เทคโนโลยีที่ใช้ในระบบ Navigation

Inertial Measurement Unit (IMU)

เซนเซอร์หรืออุปกรณ์ที่ใช้ใน INS (Inertial Navigation System) ถูกเรียกว่า Inertial Measurement Units (IMU) ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของ INSs ที่ใช้ในเครื่องบิน, ยานอวกาศ และ เรือ เช่นเดียวกับจรวดขีปนาวุธ IMU ประกอบด้วย 2 ส่วนหลักคือ accelerometers 3 ทิศทาง และ gyroscopes 3 ทิศทาง ซึ่งรับความเร่งยานพาหนะและความเร็วเชิงมุมตามลำดับ
โปรดทราบว่า mechanic gyroscope และ accelerometer ถูกนำมากล่าว ณ ที่นี้เพียงเพื่อแสดงหลักการพื้นฐานของ IMU สำหรับ MEMS นั้น จะไม่กล่าวถึงอุปกรณ์ mechanic gyroscope และ accelerometer แต่จะขึ้นอยู่กับระบบ nanoelectromechanical และนาโนเทคโนโลยี
เซนเซอร์ใน IMU

• · Gyroscope เป็นอุปกรณ์สำหรับการวัด หรือการรักษาการปรับทิศทาง ขึ้นอยู่กับหลักการของการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม

ภาพที่ 1 Mechanic gyroscope ซึ่งมี two-degree of freedom (TDF)

• · Accelerometer เป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดความเร่งตามแนวแกนที่เฉพาะเจาะจง ตั้งข้อสังเกตได้ว่า accelerometers ใน IMU รับเพียง specific forces

แนวคิดนี้เป็นสิ่งสำคัญใน inertial navigation หรือระบบนำทางอาศัยแรงเฉื่อย

ภาพที่ 2 โครงสร้างของ Accelerometer

ภาพที่ 3 IMU วัดความเร็ว ทิศทาง และแรงโน้มถ่วง ใช้การรวมกันของ accelerometer และ gyroscope ด้วยเทคโนโลยี Micro Electrical Mechanical Sensors (MEMS) ทำให้ง่ายต่อการผลิตให้มีขนาดเล็กและราคาถูก

 

Global Positioning System (GPS)

ภาพที่ 4 การใช้งานของ GPS

GPS เป็นระบบนำทางผ่านดาวเทียมที่ให้ข้อมูลสถานที่และเวลา ดำเนินการโดยสหรัฐอเมริกาและสามารถใช้ได้กับทุกคนที่มีอุปกรณ์รับสัญญาณ GPS ข้อมูลตำแหน่งที่ถูกคำนวณโดยข้อมูลที่ได้รับจากดาวเทียมมีข้อผิดพลาดบางอย่างเนื่องจากข้อจำกัดโดยธรรมชาติเช่น atmospheric effects, multipath effects, ephemeris และ clock errors
GPS เป็นการวัดที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด ใช้ได้ในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งเพราะมันให้ข้อมูลตำแหน่งที่แน่นอน มันเกือบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับข้อมูลที่แน่นอนในสภาพแวดล้อมในร่ม แม้จะมีจุดที่แข็งแกร่งของ GPS แต่การใช้งานก้อค่อนข้างจำกัด ปัญหาที่รุนแรงที่สุดคือการถูกบล็อคและการสะท้อนของสัญญาณ GPS จากดาวเทียม การหยุดชะงักของสัญญาณ GPS นี้เกิดขึ้นโดยต้นไม้ อาคาร และอุปสรรคอื่น ๆ มันจึงมีข้อจำกัดที่สำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้ GPS ในสภาพแวดล้อมในเมือง

ภาพที่ 5 GPS module with antenna

ระบบ GPS ได้รับความนิยมมากที่สุด แม้แหล่งที่มาจะมีสัญญาณรบกวนอย่างมีนัยสำคัญ เช่น multipath effect การคลาดเคลื่อนของวงโคจรดาวเทียม และ clock errors แต่ก็มักจะมี sampling rate (อัตราการสุ่มตัวอย่าง) ต่ำกว่า 10 Hz วิธีการที่แตกต่างกันถูกเสนอเพื่อที่จะรวม GPS เข้ากับ Inertial Measurement Unit (IMU) ที่มี sampling rate สูงกว่า อย่างไรก็ตามในแผน Extended Kalman Filter (EKF) sampling rates ที่แตกต่างกันมักนำไปสู่การลดระดับของประสิทธิภาพการทำงาน และอาจทำให้เกิดปัญหาด้านเสถียรภาพ
 

Kalman filter

Kalman filter คือชุดสมการหลักที่ดำเนินการ ทำนาย-แก้ไข ประเมินการลดลงที่เหมาะสมของความแปรปรวนผิดพลาด (predictor-corrector type estimator optimally minimizing the estimated error covariance)
ในเวลานี้ Kalman filter เป็นเป้าหมายของการวิจัยและการประยุกต์ โดยเฉพาะในระบบนำทางอัตโนมัติ หรือระบบช่วยนำทาง
ทั้ง GPS และ INS จะผ่าน Kalman filter สำหรับการประมวลผลของข้อมูลดิบที่ได้รับ ตำแหน่ง ความเร็วและเวลา มันคืออัลกอริทึมหลักของระบบนำทาง เป็นตัวกรองที่เราหวังว่ามันจะถูกต้องและทนทาน ความทนทานของระบบคือความสามารถในการกำจัดค่าผิดปกติ
เพื่อหลีกเลี่ยงอิทธิพลของค่าผิดปกติ น้ำหนักเทียบเท่าจะถูกนำไปใช้กับ Kalman filter พร้อมด้วยข้อจำกัดทางจลนศาสตร์ที่จะให้น้ำหนักราบรื่นสำหรับข้อผิดพลาดการวัด ด้วยวิธีนี้ค่าผิดปกติสามารถถูกกำจัดและการให้ผลของการวัดด้วยข้อผิดพลาดใหญ่จะถูกระงับเพื่อหลีกเลี่ยงสาเหตุของการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญของความผิดพลาดมาตรฐาน