הרעיון בקצרה : לגירוסקופים בעלי סיבים אופטיים, (Fiber optic gyroscopes – FOGs) בעבר שווי-הערך הזולים לטכנולוגיות אחרות כגון ה-ring laser gyroscopes
(), יש עתה מתחרה חדש. גירוסקופים מסוג micro-electromechanical system
() החלו נוגסים מהשוק של יישומי FOG מסורתיים. במיוחד, ייצוב מערכי אנטנה, בקרת מכונות חקלאיות וניווט רכב כללי הם החזית בה נלחמים MEMS ו-Fogs.
לשם קביעת הנקודות הדומות בין שתי הטכנולוגיות לשימושים ביישומי ניווט, נערכה השוואה בין גירוסקופי MEMS יקרים וגירוסקופי FOG זולים. תוכנת הניווט ונושאי הבקרה הם בקרים המשמשים לניתוח כדי לקבוע באם MEMS באמת מוכנים לתפקד ברמות של ביצועי ניווט טקטי.
MEMS למען ניווט מדויק
בשנים האחרונות תעשיית הניווט ראתה MEMS התופסים עמדה בזכות מאפייני שגיאה משופרים, יציבות סביבתית, רוחב-פס מוגדל, רגישות ל-g משופרת וזמינות גוברת של הספק מחשוב מובנה המסוגל להריץ אלגוריתמי מזיגה (fusion) מתקדמים ודיגום שגיאות החיישנים.
שוקי מערכות הניווט האינרציאלי (INS) חדשים כובשים עמדה וטכנולוגיית ה-MEMS חודרת גם לשווקים אשר נשלטו קודם על-ידי טכנולוגיית ה-FOG. מעבר גלוי מטכנולוגיית ה-FOG ל-MEMS הוא ביישומי ייצוב מערכי האנטנות.
יישומי בקרת המכונות יכולים גם ליהנות מההתקדמות בטכנולוגיית ה-MEMS. באופן מסורתי, המשתמשים נטו אל מערכות ניווט FOG או RLG העולות
$ 30,000מאחר שהביצועים היו פי 20 מדויקים ואמינים יותר מאשר מערכת ניווט MEMS אופיינית של 1,000 חקלאות מדויקת ו-UGV/UAV/USV הן שתי דוגמאות של יישומים אשר היו נהנים מאוד משיפורים של ניווט ה-MEMS הזולים.
חומרת ניווט בזמן-אמת
מערכת הניווט אשר שימשה בעבודה זו תוכננה כדי לספק מוצאי עמדה בעלי קצב גבוה למנוע, אשר ייצב לאחר מכן מערך אנטנות על גג של רכב. מטרת מערך האנטנות הייתה לשמור על התקשורת עם לוויין גיאוסטציונרי.
מערכת הניווט שימשה כמנווט INS/GNSS קשור למטה (strapped down), אשר סיפק מצבים ומהירויות בקצב גבוה. נתוני יחידת מדידה אינרציאלית (inertial measurement unit-IMU) זרמו אל מסננת הניווט ב-1000 הרץ, וחבילות נתונים אלה שימשו לחיזוי פיתרון המצב, המהירות והמיקום (attitude).
המצבים, המהירויות והכיוונים המופקים מאנטנות כפולות שימשו לעדכונים עבור מסננת הניווט. כאשר GNSS לא היה בנמצא, מגנטומטר שימש לסייע לתיחול הכיוון. גם ברומטר שימש כדי לסייע לקביעת הגובה.
רוטינות כיול מיוחדות פעלו במקביל למסנן הניווט. רוטינות אלה כיילו את המגנטומטר, את היעדר הכיוון של מתקן האנטנה הכפולה, את היעדר הכיוון של מתקן ה-IMU ואת רמת רעידות הרכב לגילוי מחזור סטטי.
