วิธีการใช้งานระบบนำทางอากาศยานที่เชื่อถือได้ด้วยส่วนประกอบที่แม่นยำอย่างคุ้มค่า

การพัฒนาโซลูชันข้อมูลทางอากาศการวัดมุมท่าทางการบิน (Air Data, Attitude, and Heading Reference System: ADAHRS) ที่ซับซ้อนถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการรับรองการนำทางและความปลอดภัยที่แม่นยำในระบบอากาศยานที่มีคนขับและไร้คนขับ ในการออกแบบ ADAHRS ที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้ นักพัฒนาจำเป็นต้องมีส่วนประกอบที่สามารถจัดการกับความท้าทายหลายประการในการออกแบบระบบนำทางเอวิโอนิกส์ รวมถึงความแม่นยำของเซ็นเซอร์ ความยืดหยุ่นต่อสิ่งแวดล้อม และการรวมระบบ

บทความนี้จะอธิบายว่าโมดูลการรับข้อมูลที่แม่นยำและหน่วยวัดความเคลื่อนไหว (IMU) จาก Analog Devices จะจัดการกับความท้าทายเหล่านี้และลดความซับซ้อนในการพัฒนาโซลูชัน ADAHRS ที่มีประสิทธิภาพได้อย่างไร

ความปลอดภัยในการบินสร้างขึ้นจากระบบที่ใช้เซ็นเซอร์ที่ซับซ้อน

ความพร้อมใช้งานของข้อมูลประสิทธิภาพการบินที่แม่นยำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความปลอดภัยในทุกส่วนการบิน ตั้งแต่ระบบทางอากาศไร้คนขับ (UAS) ไปจนถึงเครื่องบินโดยสารขนาดใหญ่ เมื่อปรับปรุงตามหลักอากาศพลศาสตร์ในเครื่องบิน ขีดความสามารถของระบบการบินได้พัฒนาจากเครื่องมือการบิน “Six Pack” แบบดั้งเดิมของนักบินที่ใช้เข็มทิศแม่เหล็ก ไจโรสโคปแบบกลไก และเครื่องมือการบินที่ขับเคลื่อนด้วยสุญญากาศ ไปจนถึง “ห้องนักบิน” ระบบเครื่องมือการบินอิเล็กทรอนิกส์แบบแสดงผลกราฟิก (EFIS) ที่ซับซ้อนมากขึ้น

ภายใต้ EFIS นั้น ADAHRS ได้รวมความสามารถของคอมพิวเตอร์ข้อมูลทางอากาศและระบบการวัดมุมท่าทางการบิน (AHRS) ที่จำเป็นในการใช้งานระบบนำทางด้วยดาวเทียมนำทางทั่วโลกระยะไกล (GNSS) เช่น ระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลก (GPS) ของสหรัฐอเมริกา และระบบเสริมพื้นที่กว้างภาคพื้นดิน (WAAS) ที่เกี่ยวข้องของ GPS คอมพิวเตอร์ข้อมูลอากาศคำนวณระดับความสูงและระดับ อากาศ และความเร็วพื้นดินโดยใช้การวัดความดันบรรยากาศและอุณหภูมิอากาศภายนอก เพื่อให้พิกัดความสูงของเครื่องบิน (ระยะห่าง การหมุน และการหันเห) และข้อมูลทิศทางที่จำเป็นสำหรับการคำนวณทางเฉื่อยในการนำทางเฉื่อย ADAHRS อาศัยการผสมผสานของไจโรสโคปสำหรับการเปลี่ยนแปลงความเร็วเชิงมุม มาตรวัดความเร่งสำหรับการเปลี่ยนแปลงความเร็วเชิงเส้น และเครื่องวัดสนามแม่เหล็กสำหรับทิศทางแม่เหล็ก ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ได้เปลี่ยนแปลงลักษณะของเซ็นเซอร์ที่สำคัญเหล่านี้ไปอย่างมาก

ในอดีต ไจโรสโคปแบบไฟเบอร์ออปติกหรือเลเซอร์วงแหวนที่ซับซ้อนเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีไม่กี่เทคโนโลยีที่มีอยู่ซึ่งสามารถให้ความแม่นยำเพียงพอสำหรับการบิน ปัจจุบัน ความพร้อมใช้งานของระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดเล็ก (MEMS) ขั้นสูงทำให้นักพัฒนามีเทคโนโลยีที่สามารถตอบสนองความต้องการบนแพลตฟอร์มการบินที่หลากหลาย (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ไจโรสโคป MEMS ระดับไฮเอนด์นำเสนอคุณลักษณะเฉพาะที่ทำให้เป็นเทคโนโลยีที่ต้องการสำหรับระบบเอวิโอนิกอิเล็กทรอนิกส์ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

