Инерциальные модули компании Xsens: математические алгоритмы совместно с современными МЭМС-технологиями как надежное решение задач ориентации и навигации

Решение указанных задач осложняется неидеальностью датчиков и системы в целом, что приводит к возникновению ошибок, имеющих различный характер, в том числе ошибок, вызванных внешними воздействиями — вибрациями из-за двигателей и исполнительных механизмов или из-за взаимодействия с окружающей средой, изменениями температуры, длительными ускорениями и магнитными возмущениями.

Последние достижения в области технологии микроэлектромеханических систем (MEMS) позволяют разработать недорогие (<$1–100 за ось) и компактные (от <0,02–0,2 см³) акселерометры и гироскопы. Ошибки, присущие этим компонентам, существенно затрудняют построение навигационных систем с использованием IMU только на основе MEMS-датчиков для упомянутых применений. Для увеличения точности и надежности оценки отслеживания чрезвычайно важно, чтобы сигналы IMU на основе MEMS комбинировались с измерениями от вспомогательных датчиков, таких как магнитометр, барометрический высотомер и глобальная спутниковая навигационная система (GNSS), а также с моделями движения, специфичными для конкретных подвижных объектов. Компания Xsens, обладающая многолетним опытом разработки алгоритмов, создала алгоритм слияния датчиков Xsens estimation engine (XEE), который позволяет использовать преимущества различных вспомогательных измерений датчиков и оптимально сочетать их для получения надежных оценок отслеживания.

Рис. 1. Линейка модулей MTi

Инерциальные модули Xsens имеют название MTi и удовлетворяют требованиям, существующим в различных областях применения. На рис. 1 изображена линейка модулей MTi, а в таблице 1 представлен перечень моделей в каждой из линеек с указанием функционала. Основой модуля является инерциальный измерительный блок IMU на основе MEMS-датчиков, объединенный с триадой магнитометров в легком (11 г для OEM-версии) миниатюрном (<15 см³) корпусе с энергопотреблением 480–650 мВт (для MTi 100‑й серии). Конструкция модуля и датчиков в сочетании с алгоритмами обработки сигналов обеспечивает устойчивость к вибрациям в диапазоне как минимум до 400 Гц (для MTi 100‑й серии), а также выдачу данных с высокой частотой (2 кГц) и низкой задержкой передачи данных (<2 мс). Серия продуктов MTi разработана с учетом требований, диктуемых существующими применениями.

В рамках каждой серии MTi компания Xsens предлагает несколько вариантов продукции. Каждый вариант предоставляет различные функциональные возможности. На рис. 2 и в таблице 1 пояснена классификация модулей MTi по функционалу.

Рис. 2. Пояснение классификации модулей MTi

Блок чувствительных элементов IMU представляет собой инерциальный измерительный блок, который выдает калиброванную информацию о линейных ускорениях, угловых скоростях поворота, данных о величине магнитного поля по трем осям и барометрического давления (для некоторых вариантов модулей). IMU не предоставляет функцию слияния данных от датчиков для получения оценок по углам ориентации, но имеет возможность вывода данных в виде приращений по углам ∆q и приращений по скорости ∆v.

Гирогоризонт (VRU) позволяет применять алгоритмы, которые используют направление вектора ускорения свободного падения в качестве источника дополнительной информации для расчета и коррекции углов крена и тангажа. По сути, он предоставляет те же данные, что и курсовертикаль (AHRS), за исключением угла рыскания. Оценка угла рыскания в гирогоризонте не имеет привязки к направлению на север, что означает, что угол вычисляется без какой-либо географической/магнитной привязки и коррекции, а лишь за счет интегрирования показаний с гироскопов с возможностью использования функции активной стабилизации по курсу для уменьшения его дрейфа. Для VRU доступен весь функционал IMU.

Курсовертикаль (AHRS) схожа по функционалу с гирогоризонтом и выдает углы крена, тангажа и рыскания с привязкой к направлению на север за счет использования магнитометров. Для AHRS доступен весь функционал VRU и IMU.

Инерциальная навигационная система комплексирована с информацией от спутниковой навигационной системы (GNSS/INS), в том числе с поддержкой кинематики в реальном времени (RTK) для получения сантиметровой точности определения координат. Такие варианты модулей имеют барометр и приемник сигналов GNSS и поправок с базовых станций для увеличения точности методом кинематики в реальном времени (RTK). Они выдают информацию об углах крена, тангажа и рыскания с привязкой к направлению на север, а также информацию о линейном положении объекта и его линейной скорости. Данные модули предоставляют доступ к функционалу IMU, VRU и AHRS.

Каждая из серий модулей MTi отличается друг от друга такими характеристиками, как точность выдаваемой информации об углах ориентации и координатах, габаритами, вариантом исполнения, набором доступных интерфейсов и другими эксплуатационными параметрами. В таблице 2 приведены данные по всем вариантам инерциальных модулей с основными точностными характеристиками, в таблице 3 представлены массовые и геометрические характеристики модулей MTi, в таблицах 4–6 сведены данные о характеристиках гироскопов, акселерометров, барометров, магнитометров, входящих в состав модулей, а также характеристики GNSS-приемников, в таблице 7 приведены эксплуатационные характеристики модулей.

Примечание. AHS — Active Heading Stabilization (активная стабилизация по курсу).

Примечание. *Состав отладочного набора определяется типом модуля.

Примечание. *Возможны нестандартные диапазоны, по запросу.

Модули серии MTi 1‑series — это самые маленькие (12,1×12,1 мм), легкие (<1 г) и наиболее экономичные варианты модулей Xsens в форм-факторе для поверхностного монтажа (SMD), совместимые со стандартом JEDEC PLCC‑28 и выпускаемые крупными партиями для серийного потребления в большом объеме.

