O que é um sistema de navegação inercial MEMS com auxílio de GNSS e como ele funciona?

Pontos-chave

• • Produto: Inversor MEMS com auxílio de GNSS I3500

    Principais características:

    • Componentes: IMU MEMS de baixo custo, módulo de posicionamento por satélite com antena dupla, magnetômetros e barômetro.
    • Função: Fornece dados de navegação de alta precisão, mantendo o desempenho durante interrupções do GNSS.
    • Aplicações: Adequado para drones, navegação autônoma, levantamento topográfico e análise de movimento.
    • Navegação inercial: Combina medições inerciais para o cálculo de posição, velocidade e atitude.

    Conclusão: O I3500 exemplifica a integração de sistemas de navegação inercial MEMS e GNSS, aprimorando a confiabilidade e a precisão da navegação em diversos setores.

     

A navegação integrada MINS/GNSS refere-se à fusão de informações provenientes tanto do MINS (Sistema de Infraestrutura Mecânica e Eletrônica) quanto do GNSS (Sistema Global de Navegação por Satélite). Essa integração combina os pontos fortes de ambos os sistemas para que se complementem e alcancem resultados precisos de PVA (Posição, Velocidade e Atitude).

Classificação de sistemas de navegação inercial MEMS

Após mais de 30 anos de desenvolvimento, a tecnologia inercial MEMS avançou rapidamente e encontrou ampla aplicação. Diversos dispositivos inerciais MEMS práticos e sistemas de navegação inercial MEMS (INS) surgiram, sendo amplamente utilizados em áreas como as indústrias aeroespacial, marítima e automotiva. Giroscópios MEMS de nível tático (com estabilidade de polarização de 0,1°/h a 10°/h, 1σ) e acelerômetros MEMS de alta precisão (com estabilidade de polarização de 10⁻⁵g a 10⁻⁶g, 1σ) marcaram a entrada dos sistemas de navegação inercial MEMS de nível tático na fase de aplicação prática.

De forma geral, os sistemas inerciais MEMS podem ser classificados em três níveis: Conjunto de Sensores Inerciais (ISA), Unidade de Medição Inercial (IMU) e Sistema de Navegação Inercial (INS), conforme ilustrado na Figura 1.

Figura 1. Três níveis de memórias em (2)

• ISA MEMS: Composta exclusivamente por três giroscópios MEMS e três acelerômetros MEMS, ela não possui a capacidade de operar de forma independente.
• IMU MEMS: Baseia-se na arquitetura MEMS adicionando conversores A/D, chips de processamento matemático e programas específicos, permitindo que ela colete e processe informações inerciais de forma independente.
• Sistema de Inversão de Navegação MEMS (INS MEMS): Expande ainda mais o conceito do Sistema de Inversão de Medição MEMS (IMU MEMS) ao incorporar transformação de coordenadas, processos de filtragem e módulos auxiliares, que normalmente incluem magnetômetros e placas receptoras GNSS. Sensores auxiliares como magnetômetros são particularmente importantes para auxiliar no alinhamento do INS MEMS e aprimorar seu desempenho.

Os três novos modelos de MEMS INS (Micro-Magic Inc-Mechanical System Inertial Navigation System) lançados pela Ericco, mostrados na imagem abaixo, são adequados para aplicações em drones, gravadores de voo, veículos não tripulados inteligentes, posicionamento e orientação de leitos rodoviários, detecção de canais, veículos de superfície não tripulados e veículos subaquáticos.

Figura 2. Os três novos modelos de MEMS Ins da Ericco.

Como funciona o sistema de navegação inercial MEMS auxiliado por GNSS

O GNSS fornece aos usuários informações de posição e tempo absolutas de alta precisão em qualquer condição climática, enquanto os sistemas de navegação inercial (INS) oferecem alta resolução de curto prazo e grande autonomia. Suas características complementares aprimoram o desempenho geral: o INS pode aproveitar sua alta precisão de curto prazo para fornecer ao GNSS informações de navegação mais contínuas e completas, enquanto o GNSS pode ajudar a estimar parâmetros de erro do INS, como o viés, obtendo assim observações mais precisas e reduzindo a deriva do INS.

Figura 3. Três níveis de isolamento de memória.

Especificamente, o GNSS utiliza sinais de satélites em órbita para calcular posição, tempo e velocidade. Desde que a antena tenha visibilidade direta para pelo menos quatro satélites, a navegação GNSS atinge excelente precisão. Quando a visibilidade dos satélites é obstruída por obstáculos como árvores ou edifícios, a navegação torna-se pouco confiável ou impossível.

O INS calcula as mudanças de posição relativa ao longo do tempo usando informações de taxa angular e aceleração da unidade de medição inercial (IMU). A IMU é composta por seis sensores complementares dispostos em três eixos ortogonais. Cada eixo possui um acelerômetro e um giroscópio. Os acelerômetros medem a aceleração linear, enquanto os giroscópios medem a taxa de rotação. Com esses sensores, a IMU pode medir com precisão seu movimento relativo no espaço tridimensional.

O INS utiliza essas medições para calcular a posição e a velocidade. Outra vantagem das medições da IMU é que elas fornecem soluções angulares em torno dos três eixos. O INS converte essas soluções angulares em atitudes locais (rolagem, inclinação e guinada), fornecendo esses dados juntamente com a posição e a velocidade.

Figura 4. Sistema de coordenadas do corpo da Unidade de Medição Inercial

O RTK (Real-Time Kinematic) é um algoritmo de posicionamento GNSS de alta precisão já consolidado, capaz de atingir precisão em nível centimétrico em ambientes abertos. No entanto, em ambientes urbanos complexos, obstruções e interferências de sinal reduzem a taxa de detecção de ambiguidade, levando a uma diminuição da capacidade de posicionamento. Portanto, a pesquisa de sistemas de posicionamento integrados GNSS RTK e INS é crucial para áreas como navegação autônoma, topografia e cartografia, e análise de movimento.

O I3500, recém-lançado pela Micro-Magic Inc., é um sistema INS MEMS com auxílio de GNSS de baixo custo, equipado com uma IMU MEMS de alta confiabilidade e um módulo de posicionamento e direcionamento por satélite de banda completa com antena dupla. Ele também integra magnetômetros e um barômetro, que podem calcular o ângulo de atitude e auxiliar o drone a navegar até a altitude desejada.

Conclusão

A integração de Sistemas de Navegação Inercial (INS) MEMS com a tecnologia GNSS aprimora significativamente a precisão da navegação, combinando os pontos fortes de ambas as tecnologias. O INS MEMS, com seu rápido avanço, é hoje amplamente utilizado nas indústrias aeroespacial, marítima e automotiva. O GNSS proporciona posicionamento preciso, enquanto o INS MEMS garante navegação contínua, mesmo durante interrupções do GNSS.

O I3500 da Micro-Magic Inc exemplifica essa integração, oferecendo dados de navegação de alta precisão, ideais para navegação autônoma, levantamentos topográficos e análise de movimento.

Em resumo, a integração de GNSS e MEMS INS revoluciona a navegação, melhorando a precisão, a confiabilidade e a versatilidade em diversas aplicações.