นอกจากไจโรสโคป มาตรวัดความเร่ง และแมกนีโตมิเตอร์แล้ว การทำงานของ ADAHRS ยังขึ้นอยู่กับกระแสข้อมูลที่เชื่อถือได้จากเซ็นเซอร์ที่รายงานอุณหภูมิและความดันอากาศภายนอก เซ็นเซอร์ความดัน แรง และตำแหน่งอื่นๆ ส่งข้อมูลตำแหน่งและน้ำหนักบรรทุกของพื้นผิวการบิน อุปกรณ์ลงจอด และการบังคับเลี้ยวแบบ Nosewheel เซ็นเซอร์เพิ่มเติมจะให้ข้อมูลที่จำเป็นเกี่ยวกับประสิทธิภาพของเครื่องยนต์และเชื้อเพลิงที่จำเป็นสำหรับระบบข้อมูลเครื่องยนต์ รวมถึงอุณหภูมิห้องโดยสาร ความดัน และระดับออกซิเจน

การผสมผสานระหว่างโมดูลรับข้อมูลเซ็นเซอร์ประสิทธิภาพสูงและ MEMS IMU จาก Analog Devices ช่วยให้นักพัฒนาได้รับส่วนประกอบที่สำคัญที่จำเป็นในการส่งมอบโซลูชันด้านการบินด้วยความน่าเชื่อถือ ความแม่นยำ ขนาดเล็ก และลักษณะต้นทุนที่สามารถทำให้นำไปประยุกต์ใช้กับระบบการบินการบินได้อย่างเต็มรูปแบบ

การใช้โมดูลเก็บข้อมูลเซ็นเซอร์และ IMU ในระบบการบินสมัยใหม่

สำหรับการรับข้อมูลจากเซ็นเซอร์ที่หลากหลายในแพลตฟอร์มการบินใดๆ โมดูลการรับข้อมูลที่มีประสิทธิภาพสูงนำเสนอขีดความสามารถด้านประสิทธิภาพที่หลากหลายสำหรับรูปแบบเซ็นเซอร์แต่ละแบบและข้อกำหนดด้านการทำงาน ด้วยโซลูชัน Precision Signal Chain µModule จึงทำให้ Analog Devices สามารถรวมระบบย่อยการประมวลผลสัญญาณทั่วไป รวมถึงบล็อกการปรับสภาพสัญญาณและตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ไว้ในอุปกรณ์ System In Package (SIP) ขนาดกะทัดรัด เพื่อแก้ปัญหาความท้าทายในการออกแบบที่ยากลำบาก นอกจากนั้น μModules ยังรวมส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่สำคัญเข้ากับคุณลักษณะการจับคู่และการดริฟท์ที่เหนือกว่าที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยี Analog Devices iPassive® ซึ่งลดแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและลดความซับซ้อนในการสอบเทียบในขณะที่บรรเทาความท้าทายด้านความร้อน ซึ่งการลดขนาดโซลูชันลงอย่างมากช่วยเพิ่มช่อง/ฟังก์ชันเพิ่มเติมสำหรับเครื่องมือการบินที่ปรับขนาดได้ซึ่งต้องการความแม่นยำและความเสถียรตามอุณหภูมิและเวลา ซึ่ง µModules ช่วยลดความซับซ้อนของ Bill of Material (BOM) ของสายโซ่ประมวลผลสัญญาณ ลดความไวต่อประสิทธิภาพต่อวงจรภายนอก ลดรอบการออกแบบให้สั้นลง จึงช่วยลดต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของ

μModule รุ่น ADQ4003 และ ADQ23878 ของ Analog Devices ออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการในการรับข้อมูลที่ต้องการโดยผสานรวมไดรเวอร์แอมพลิฟายเออร์ ADC แบบดิฟเฟอเรนเชียลเต็มรูปแบบ (FDA รูปที่ 2) เข้ากับอาร์เรย์ตัวต้านทานที่จับคู่ความแม่นยำ 0.005% บัฟเฟอร์อ้างอิงที่เสถียร และ ADC การประมาณค่าแบบต่อเนื่อง (SAR) 18 บิต ที่สามารถส่ง 2 เมกะแซมเพิลต่อวินาที (MSPS) และประสิทธิภาพ 15 MSPS ตามลำดับ

