차세대 MEMS IMU — 고성능, 확장성

MEMS 자동차 내비게이션 시스템의 미래를 알아보기 위해 저는 CEO Yang Zhao와 ACEINNA, Inc.(매사추세츠주 보스턴)의 마케팅 및 사업 개발 부사장인 Teoman Ustun을 인터뷰했습니다.

기술 요약: ACEINNA IMU를 차세대라고 부르는 이유는 무엇입니까?

양 자오: 이상적인 조건에서는 하나의 카메라로 자동차를 탐색할 수 있습니다. 그러나 항상 안전성과 가용성을 달성하기 위해 자율주행차는 추가 센서 기술에 점점 더 의존하고 있습니다. 그러나 Vision, Radar, Lidar, GNSS, RTK와 같은 센서는 특정 상황에서 모두 장님이 될 수 있습니다. IMU는 다른 모든 센서가 고장난 경우에도 계속 작동하는 유일한 센서입니다. 우리의 과제는 IMU를 사용한 추측 항법이 신뢰할 수 있는 시간을 늘리는 것입니다. 현재 우리가 가지고 있는 제품은 고급 산업 수준에 가깝지만 승객 카드에 통합되도록 설계되었습니다.

테오만 우스툰: 우리가 개발 중인 혁신적인 MEMS 기술은 실리콘 MEMS 솔루션의 가격대에서 광섬유 자이로의 성능을 달성할 것입니다. 이는 기본적으로 판도를 바꾸는 기술입니다.

각 세대마다 ARW(Angular Random Walk), 바이어스 불안정성, 진동/충격 내성 측면에서 IMU의 성능을 개선해 왔습니다. 이 최신 세대에는 두 가지 이유로 매우 중요한 삼중 중복 아키텍처도 추가되었습니다. 자동차 수준의 신뢰성을 향상시키고 IMU의 성능도 향상시킵니다. 예를 들어, 내가 아는 한 우리는 시장에서 삼중 중복 IMU와 통합된 유일한 ASIL-B ISO 26262(Automotive Safety Integrity Level) 인증 INS(관성 내비게이션 시스템)를 보유하고 있습니다. 이 자격은 기본적으로 자동차 고객에게 당사의 센서가 차량 수명 동안 강력하게 데이터를 생성할 것이라는 확신을 줍니다.

당사의 최신 IMU에는 고객이 자신의 노하우를 활용하거나 하드웨어에서 비밀 소스를 구현할 수 있는 개방형 아키텍처 기능도 있습니다.

자오: 항공우주 등급 IMU는 안정성이 뛰어나지만 크고 무겁고 비싸다. 다양한 IMU 등급을 비교하려면 그림 1을 참조하십시오. 우리는 항해 등급에 접근할 IMU 시스템을 시장에 출시하는 것을 목표로 하고 있습니다. 오늘날에는 내비게이션 등급 IMU를 얻을 수 있지만 모두 광섬유 자이로를 사용하며 가격 범위는 수만 달러입니다. 크고 무겁고 비싸지 만 항공 전자 공학과 군대에서는 거래를 죽이는 요소가 아닙니다.

그러나 차에서 IMU를 사용하는 것에 대해 이야기할 때 아무도 그런 돈을 지불하지 않을 것입니다. 따라서 우리가 하려는 것은 광섬유 자이로 성능 수준에 근접할 수 있는 항법 등급 성능에 도달할 수 있는 차세대 MEMS IMU 기술을 개발하는 것입니다. 처음에 소비자용 IMU를 목표로 하고 이제는 더 높은 성능의 응용 제품으로 전환하려고 하는 다른 사람들과 달리 우리는 고성능 산업용 등급 응용 프로그램을 염두에 두고 시작하여 자동차 센서에 대한 요구 사항을 설정했습니다.

우리가 소개한 가장 최근의 자동차 제품은 비용 효율적입니다. 그들은 대량 응용 프로그램에 대한 가격/성능 최적화를 위해 아래에서 위로 매우 많이 설계 및 개발되었습니다. 우리는 $500 미만, 궁극적으로는 더 낮은 가격을 목표로 하고 있습니다.