Модули серии MTi 600‑series с классом пылевлагозащиты IP51 спроектированы как экономичный и простой в интеграции OEM-компонент с малой массой и габаритами. Модуль можно устанавливать двумя способами: либо кверху ногами непосредственно к ответному разъему на печатной плате, либо установить отдельно, присоединив шлейфом к ответному разъему на печатной плате. Варианты модулей MTI‑630R, MTI‑670G и MTI‑680G с классом пылевлагозащиты IP68 имеют прочный алюминиевый корпус, а модели MTI‑670G и MTI‑680G оснащены встроенным приемником GNSS. Еще одна особенность всей серии MTi 600‑series — наличие интерфейса CAN.

Модули серии MTi 10‑series представляют собой вариант инерциального модуля по доступной цене. Они оснащены прочными корпусами из анодированного алюминия и прочными и надежными разъемами push-pull. Серию MTi‑10 легко узнать по алюминиевому серебристому основанию.

Модули серии MTI 100-series — топовый вариант модулей MTi в прочных алюминиевых корпусах, точность которых превосходит обычные модули на базе MEMS-датчиков благодаря использованию высокоточных гироскопов и уникального оптимизационного фильтра, чьи возможности выходят за рамки стандартных расширенных реализаций фильтра Калмана. Кроме того, производится более точная заводская калибровка, с высокой воспроизводимостью и надежностью. MTi 100‑й серии можно узнать по темно-серому или черному основанию и небольшим отверстиям для барометра на боковой стороне корпуса. MTi-G‑710 оснащен дополнительным разъемом SMA для подключения антенны GNSS.

Рис. 3. Вариант применения модулей Xsens в беспилотной сельскохозяйственной технике

Все серии модулей MTi поставляются с отладочным программным обеспечением MT Software Suite, которое содержит специально разработанный и простой в применении графический пользовательский интерфейс, а также драйверы для различных операционных систем и позволяет быстро начать работу с модулем. Помимо этого, ПО предлагает множество других полезных инструментов, примеры исходного кода и документацию.

Рис. 4. Вариант применения модулей Xsens в беспилотных летательных аппаратах

В завершение описания модулей Xsens хотелось бы немного подробней коснуться областей применения этих устройств (рис. 3–6), так как их количество растет с каждым годом. В настоящее время проводится много исследований и разработок в сфере автономных наземных транспортных средств и систем помощи водителю. Причем список применений обширен: начиная от автономных грузовиков и легковых автомобилей и поездов до мобильных роботов и автоматизированных систем для 3D-съемки. Особо следует выделить решения для складских помещений и логистики, в которых взят курс на максимальную автоматизацию и переход к «Индустрии 4.0», где отслеживание движения играет важную роль. Уже сейчас здесь используется робототехника, автономные транспортные средства, сенсорные технологии и «Интернет вещей» (IoT). Устройства, предлагаемые компанией Xsens, могут быть использованы в любой из этих областей, поскольку удовлетворяют всем специфическим требованиям при решении задач ориентации и навигации для объектов вне и внутри помещения, а также под землей. Например, гирогоризонт (VRU) обеспечивает вывод данных по крену, тангажу и курсу без привязки к магнитному полю Земли, что делает его оптимальным решением для использования в условиях с высокими магнитными возмущениями в закрытых помещениях и подземных складах. Или, например, модули MTi 600‑й серии, поддерживающие интерфейс CAN, а также оснащенные приемником GNSS, что делает их незаменимыми для использования в автомобильных системах.

Рис. 5. Вариант применения модулей Xsens в морской тематике

Классическими вариантами являются авиационные и морские применения. Авиационные применения включают системы управления беспилотными дронами, например для обследования территории или перемещения грузов, а также системы стабилизации камер, в том числе для киноиндустрии. В морских применениях базовыми являются задачи, связанные с управлением движением морских судов и беспилотных дронов, причем на территории портов это становится особо сложной задачей из-за необходимости учитывать большое количество различных факторов, включая сильно изменяющееся движение воды и воздуха. Перечень задач для морских применений, где требуется получать данные об углах ориентации и координатах объекта, весьма обширен и не ограничивается указанными примерами: сюда можно отнести и управление автономными подводными аппаратами, и решение задачи поддержания положения судна в условиях течения, и задачу стабилизации углового положения платформы для камер или антенн, и определение направления течения на поверхности и на глубине, и картографирование морского дна с высокой степенью детализации, и системы наблюдения в порту и на судах. Для всех указанных задач надежность и точность имеют первостепенное значение, но помимо этого, как правило, существуют требования по низкому энергопотреблению, высокоскоростной обработке и выдаче информации, малой массе и габаритам. Надежное аппаратное и программное обеспечение модулей MTi наряду с фильтрами, обеспечивающими защиту от магнитных искажений, и широкий выбор вариантов модулей по эксплуатационным характеристикам делают решения от Xsens более чем подходящими для указанных применений. В дополнение к упомянутым применениям, где могут эксплуатироваться инерциальные модули компании Xsens, следует упомянуть такие сферы, как сельское и лесное хозяйство, автомобильные испытания, добыча полезных ископаемых, цифровое картографирование и геодезия.

Рис. 6. Вариант применения модулей Xsens для подводных аппаратов

Благодаря богатому функционалу различных серий модулей MTi, их точностным и эксплуатационным характеристикам, решения компании Xsens перекрывают большое количество требований в той или иной области применения. А наличие удобного программного обеспечения и квалифицированная техническая поддержка позволяют инженерам-разработчикам получить надежное решение с минимальными затратами времени и ресурсов на интеграцию модулей MTi в разрабатываемую систему.