SX2 לעומת SX3 – לאן מתקדמת טכנולוגיית החיישנים האינרציאליים?

3. G300D לעומת G400D – הדור החדש של הג'יירוסקופים

אחד השינויים המשמעותיים במעבר מדור SX2 לדור SX3 הוא פיתוח הג'יירוסקופ התלת-צירי G400D, המהווה התקדמות טכנולוגית ביחס לדגם G300D.

שני הדגמים מבוססים על טכנולוגיית Silicon MEMS ומיועדים למדידת קצב סיבוב בשלושה צירים, תוך שילוב של ממדים קומפקטיים, צריכת הספק נמוכה יחסית ועיבוד אותות מהיר.

ה-G300D הוא מוצר מבוסס, המשמש במערכות צבאיות ואזרחיות מתקדמות, לרבות מערכות ייצוב אלקטרו-אופטיות ומערכות הנחיה.

ה-G400D, הנמצא בשלבי הסמכה, פותח במטרה לשפר את ביצועי הרעש ויציבות ההיסט, תוך שמירה על מאפייני ממשק ועיבוד המתאימים למערכות בקרה מהירות.

בהתאם לנתוני היצרן, גרסת G400D-300-100C מציעה את הביצועים הבאים:

ההשוואה ממחישה הפחתה של כ-65% ברעש האקראי ושיפור של יותר מפי ארבעה ביציבות ההיסט.

השיפור משמעותי במיוחד במערכות שבהן הג'יירוסקופ משמש מקור מרכזי למידע על תנועה זוויתית, כגון מערכות ייצוב מצלמות, מערכות עקיבה מדויקות ופלטפורמות בלתי מאוישות.

כאשר מערכת הבקרה מקבלת מדידה בעלת רעש נמוך יותר, ניתן במקרים מסוימים להפחית את הצורך בסינון אגרסיבי, ובכך לשפר את האיזון בין דיוק המדידה לבין מהירות התגובה.

עם זאת, ביצועי המערכת הסופיים תלויים גם במנועי הייצוב, באלגוריתמי הבקרה, במבנה המכני ובתנאי הרעידות.

VELOX Plus – מהירות תגובה לצד דיוק המדידה

טכנולוגיית VELOX Plus של Gladiator Technologies מאפשרת העברת מידע אינרציאלי בקצבים גבוהים, עם השהיה דיגיטלית נמוכה.

בין יכולותיה:

• קצב העברת נתונים של עד 10kHz.

• רוחב פס של עד 600Hz.

• סנכרון חיצוני בקצב של עד 10kHz.

• השהיית הודעה דיגיטלית של עד 20 מיקרו-שניות בתצורות נתמכות.

• אפשרות להגדרת פרמטרי התקשורת בהתאם לדרישות המערכת.

השילוב בין חיישן בעל רעש נמוך לבין עיבוד מהיר חשוב במיוחד במערכות ייצוב בעלות רוחב פס גבוה.

במערכות כאלה, סינון רעש באמצעות אלגוריתמים דיגיטליים עשוי להוסיף השהיה ולהשפיע על מרווח היציבות של חוג הבקרה.

לכן, שיפור איכות המדידה ברמת החיישן עצמו עשוי להעניק יתרון משמעותי לעומת פתרון המבוסס על סינון דיגיטלי בלבד.

4. LandMark 005 לעומת LandMark 006 – שיפור ביצועי ה-IMU

בעוד שהג'יירוסקופים G300D ו-G400D מודדים קצב סיבוב בשלושה צירים, יחידות LandMark 005 ו-LandMark 006 משלבות גם שלושה צירי תאוצה.

כך מתקבלת יחידת IMU בעלת שישה צירי מדידה, המאפשרת למערכת לקבל מידע על תנועה זוויתית ותאוצה ליניארית.

LandMark 005 מדור SX2 משמשת ביישומים הכוללים בקרת טיסה, ייצוב מדויק, מערכות חישה אלקטרו-אופטיות וניווט לטווח קצר.

LandMark 006 מדור SX3, הנמצאת בשלבי הסמכה, מיועדת להציע ביצועי ג'יירוסקופ משופרים באותה קטגוריה של יחידות IMU קומפקטיות.

אחד היתרונות המרכזיים הוא השיפור ביציבות ההיסט של הג'יירוסקופ, העשוי להפחית שגיאות מצטברות כאשר המערכת נדרשת להעריך את התנועה ללא תיקון חיצוני רציף.