המערכת תוכננה כדי לפעול בשתי תצורות חומרה. התצורה הראשונה כללה שני FOGs (עבור זוויות הכיוון והשיפוע), גירוסקופ MEMS אחד (עבור הגלגול), מד-תאוצה תלת-צירי MEMS, מגנטומטר תלת-צירי MEMS וברומטר MEMS, כאשר עלות רכיבי החיישנים הכוללת הייתה
כ-$ 8,000 עבור כמויות קטנות.
התצורה השנייה כללה שלושה גירוסקופים MEMS (עבור כל זוויות המיקום), אותו מד-תאוצה תלת-צירי MEMS, מגנטומטר תלת-צירי MEMS וברומטר MEMS כמו בתצורה הקודמת, עם עלות כוללת של
כ-1,000 לכמויות קטנות. המחירים של מערכות אלו יכולים לנוע עם תנאי השוק והכמויות, אך ככלל FOGs הם פי שמונה עד עשרה יקרים יותר מאשר ה-MEMS.
הגירוסקופים ומדי-התאוצה MEMS אשר נבחרו עבור תכנון זה היו בעלי משוב יציב ביותר, אורתוגונליים, רגישים ל-g ורוחב-פס במסגרת קבוצת המחירים שלהם. האילוץ העיקרי של מערכת זו הוא הדרישה לרוחב-פס גבוה. מדי-תאוצה MEMS רבים מציעים רוחב-פס גבוה, אולם לגירוסקופי MEMS יש בד”כ רוחב-פס של 100 הרץ או פחות. דבר זה מקובל עבור ניווט רכב טיפוסי, אולם היישום עבורו תוכננה מערכת זו דרש היענות לבקרת קצב גבוה. יתר על כן, גירוסקופי MEMS אחדים אשר מספקים יציבות משוב טובה הם זמינים אך יש להם רוחב-פס מוקטן או רעש גבוה. גירוסקופי ה-MEMS אשר נבחרו עבור מערכת זו איזנו בין רוחב-פס לבין ביצועים. המפרטים המעשיים של ה-MEMS שנבחרו ניתנים בטבלה 1.
קצבי האימוץ של MEMS אינרציאליים נמצאים בעלייה. כתוצאה, נרשמו השקעות משמעותיות לשם קידום הטכנולוגיה.
גירוסקופי ה-MEMS אשר שימשו במערכת זו כוללים ארכיטקטורה מרובת-ליבות המספקת איזון מיטבי של יציבות, רעש, ליניאריות וביצועי-g-ליניארי. מהודים (resonators) מרובעים הפרשיים במלואם משולבים בצמוד להתניית אותות על-השבב איכותית, וכתוצאה תחום התגובה הדרוש של המהוד ממוזער לאזור ליניארי ביותר, כמו גם מספק דרגה גבוהה של דחיית רעידות.
עם גירוסקופי MEMS ומדי-תאוצה משולבים ב-IMU רב-צירי (ראה איור 1), מקור השגיאה השולט הוא האורתוגונליות x/y/z של החיישנים. מקובל לציין זאת כרגישות על-פני הצירים (cross-axis) או חוסר כיול. מקובל ביותר לראות מפרט של רגישות על-פני-לצירים של ±2. ל-IMU המוזכר במערכת זו יש רגישות על-פני הצירים של 0.087% (אורתוגונילות של 0.05o). יותר חשוב, מפרט זה תקף על-פני טמפרטורה, כתוצאה מכיול מיוחד להתקן המבוצע בבית-החרושת. עבור קצב סיבוב נתון, לדוגמה, בציר הסבסוב, לצירים האורתוגונליים יהיה מוצא קצב שווה לרגישות על-פני-הציריםx קצב הסבסוב, אף כאשר קיים סיבוב אמיתי אפסי בצירי הגלגול והעילרוד. שגיאה על-פני הצירים של 2% תיווצר לרוב ברמת רעש גדולה בסדר גודל מעל רעש הצירים מעבר לרעש הגירוסקופ הנוצר כרגיל; כאשר רגישות ה-IMU של 0.087% מאוזנת בזהירות אל רמת הרעש הטבעית של הגירוסקופ.
