Giới thiệu về Công nghệ Quán tính

(3) Cấu tạo hệ thống của Hệ thống Định vị Quán tính

Hệ thống Định vị Quán tính (INS) là một giải pháp định vị hoàn toàn tự động được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, UAV, tàu biển, robot và các ứng dụng công nghiệp cao cấp. Không giống như các hệ thống dựa trên vệ tinh, INS không dựa vào các tín hiệu bên ngoài. Thay vào đó, nó tính toán vị trí, vận tốc và tư thế hoàn toàn thông qua các cảm biến và thuật toán bên trong.

Bài viết này giải thích cấu tạo hệ thống hoàn chỉnh của INS và cách các hệ thống con của nó hoạt động cùng nhau để cung cấp khả năng định vị chính xác và đáng tin cậy.

1. Tổng quan về Hệ thống Định vị Quán tính

INS xác định chuyển động của một nền tảng bằng cách liên tục đo gia tốc và tốc độ góc. Các phép đo này được xử lý thông qua các thuật toán định vị để tính toán:

• Vị trí

• Vận tốc

• Tư thế (Nghiêng, Ngửa, Lái)

Để đạt được điều này, INS tích hợp sự kết hợp của phần cứng chính xác, cấu trúc cơ học, điện tử và các phương pháp hiệu chuẩn.

2. Cấu tạo hệ thống

Các thành phần cốt lõi của Hệ thống Định vị Quán tính bao gồm:

(1) Đơn vị Đo lường Quán tính (IMU)

IMU là lõi cảm biến của INS. Nó tích hợp:

• Con quay hồi chuyển
  Đo tốc độ góc quay quanh ba trục.

• Máy gia tốc
  Đo gia tốc tuyến tính dọc theo ba trục.

Cùng nhau, sáu bậc tự do này cung cấp dữ liệu chuyển động thô cần thiết cho các phép tính định vị.

(2) Máy tính định vị

Máy tính định vị chịu trách nhiệm chuyển đổi các tín hiệu thô của IMU thành thông tin định vị có thể sử dụng.

Nó thực hiện:

• Thu thập & Xử lý Dữ liệu
  Lọc, lấy mẫu và chuyển đổi đầu ra cảm biến.

• Giải pháp Định vị
  Thực hiện các thuật toán như tính toán strapdown, tích hợp tư thế, cập nhật vận tốc và tính toán vị trí.

• Bù lỗi
  Áp dụng dữ liệu hiệu chuẩn, loại bỏ sai số, hiệu chỉnh hệ số tỷ lệ và bù nhiệt độ.

(3) Hệ thống giảm chấn

Để đảm bảo độ chính xác nhất quán, hệ thống giảm chấn ổn định chuyển động của nền tảng và giảm ảnh hưởng của rung động, va đập và nhiễu cơ học.

Các chức năng của nó bao gồm:

• Giảm thiểu tiếng ồn cảm biến do rung động

• Cung cấp giảm chấn cho các dao động cơ học

• Hỗ trợ căn chỉnh chính xác

Thiết kế giảm chấn đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng trên không và di động.

(4) Hệ thống điện tử

Hệ thống điện tử cung cấp quản lý năng lượng, điều hòa tín hiệu và giao diện truyền thông.

Các yếu tố chính:

• Điều chỉnh & phân phối điện

• Mạch xử lý tín hiệu số

• Giao thức truyền thông (CAN, RS422, Ethernet, v.v.)

• Giám sát và bảo vệ hệ thống

(5) Cấu trúc cơ học

Cấu trúc cơ học cung cấp nền tảng vật lý của INS.
Một cấu trúc cơ học được thiết kế tốt sẽ cải thiện:

• Khả năng chống rung

• Ổn định nhiệt

• Tính toàn vẹn cấu trúc lâu dài

• Độ bền môi trường

Phần này đảm bảo hệ thống hoạt động nhất quán trong các điều kiện khắc nghiệt.

3. Khởi tạo thông số & Cơ chế hiệu chuẩn

Để đạt được độ chính xác tối ưu, INS yêu cầu nhiều lớp hiệu chuẩn và khởi tạo.

(1) Thông số ban đầu

Chúng bao gồm sai số cảm biến, góc lắp đặt, hệ số tỷ lệ và hệ số môi trường.

(2) Vị trí ban đầu

Hệ thống cần một tọa độ bắt đầu chính xác để bắt đầu các phép tính định vị.

(3) Hiệu chuẩn nhiệt độ

Cảm biến IMU rất nhạy cảm với nhiệt độ.
Hiệu chuẩn nhiệt độ bù cho:

• Trôi sai số

• Thay đổi hệ số tỷ lệ

• Ảnh hưởng nhiệt độ phi tuyến

Điều này là cần thiết để có hiệu suất chính xác cao.

(4) Căn chỉnh & Hiệu chuẩn ban đầu

Căn chỉnh ban đầu thiết lập tham chiếu tư thế (Nghiêng / Ngửa / Hướng).
Hai loại căn chỉnh phổ biến:

• Căn chỉnh tĩnh– được thực hiện khi hệ thống đứng yên

• Căn chỉnh động– được thực hiện trong khi di chuyển, với sự hỗ trợ của các thuật toán

Căn chỉnh thích hợp đảm bảo đầu ra hướng và tư thế chính xác trong suốt quá trình vận hành.

4. Đầu ra của INS

Sau khi xử lý tất cả dữ liệu cảm biến và áp dụng các hiệu chỉnh, INS xuất ra:

• Tư thế(Nghiêng, Ngửa, Lái)

• Vận tốc(bắc/đông/xuống hoặc XYZ)

• Vị trí(tọa độ GPS hoặc hệ tọa độ cục bộ)

• Thông số lỗi(chẩn đoán, trạng thái, chỉ báo chất lượng)

Độ chính xác của các đầu ra này phụ thuộc vào chất lượng cảm biến, mức độ hoàn thiện của hiệu chuẩn và hiệu suất thuật toán.

5. Kết luận

Hệ thống Định vị Quán tính là một công nghệ phức tạp nhưng mạnh mẽ được xây dựng dựa trên các cảm biến chính xác, thuật toán tinh vi và quy trình hiệu chuẩn tiên tiến. Khả năng cung cấp khả năng định vị liên tục trong môi trường bị từ chối GNSS khiến nó không thể thay thế trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, quốc phòng, robot và công nghiệp hiện đại.

Hiểu rõ cấu tạo hệ thống INS hoàn chỉnh—IMU, máy tính định vị, giảm chấn, hệ thống con điện tử, cấu trúc cơ học và quy trình hiệu chuẩn—giúp người dùng đánh giá sâu sắc và tầm quan trọng về mặt kỹ thuật của nó.