ומה לגבי מדי התאוצה?

חשוב להבחין בין שיפור ביצועי הג'יירוסקופ לבין שיפור ביצועי מדי התאוצה.

במעבר מ-LandMark 005 ל-LandMark 006, השיפור המרכזי הוא בביצועי הג'יירוסקופ. נתוני מדי התאוצה נותרו דומים, עם טווח מדידה של ±15g, רעש של 40µg/√Hz ויציבות היסט של 0.020mg, בהתאם לנתוני הדור העדכניים שהציג היצרן.

המשמעות היא שדור SX3 אינו מבטיח שיפור זהה בכל רכיבי ה-IMU, אלא מתמקד בשיפור הפרמטרים המשמעותיים ביותר עבור יישומי ייצוב ומדידה זוויתית מדויקת.

5. LandMark 008 – השלב הבא בהתפתחות יחידות IMU

בעוד LandMark 006 מתמקדת בשיפור ביצועי הג'יירוסקופ, יחידת LandMark 008, הנמצאת בפיתוח, מיועדת לשלב שיפורים הן בג'יירוסקופים והן במדי התאוצה.

מדובר בכיוון טכנולוגי חשוב במיוחד עבור מערכות הפועלות בתנאים דינמיים, שבהם נדרשים גם רעש נמוך וגם טווחי מדידה רחבים.

בהתאם לנתונים המקדמיים של Gladiator Technologies, היחידה מתוכננת להציע:

• טווחי מדידת קצב סיבוב של ±300, ±490, ±1,000 ו-±2,000 מעלות לשנייה.

• מדי תאוצה בטכנולוגיית Open-Loop MEMS בטווחים של ±40g ו-±70g.

• רעש אקסלרומטר מתוכנן של 2.5 עד 4µg/√Hz.

• יציבות היסט ג'יירוסקופ של 0.8 מעלות לשעה.

• שיפור ביציבות ההיסט של מדי התאוצה לטווח קצר וארוך.

• ממדים קומפקטיים ומשקל מתוכנן של עד 50 גרם.

המעבר למדי תאוצה בעלי רעש נמוך יותר וטווח מדידה רחב יותר עשוי להיות משמעותי במיוחד במערכות שבהן התאוצה הליניארית משתנה במהירות.

לדוגמה, בכלי טיס בלתי מאוישים, מערכות הנחיה ופלטפורמות ניידות, מדי התאוצה נדרשים להתמודד עם שילוב של תאוצות תמרון, רעידות מכניות ושינויי כיוון.

במערכות כאלה, שיפור ביצועי הג'יירוסקופ לבדו אינו בהכרח מספיק. גם איכות מדידת התאוצה משפיעה על ביצועי מערכת הניווט והערכת התנועה.

LandMark 008 מייצגת לפיכך התקדמות רחבה יותר, שמטרתה לשפר את מכלול המדידה האינרציאלית ולא רק את רכיב הג'יירוסקופ.

חשוב לציין כי LandMark 008 נמצאת בשלב פיתוח, והנתונים המוצגים הם יעדי ביצועים מקדמיים העשויים להשתנות לפני השלמת הפיתוח והסמכת המוצר.

6. Case Study מבצעי – כיצד איכות ה-IMU משפיעה על ביצועי מערכת ייצוב אלקטרו-אופטית?

כדי להבין את המשמעות המעשית של המעבר מדור SX2 לדור SX3, נבחן תרחיש הנדסי המדמה מערכת תצפית אלקטרו-אופטית (EO/IR) המותקנת על כלי טיס בלתי מאויש.

מערכת כזו נדרשת לשמור על קו ראייה יציב לעבר מטרה, גם כאשר הפלטפורמה נחשפת לרעידות מנועים, משבי רוח, שינויי כיוון ותמרונים מהירים.

המערכת משתמשת בג'יירוסקופ או ביחידת IMU למדידת התנועה הזוויתית של הפלטפורמה. נתוני המדידה מועברים לבקר הייצוב, שמחשב את התיקון הנדרש ומפעיל את מנועי המערכת.

ככל שהמדידה האינרציאלית מדויקת ויציבה יותר, כך ניתן לצמצם את תרומת שגיאות החיישן לתנועת קו הראייה.