רוחב-הפס הזמין והקשר הכרוך בו ליכולת להתאים מופע על-גבי הצירים הוא גם קריטי לתכנונים מרובי-צירים. למבני גירוסקופים אחדים יש רוחבי-פס מצומצמים הכרוכים בצמצום הרעש הכולל, בעוד לאחרים יש רוחב-פס מוגבל (לרוב פחות מ-100 הרץ) כתוצאה מעיבוד החיישנים ששימש באלקטרוניקה של המשוב. דבר זה יכול לגרום לשגיאות קשורות-למופע נוספות המופיעות בנתיב אותות החיישן, במיוחד במסננת Kalman . עם 330 הרץ של רוחב-פס זמין ומערכת סינון מובנית ומתכווננת, ה-IMU של MEMS מספק גישה מאוזנת היטב לשם מזעור מקורות השגיאה הכוללת ומאפשר מיטוב שגיאה מיוחד-למערכת עם הסינון המובנה, אפילו בשדה.
לחיישני הליבה המשמשים ב-IMU של MEMS יכולות טבעיות בדחיית הרעש, כמו גם בליניאריות, דבר העושה את הביצועים שלהם לא רק מתאימים ליישומים בעלי דינמיקה גבוהה, אלא רובוסטיים במיוחד וניתנים לחיזוי גם בסביבות קיצוניות.
תוכנת הניווט
תוכנת הניווט בזמן-אמת עיבדה את הפיתרון ב-1000 הרץ והשתמשה במיכון SINS מקובל עם עדכוני מדידות. עדכוני המדידות נבעו ממגוון מקורות הכוללים:
1. מצבים ומהירויות של ה-GNSS
2. עדכוני כיוון האנטנה הכפולה
3. עדכוני כיוון המגנטומטר
4. עדכוני גובה הברומטר
5. עדכוני מהירות אופציונליים מה-OBDII של הרכב
כל עדכון נוצל כדי לתקן את הסחיפה של פתרון ה-INS בלבד, אך העדכונים עצמם יכולים להיות מנותקים או לא-מדויקים.
עדכוני כיוון האנטנה היו מדויקים אך חשופים לנתיבים מרובים (multipath). לכן עידכוני כיוון האנטנה הכפולה היו אמינים רק תחת כיפת השמיים. דבר דומה ניתן להסיק עבור הערכות הכיוון והמהירות הנובעות ממקלט ה-GNSS, הנהנים גם מ-SBAS.
אומדני הכיוונים מהמגנטומטר יכולים להיות מושפעים מזוויות הטייה גדולות בשל יכולת ההסתכלות האנכית הגרועה במהלך הכיול. מגנטומטרים יכולים גם להיות בלתי-מדויקים ליד חומרים מכילי-ברזל אחרים, דוגמת נהיגה סמוך לכלי-רכב אחרים. לכן, המגנטומטר שימש לסייע לתחל את המערכת כאשר ה-GNSS לא היה זמין או לסייע להקטנת סחיפת הכיוון במהלך תקופות ארוכות של היעדר GNSS (לדוגמה 20 דקות).
הברומטר שימש להוסיף נתוני גובה כאשר ה-GNSS היה חסר או לא מדויק. עדכוני המהירות שימשו למנוע את המהירות להיסחף ללא עדכוני ה-GNSS, במיוחד לאורך נתיב הכיוון. עדכוני מהירות אלו סייעו גם להקטין את אי-ודאות המיקום של הפיתרון, דבר אשר סייע לדחות עדכוני מיקום ה-GNSS מוטעים. כל תוכנת הניווט תוכננה כדי לספק תוצאות מדויקות בכל מצב של ה-GNSS.