ด้วยการรวมอุปกรณ์รับข้อมูล μModule เช่น ADAQ4003 เข้ากับตัวขยายสัญญาณแบบตั้งโปรแกรมได้แบบ Differential Programmable-Gain (PGIA) เช่น LTC6373 ของ Analog Devices ทำให้นักพัฒนาสามารถใช้โซลูชันง่าย ๆ กับข้อกำหนดการตรวจจับที่ซับซ้อนหลายประการของระบบการบินได้

รูปที่ 2: นักพัฒนาสามารถตอบสนองข้อกำหนดการตรวจจับการบินจำนวนมากได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการรวม PGIA แบบดิฟเฟอร์เรนเชียล LTC6373 เข้ากับระบบเก็บข้อมูล μModule รุ่น ADAQ4003 (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ เซ็นเซอร์ที่ใช้ MEMS นำเสนอโซลูชันที่มีประสิทธิภาพในการส่งข้อมูลสำคัญที่จำเป็นสำหรับการทำงานของ ADAHRS ด้วยการรวมไจโรสโคปแบบสามแกน MEMS และมาตรความเร่งแบบสามแกนเข้ากับเซ็นเซอร์อุณหภูมิและบล็อกการทำงานอื่นๆ ทำให้ IMU มีระดับแห่งความเป็นอิสระหกระดับ เช่น ADIS16505 MEMS IMU ขนาดเล็กที่มีความแม่นยำของของ Analog Devices และ ADIS16495 เซ็นเซอร์วัดความเคลื่อนไหวระดับแทคติคอล มอบชุดฟังก์ชันที่สมบูรณ์ที่จำเป็นเพื่อลดความซับซ้อนในการพัฒนาระบบย่อยด้านการบิน (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: IMU รุ่น ADIS16505 และ IMU รุ่น ADIS16495 (แสดงด้านบน) ผสานรวมเซ็นเซอร์เข้ากับตัวควบคุม การสอบเทียบ การประมวลผลสัญญาณ และบล็อกการทดสอบตัวเอง เพื่อเป็นโซลูชันที่สมบูรณ์สำหรับระบบอิเล็คทรอนิกส์ด้านการบินที่สำคัญของระบบการวัดทางอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ADAHRS (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เมื่อรวมเข้ากับ ADAHRS แล้ว ระบบเหล่านี้สามารถจัดเตรียมส่วนประกอบสำคัญของระบบนำทางที่สามารถระบุทิศทางที่จำเป็นไปยังจุดหมายปลายทางที่ต้องการได้ แม้ว่าจะไม่มีเครื่องช่วยนำทางด้วยดาวเทียมหรือภาคพื้นดินก็ตาม เช่นเดียวกับอุปกรณ์ที่ผลิตอื่นๆ อุปกรณ์ที่ใช้ MEMS อยู่ภายใต้ข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพจากแหล่งต่างๆ ซึ่งสามารถลดความแม่นยำของการนำทางด้วยคอมพิวเตอร์ได้ ตัวอย่างเช่น ความแปรผันที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในการผลิต แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนภายใน และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจำกัดความแม่นยำของไจโรสโคป MEMS

ผู้ผลิตบันทึกผลด้านประสิทธิภาพของรูปแบบเหล่านี้ไว้ในข้อกำหนดพารามิเตอร์เอกสารข้อมูลจำนวนมาก ท่ามกลางข้อกำหนดเหล่านี้ ความไว ความไม่เป็นเชิงเส้น และพารามิเตอร์ไบแอสสามารถส่งผลกระทบโดยตรงต่อความแม่นยำของ ADAHRS ในไจโรสโคป ความไวที่จำกัด (ความละเอียดในการวัดอัตราเชิงมุม) อาจส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดที่ส่วนหัว (Ψ) และข้อผิดพลาดของตำแหน่ง (d_e) ระหว่างทางเลี้ยว (รูปที่ 4 ซ้าย); การตอบสนองแบบไม่เป็นเชิงเส้น (การเบี่ยงเบนจากการตอบสนองเชิงเส้นในอุดมคติ) อาจส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดที่คล้ายกันภายหลังการซ้อมรบหลายชุด เช่น การเลี้ยวตัว S (รูปที่ 4 ตรงกลาง) และไบแอสของไจโรสโคปส่งผลให้ทิศทางและตำแหน่งเคลื่อนไปแม้ในระหว่างการบิน (บินตรงและได้ระดับโดยไม่มีการเร่งความเร็ว) (รูปที่ 4 ขวา)