תרחיש ההשוואה – שלוש רמות של חיישנים אינרציאליים

נבחן שלוש חלופות אפשריות:

חלופה A – חיישן MEMS בסיסי

חיישן אינרציאלי ברמת ביצועים בסיסית, המייצג פתרון בעל רעש גבוה יחסית ויציבות היסט מוגבלת.

חלופה B – LandMark 005 מדור SX2

יחידת IMU מתקדמת בעלת שישה צירי מדידה, המשלבת ג'יירוסקופים בעלי רעש נמוך וטכנולוגיית VELOX לעיבוד נתונים מהיר.

חלופה C – LandMark 006 מדור SX3

יחידת IMU מהדור החדש, המציעה שיפור משמעותי ברעש הג'יירוסקופ וביציבות ההיסט, תוך שמירה על יכולות עיבוד מהירות.

לצורך ההמחשה נניח כי שלושת החיישנים מותקנים באותה מערכת, בתנאי סביבה זהים, ללא שינוי במנועים, במבנה המכני או במערכת הבקרה.

6.1 השוואת ביצועי החיישנים

החיישן הבסיסי הוא מודל היפותטי לצורך הדגמה הנדסית, ואינו מייצג דגם מסחרי מסוים. נתוני SX2 מבוססים על LandMark 005, ונתוני SX3 מבוססים על מפרט LandMark 006 בגרסת C המקדמית.

הפערים בין החלופות משמעותיים.

בהשוואה לחיישן הבסיסי, LandMark 005 מציע רעש ג'יירוסקופ נמוך כמעט פי ארבעה, בעוד LandMark 006 מציע רעש נמוך כמעט פי 12.

גם ביציבות ההיסט ניכר שיפור: מ-20 מעלות לשעה בחיישן הבסיסי, ל-4 מעלות לשעה בדור SX2 ול-0.8 מעלות לשעה בדור SX3.

אך כיצד המספרים האלה משפיעים על המדידה בפועל?

6.2 השפעת רעש הג'יירוסקופ על שגיאת הזווית

נניח שמערכת הייצוב נדרשת להעריך את שינוי הזווית במשך 60 שניות, ללא תיקון חיצוני של הזווית.

רעש הג'יירוסקופ גורם לשגיאת זווית אקראית, שגודלה האופייני גדל ביחס לשורש זמן המדידה.

בהנחת רעש לבן ובהתייחסות לרכיב ARW בלבד, ניתן להעריך את סטיית התקן של שגיאת הזווית לאחר דקה.

התוצאות מצביעות על יתרון משמעותי לדור SX3.

בהשוואה לחיישן הבסיסי, רכיב שגיאת הזווית הנובע מרעש אקראי קטן כמעט פי 12.

בהשוואה לדור SX2, השגיאה קטנה כמעט פי שלושה.

במערכת אלקטרו-אופטית בעלת הגדלה אופטית גבוהה, שיפור כזה עשוי להיות משמעותי במיוחד, משום שגם תנועות זוויתיות קטנות עלולות לגרום לתזוזה ניכרת של התמונה.

חשוב להדגיש כי מדובר בחישוב תיאורטי של תרומת רעש החיישן בלבד, ולא במדידה של שגיאת הייצוב הכוללת של מערכת EO/IR.

6.3 השפעת יציבות ההיסט על שגיאה מצטברת

בניגוד לרעש האקראי, שגיאת Bias עלולה ליצור סטייה שיטתית בהערכת הזווית.

לדוגמה, אם ג'יירוסקופ מציג היסט קבוע של מעלה אחת לשעה, שילוב המדידה לאורך זמן ייצור שגיאת זווית של מעלה אחת לאחר שעה, בהיעדר תיקון חיצוני.

במערכות ייצוב וניווט, שינוי בלתי צפוי בהיסט עלול להשפיע על איכות הערכת התנועה ולחייב תיקון באמצעות חיישנים נוספים.

ערכי In-Run Bias Stability מספקים אינדיקציה ליציבות החיישן, אך אינם מייצגים בהכרח היסט קבוע שניתן להכפיל ישירות במשך הפעולה.

לכן, לא ניתן להסיק מהם לבדם את שגיאת הזווית המצטברת לאחר פרק זמן נתון. לצורך חישוב כזה נדרש מודל שגיאות הכולל את התנהגות ההיסט, רעש המדידה, תנאי הסביבה ושיטות התיקון של המערכת.