בדיקות ניווט
לשם השוואה נכונה בין שתי השיטות, הורכבו שלוש בדיקות מידוד הניווט ברמת המערכת:
1. שמיים בהירים עם אותות GNSS טובים כדי לקבוע את דיוק הסבסוב, העלרוד והכיוון.
2. תרחישי GNSS מרובי-נתיבים, כגון באזורי ערי-תחתית שם פיתרון ה-GSNN עשוי להיות באיכות ירודה בשל הבניינים הגבוהים. כוונת בדיקה זו הייתה להשוות את ביצועי המקום המסונן אשר יציגו גם שגיאות מצב ומהירות.
3. ביצועי רק-INS כדי להעריך את סחיפת ה-INS במיקום, אשר גם מייצגת ביצועי מהירות וגובה.
תוצאות במצב של
שמיים פתוחים
עם GPS זמין וקו ראייה ברור אל מספר לוויינים, ניתן היה להשוות את תוצאות המיצוב והמהירות בין שתי המערכות. זוויות המיצוב – סבסוב, עלרוד וכיוון – היו פרמטרי הניווט הראשוניים שהושוו מאחר שהם נקבעים בעיקר על-ידי ביצועי הגירוסקופ.
ביצועי המיקום היו דומים כמקרה
שה-GNSS היה זמין, כאשר ל-FOG יתרון של 5%.
תוצאות הצבת
GNSS מופחת
הבדיקה הבאה תוכננה להשוות את שתי המערכות בנוכחות GNSS מרובה-נתיבים. צויר מסלול בעיר התחתית של Calgary שכלל מספר סימטאות צרות ונהיגה איטית בתנועה כבדה בסביבת בניינים גבוהים.
המוקד בביצועים יכול עתה לכלול תוצאות הצבה כאשר הגירוסקופ יכול להיות תורם חשוב לביצועי ההצבה בהיעדר מדידות של GNSS איכותי. התוצאות של בדיקה מראות ששתי המערכות דומות. אולם, מערכת ה-FOG הייתה בערך 20% טובה יותר.
איור 2 מראה גרף של פיתרון ה-GPS-בלבד. מקלט ה-GPS בעל הדיוק הגבוה אשר שימש בבדיקה זו רשם החזרות-אות משמעותיות אחדות תוך כדי ניווט במסלול העיר התחתית הקשה. פיתרון ה-GPS-בלבד רשם שגיאות עד 100 מטרים.
הפיתרון המשולב של FOG (איור 3) מראה בבירור את הנתיב הנבחר על-ידי הרכב והוא מדויק עד כדי 10 מטר או טוב יותר באזור העיר התחתית.
פיתרון ה-MEMS מוצג באיור 4 בירוק והוא בתוך 15 מטרים בכל זמן. הפיתרון הוא יותר חשוף ל”משיכות” על-ידי עדכוני מצב GNSS גרועים בגלל המשקל החלש יותר של חיזויי ה-INS.
כדי לסייע לפיתרון ה-MEMS להתגבר על עדכוני ה-GPS הלא-מדויקים, השתמשנו בחיישנים נוספים. איור 5 מציג את הוספת ה-OBDII למערכת כדי לקבל מהירות הרכב.
פיתרון ה-MEMS הוא בתוך 10 מטר כל הזמן, והוא עשוי להיות מעט טוב יותר מאשר ה-FOGs ללא OBDII, כמוצג באיור המוגדל של איור 6.
תוצאות INS-בלבד: דוגמה ובדיקת ביצועים
ההשוואה הסופית בין שתי המערכות הייתה בדיקת ניווט INS-בלבד. המערכות מורכזו בעזרת עדכוני GNSS לשמיים פתוחים. חיבור האנטנה הוסר לאחר מכן משתי המערכות למשך 4.5 דקות, וסחיפות המצבים שימשו כמחוון של הביצועים. המרחק שנמדד במשך זמן זה היה כ-5500 מטר.
