trí.
- Vai trò của GNSS:GNSS cung cấp các bản sửa lỗi vị trí tuyệt đối với lỗi giới hạn, làm cho nó trở thành sự bổ sung hoàn hảo cho tính toán chết dựa trên IMU. Thách thức là thiết kế kiến trúc nhiệt hạch để tối đa hóa sức mạnh của cả hai cảm biến.
Một mình IMU bị mù trong vòng vài phút. Chỉ riêng GNSS là mù dưới vỏ bọc. Cùng với nhau, được hợp nhất đúng cách, chúng tạo ra một hệ thống định vị mạnh mẽ trong hầu hết mọi môi trường mà Trái đất có thể cung cấp.
Khớp nối lỏng lẻo so với khớp nối chặt chẽ
Các hệ thống nhiệt hạch GNSS / IMU được phân loại theo mức độ tương tác sâu của các cảm biến. Sự lựa chọn kiến trúc có ý nghĩa sâu sắc đối với hiệu suất trong thời gian mất điện một phần và toàn bộ GNSS.
Khớp nối lỏng lẻocoi GNSS và IMU là cảm biến độc lập, đưa đầu ra vị trí và vận tốc của chúng vào bộ lọc Kalman. Mặc dù đơn giản để thực hiện, kiến trúc này hoàn toàn thất bại khi GNSS giảm xuống dưới bốn vệ tinh có thể nhìn thấy, mức tối thiểu cần thiết cho một cố định vị trí độc lập, ngay cả khi các phép đo giả và pha sóng mang thô từ ít vệ tinh hơn vẫn có thể hạn chế giải pháp IMU.
Khớp nối chặt chẽhoạt động ở cấp độ đo, cung cấp cam giả GNSS thô, phép đo Doppler và pha sóng 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 được, hệ thống có thể hạn chế một phần độ lệch vị trí, mở rộng đáng kể khả năng chịu sự cố mất điện.
Điểm chuẩn hiệu suất trong thế giới thực
Các mô-đun GNSS / IMU được kết hợp chặt chẽ của Jumpstar đã được thử nghiệm trong các tình huống thực tế thách thức các hệ thống GNSS thuần túy. Trong chuỗi đường hầm đường cao tốc với tín hiệu mất điện trong 45 giây, khớp nối chặt chẽ duy trì độ chính xác của vị trí nằm ngang trong0,5 mét, so với lỗi khớp nối lỏng lẻo 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 chuyển trực tiếp thành biên độ an toàn. Một hệ thống duy trì độ chính xác của đồng hồ phụ qua đường hầm có thể tiếp tục giữ làn đường và kiểm soát hành trình thích ứng mà không cần sự can thiệp của người lái. Một hệ thống trôi dạt 10 mét gây ra mối nguy hiểm về an toàn ngay lập tức.
Khi đánh giá các mô-đun GNSS cho các ứng dụng không thể tránh khỏi sự cố mất tín hiệu, khớp nối chặt chẽ không phải là một cải tiến tùy chọn; Đó là một yêu cầu cơ bản để vận hành an toàn và đáng tin cậy.
.png)