עם זאת, ההבדל בין 20 מעלות לשעה בחיישן הבסיסי, 4 מעלות לשעה בדור SX2 ו-0.8 מעלות לשעה בדור SX3 ממחיש את השיפור ביציבות המדידה.

6.4 המשמעות המבצעית – מערכת ייצוב EO/IR

במערכת תצפית אלקטרו-אופטית, השיפור בביצועי החיישן עשוי להתבטא במספר תחומים מרכזיים.

דיוק ייצוב משופר

רעש מדידה נמוך יותר מפחית את תרומת החיישן לתנודות ולשגיאות בקו הראייה, ועשוי לסייע בשמירה על תמונה יציבה יותר.

יכולת עקיבה משופרת

כאשר מערכת הבקרה מקבלת מידע זוויתי מדויק יותר, ניתן לשפר את איכות הערכת התנועה המשמשת לעקיבה אחר מטרות, בהתאם למאפייני מערכת העקיבה.

צמצום הצורך בסינון אגרסיבי

חיישן בעל רעש נמוך עשוי לאפשר שימוש בסינון מתון יותר, ובכך להפחית את השפעת ההשהיה הנוספת על מערכת הבקרה.

יציבות גבוהה יותר בתנאי טמפרטורה משתנים

שיפור ביציבות ההיסט לאורך טווח הטמפרטורות עשוי לצמצם את השגיאות הנוצרות כאשר המערכת עוברת בין תנאי סביבה שונים.

תמיכה במערכות ניווט ללא GPS

במערכות שבהן המידע האינרציאלי משמש להערכת תנועה ללא תיקון רציף ממקורות חיצוניים, הפחתת רעש ושיפור יציבות ההיסט עשויים להקטין את קצב הצטברות השגיאות.

6.5 האם SX3 מבטיח ביצועים מבצעיים טובים יותר?

המעבר מ-SX2 ל-SX3 מציע שיפור משמעותי בפרמטרים מרכזיים של המדידה האינרציאלית.

עם זאת, ביצועי מערכת מבצעית אינם נקבעים על ידי החיישן בלבד.

דיוק הייצוב מושפע גם ממבנה הפלטפורמה, מתדרי הרעידות, ממנועי הייצוב, מרוחב הפס של מערכת הבקרה, מהאלגוריתמים ומהתנהגות המערכת בתנאי סביבה משתנים.

לפיכך, שיפור של פי שלושה ברעש הג'יירוסקופ אינו מבטיח שיפור זהה בדיוק הייצוב הכולל.

היתרון המרכזי של SX3 הוא הפחתת תרומת שגיאות החיישן, המאפשרת למהנדסי המערכת לפתח פתרונות מדויקים יותר ולהתמודד עם דרישות ביצועים מחמירות.

7. סיכום – SX3 כבסיס לדור הבא של מערכות אינרציאליות

המעבר מדור SX2 לדור SX3 של Gladiator Technologies משקף מגמה מרכזית בהתפתחות טכנולוגיית MEMS: שיפור איכות המדידה תוך שמירה על ממדים קומפקטיים, רוחב פס גבוה והשהיה נמוכה.

הג'יירוסקופ G300D ויחידת LandMark 005 ממשיכים להציע פתרונות מבוססים ליישומים הדורשים מדידה אינרציאלית מדויקת.

הג'יירוסקופ G400D ויחידת LandMark 006, הנמצאים בשלבי הסמכה, מציגים שיפור משמעותי ברעש וביציבות ההיסט של הג'יירוסקופ.

בהמשך, יחידת LandMark 008 הנמצאת בפיתוח צפויה להרחיב את יכולות הדור החדש באמצעות שילוב מדי תאוצה מתקדמים בעלי רעש נמוך וטווחי מדידה רחבים יותר.

עבור מתכנני מערכות ייצוב, ניווט, בקרה ועקיבה, המשמעות היא אפשרות לבחור פתרונות אינרציאליים המותאמים לדרישות ביצועים הולכות וגוברות.

אמירוניק בע"מ, הנציגה הרשמית של Gladiator Technologies בישראל, מספקת מענה טכני ומסחרי לבחירת ג'יירוסקופים, מדי תאוצה ויחידות IMU עבור יישומים צבאיים, תעשייתיים ואזרחיים מתקדמים.

למידע נוסף, לקבלת מפרטים טכניים ולבחירת פתרון אינרציאלי מתאים, ניתן לפנות לצוות אמירוניק.

www.amironic.co.il