รูปที่ 4: ข้อจำกัดความไวของไจโรสโคป ความไม่เชิงเส้น และไบแอสอาจส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดของส่วนหัว (Ψ) และข้อผิดพลาดของตำแหน่ง (d_e) ระหว่างทางเลี้ยว (ซ้าย), ทางเลี้ยว S (กลาง) และการบิน (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ข้อผิดพลาดไบแอสเกิดขึ้นจากการวางแนวที่ไม่ตรงของแกนไจโรสโคปแต่ละแกนกับแกนอื่นหรือแพ็คเกจอื่นๆ ข้อผิดพลาดในการปรับขนาด และการตอบสนองที่ไม่ถูกต้องของไจโรสโคปต่อการเร่งความเร็วเชิงเส้นในการหมุนเนื่องจากความไม่สมมาตรในการสร้าง MEMS สำหรับ IMU รุ่น ADIS16505 และ ADIS16495 นั้น Analog Devices จะกำหนดปัจจัยการแก้ไขไบแอสที่จำเพาะต่ออุปกรณ์แต่ละชิ้นโดยการทดสอบที่อัตราการหมุนและอุณหภูมิที่หลากหลาย ปัจจัยการแก้ไขไบแอสเฉพาะชิ้นส่วนเหล่านี้จะถูกจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำแฟลชภายในของแต่ละชิ้นส่วน และนำไปใช้ในระหว่างการประมวลผลสัญญาณเซ็นเซอร์

นอกเหนือจากปัจจัยไบแอสที่แก้ไขได้ สัญญาณรบกวนแบบสุ่มจากแหล่งต่างๆ ยังส่งผลต่อข้อผิดพลาดไบแอสเมื่อเวลาผ่านไป แม้ว่าจะไม่สามารถชดเชยสัญญาณรบกวนแบบสุ่มนี้ได้โดยตรง แต่สามารถลดผลกระทบลงได้โดยการสุ่มตัวอย่างโดยใช้เวลาในการรวมที่นานขึ้น โดยระยะเวลาในการสุ่มตัวอย่างนานขึ้นจะช่วยลดสัญญาณรบกวนได้อธิบายไว้ในแผนค่าเบี่ยงเบน Allan (หรือความแปรปรวนของ Allan) ของเอกสารข้อมูลไจโรสโคป ซึ่งแสดงสัญญาณรบกวนเป็นองศาต่อชั่วโมง (°/ชม.) เทียบกับระยะเวลาการรวม (τ) (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: แผนค่าเบี่ยงเบนของ Allan สำหรับไจโรสโคป MEMS ใน ADIS16495 IMU (ซ้าย) และ ADIS16505 IMU (ขวา) อธิบายความสามารถในการขยายเวลาสุ่มตัวอย่างเพื่อชดเชยการเบี่ยงเบนแบบสุ่ม (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ค่าเบี่ยงเบนต่ำสุดของแผนค่าเบี่ยงเบน Allan แสดงถึงกรณีที่ดีที่สุดสำหรับการเคลื่อนตัวของไจโรสโคปเมื่อเวลาผ่านไป พารามิเตอร์ที่เรียกว่าเสถียรภาพใบแอสขณะดำเนินการ (IRBS) โดยทั่วไปจะระบุไว้ในรูปของผลรวมของค่าเฉลี่ยและค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานหนึ่งค่าในข้อกำหนดเฉพาะของเอกสารข้อมูล สำหรับนักพัฒนาที่สร้างโซลูชัน ADAHRS ที่มีความแม่นยำสูง IRBS ของ IMU จะให้พารามิเตอร์ที่จำเป็นสำหรับการทำความเข้าใจประสิทธิภาพที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้กับส่วนนั้น ผู้เชี่ยวชาญด้านไจโรสโคปจัดประเภท IMU เช่น ADIS16495 ของ Analog Devices เป็น "เกรดแทคติคอล" เมื่อค่า IRBS ของไจโรสโคปอยู่ระหว่าง 0.5°/ชม ถึง 5.0°/ชม.