איור 7 מראה מבט כללי על המסלול. הקו הכחול הישר מראה היכן ה-GPS נותק בימין למטה, וחובר מחדש משמאל למעלה.
מערכת ה-FOG תפקדה טוב מאוד במשך תקופה זו של חוסר ב-GNSS, עם סחיפה מרבית של שבעה מטר כמתואר באיור 8. ביצועי סחיפה טיפוסיים של מערכת ה-FOG לאחר חמש דקות נמדדה כ-25 מטר, כך שההפסקה המיוחדת הזו הייתה מעט טובה יותר מאשר הביצועים הטיפוסיים.
למערכת ה-MEMS הייתה סחיפה של 75 מטר אחרי 4.5 דקות ללא עדכוני ה-GNSS. הרבה מסחיפה זו הייתה שגיאה לאורך הנתיב, המיוחסת בעיקר למדי-התאוצה. מערכת ה-MEMS נמדדה כבעלת סחיפה של 75 מטר לאחר חמש דקות ללא עדכוני ה-GNSS, וזו בקירוב גדולה פי שלוש מסחיפת ה-FOG.
עדכון ה-OBDII נוסף למערכת ה-MEMS והסחיפה שופרה לפחות מ-10 מטר, או שווה-ערך לפיתרון ה-FOG. ביצועים מדודים טיפוסיים של מערכת ה-MEMS עם ה-OBDII
גורמים לסחיפה במצב של כ-30 מטר לאחר חמש דקות ללא עדכוני ה-GNSS, דבר שהוא גם שווה-ערך לתוצאות המדידה של ה-FOG.
סיכום
הקרב בין FOGs ו-MEMS הוא קרב-קירבה, במיוחד כיום כאשר ביצועי ה-MEMS מתקרבים לרמות הביצועים הטקטיים של FOGs. ל-FOGs יש עדיין יתרון בביצועים, אולם הם 10 מונים יותר יקרים מאשר MEMS. אם GNSS זמין ומטרת היישום היא לפעול בשמיים פתוחים, אזי MEMS יכול להחליף כמה FOGs זולים. אם יש להשתמש ביישום בסביבות GNSS מורדות בדרגה, אזי MEMS יכול להחליף גם מערכות FOG, בעלות של 20% עד 30% בביצועים.
עבור ביצועי INS עצמאיים, ל-FOGs עדיין יתרון, אולם אם המשימה יכולה לקבל עדכוני מהירות של רכב או פלטפורמה אזי ניתן לגרום למערכת MEMS לתפקד ברמה שווה עם מערכת FOG עצמאית. עם ההתקדמות המתמדת של טכנולוגיית ה-MEMS, תמחור תחרותי והעזרה של חיישנים אחרים (דוגמת OBDII) החלפת טכנולוגיית ה-FOG בזו של MEMS עשויה להתקדם בעתיד הקרוב.
קורות חיים
Dr. Chris Goodall הוא ה-CEO/CTO ובין המייסדים של Trusted Positioning Inc. Chris עבד בפיתוח, הפצה והטפה של מערכות ניווט מרובות-חיישנים במשך מעל שמונה שנים. הוא קיבל את תואר ה-BASc בהנדסת תכנון מערכות באוניברסיטת Waterloo ואת ה-PhD בהנדסת גאומטית מאוניברסיטת Calgary. ל-Chris מעל 40 פרסומים ושש בקשות לפטנט הקשורות לניווט משולב.
Sarah Carmichael היא מתאמת השיווק ב-Trusted Positioning, Inc. והיא אחראית לכל צורות החומר השיווקי והתקשורתי. Carmichael קיבלה את תואר
ה-B.Comm. בשיווק מה-Haskayne School of Business באוניברסיטת Calgary.
מאת: Chris Goodall, Sarah Carmichael, Trusted Positioning, Inc. and Bob Scannell, Analog Devices, Inc.