ADIS16495 มีคุณลักษณะเฉพาะที่เข้มงวดในพารามิเตอร์ที่สำคัญหลายตัว เพื่อตอบสนองการใช้งานทางแทคติคอลที่มีความต้องการมากขึ้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ADIS16495 ได้รวมไจโรสโคป MEMS หนึ่งคู่และห่วงโซ่สัญญาณสุ่มตัวอย่าง 4100 เฮิรตซ์ (Hz) สำหรับแต่ละแกนทั้งสามแกน (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: IMU เกรดแทคติคอล ADIS16495 ปรับปรุงความแม่นยำของไจโรสโคปและประสิทธิภาพการดริฟท์โดยการหาค่าเฉลี่ยเอาท์พุตจากไจโรสโคป MEMS คู่หนึ่งที่มีสายโซ่ประมวลผลสัญญาณเฉพาะ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

จากนั้นตัวอย่างจากแต่ละสายสัญญาณจะถูกรวมเข้าด้วยกันโดยใช้ความถี่ตัวอย่าง (f_SM) 4250 เฮิรตซ์ที่แยกจากกัน เพื่อให้การวัดอัตราเชิงมุมที่ช่วยลดผลกระทบของสัญญาณรบกวน การรวมวิธีการสุ่มตัวอย่างนี้เข้ากับข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่เข้มงวดยิ่งขึ้นส่งผลให้ IMU สามารถตอบสนองข้อกำหนดด้านการบินที่มีความต้องการมากขึ้น

การพัฒนาและการสำรวจการออกแบบที่ใช้ IMU อย่างรวดเร็ว

เพื่อช่วยเร่งการพัฒนาการออกแบบตาม IMU ของตน Analog Devices จึงจัดเตรียมชุดเครื่องมือการพัฒนาที่ครอบคลุม ออกแบบมาเพื่อรองรับ EVAL-ADIS-FX3 บอร์ดประเมินผล IMU (รูปที่ 7) และบอร์ดแยกย่อยที่เกี่ยวข้อง ชุดซอฟต์แวร์ FX3 ของ Analog Devices ประกอบด้วยแพ็คเกจเฟิร์มแวร์, Application Programming Interface (API) ที่เข้ากันได้กับ .NET และอินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) โดยไลบรารี Wrapper ที่มาพร้อมกับ API ช่วยให้นักพัฒนาสามารถทำงานกับสภาพแวดล้อมการพัฒนาใดๆ ที่รองรับ .NET รวมถึงสภาพแวดล้อมสำหรับ MATLAB, LabView และ Python ในระหว่างการพัฒนา GUI การประเมินผล FX3 ช่วยให้นักพัฒนาสามารถอ่านและเขียนรีจิสเตอร์ เก็บข้อมูล และพล็อตผลลัพธ์แบบเรียลไทม์ได้อย่างง่ายดาย

รูปที่ 7: บอร์ดประเมินผล EVAL-ADIS-FX3 เป็นส่วนหนึ่งของแพ็คเกจสนับสนุนฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ครอบคลุมเพื่อช่วยออกกำลังกาย IMU ของ Analog Devices (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สรุป

โซลูชันระบบการบินของ ADAHRS เป็นหัวใจสำคัญของ EFIS ที่กำลังพัฒนา ด้วยการพัฒนาไจโรสโคป เครื่องวัดความเร่ง และแมกนีโตมิเตอร์ที่มีความแม่นยำซึ่งใช้เทคโนโลยี MEMS ระบบการบินสามารถนำเสนอประสิทธิภาพการบินและความสามารถในการนำทางที่อยู่นอกเหนือการเข้าถึงของเครื่องบินพาณิชย์ทั้งหมด ยกเว้นฝูงบินพาณิชย์ขนาดใหญ่ การใช้โมดูลเก็บข้อมูลและ IMU ที่ผสานรวมในระดับสูงจาก Analog Devices นักพัฒนาระบบการบินสามารถออกแบบโซลูชันขนาดเล็กที่คุ้มต้นทุนมากขึ้น เพื่อตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวดในด้านฟังก์ชันการทำงาน ความปลอดภัย และความน่าเชื่อถือในระบบการบิน