기술 요약: 새 IMU의 정확성, 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 몇 가지 기능에 대해 설명해 주시겠습니까?

우스툰: 우선 IMU 센서에는 3개의 가속도계와 3개의 자이로가 있는 3중 중복성이 있습니다. 우리는 개별 IMU의 성능뿐만 아니라 전압, 전류, 온도를 포함한 모든 중요한 매개변수를 모니터링합니다. 이 3중 이중화를 통해 지속적인 자체 테스트를 구현할 수 있습니다. 우리는 이 삼중 데이터 스트림을 비교하고 대조함으로써 자이로와 가속도계 성능에 대해 좋은 확신을 얻었습니다.

또한 6개의 자유도가 있습니다. 3개의 가속도계와 3개의 자이로가 XYZ 축을 측정합니다. 자이로는 통합될 때 각도 위치의 변화를 제공하는 회전 속도를 측정합니다. 가속도계는 가속도를 측정하며 통합하면 속도를 제공하고 다시 통합하면 위치를 제공합니다. 자이로 데이터와 가속도계 데이터를 처리하고 주어진 애플리케이션에 최적화된 필터와 알고리즘을 사용하여 롤, 피치 및 요에 대한 정말 정확한 각도 데이터를 얻습니다(그림 2 참조). 자동차 애플리케이션에서 가장 중요한 데이터는 자동차가 표류하는 정도를 나타내는 요(yaw)입니다. 피치는 언덕을 오르고 있는지 아래로 가고 있는지를 나타냅니다. 바라건대, 당신의 차에서 롤이 발생하지 않기를 바랍니다.

기술 요약: 어떤 기간 동안 어떤 정확도를 유지할 수 있습니까?

우스툰: 매우 다양한 시나리오에 따라 다르기 때문에 말하기가 매우 어렵습니다. 현재 우리는 차선 수준 정확도를 달성해야 합니다. 차선의 너비는 약 3미터이고 승용차의 너비는 약 2미터입니다. 차선을 벗어나지 않도록 하기 위해 너무 멀리 표류하기 전에 약 0.5미터 또는 마이너스 0.5미터가 필요합니다. 일반적인 자동차 속도에서 0.5미터 보정은 1초 이내에 달성될 수 있습니다. 추측 항법에서 60~90초 동안 필요한 정확도를 유지할 수 있기 때문에 IMU는 차량을 차선 내에 쉽게 유지할 수 있습니다.

기술 요약: 따라서 IMU는 상대적 정확도를 제공합니다. 절대 정확도는 어떻습니까?

우스툰: 절대 위치 데이터는 일반적으로 GNSS 신호에서 파생됩니다. 역사적으로 GNSS 수신기의 위치 정확도는 미터 이상이었습니다. 따라서 GNSS 자체는 필요한 자동차 차선 수준 정확도가 2cm 이하인 만큼 충분하지 않습니다.

실시간 운동학(RTK)은 GNSS 수신기의 위치 정확도를 향상시키는 기술입니다. 차량에 장착된 RTK 포지셔닝 엔진에 수정 사항을 보낼 수 있는 기지국 네트워크를 사용합니다. 이 엔진은 이를 사용하여 위치를 더 정확하게 다시 계산합니다.

RTK는 다양한 소스에서 구매하거나 구독할 수 있는 서비스입니다. 우리가 점점 더 많이 보고 있는 것은 Verizon, Softbank 또는 China Mobile과 같은 통신 서비스 제공업체조차도 RTK 서비스를 제공하기 시작한 통신 인프라입니다. 우리 제품의 관점에서 우리는 서비스 제공자에 대해 불가지론적입니다. 우리는 고객이 원하는 정확도 한계를 달성할 수 있도록 모든 RTK 서비스 제공자를 지원할 계획입니다. 하드웨어와 소프트웨어를 모두 갖춘 솔루션을 제공하고 있습니다.

우리는 서비스를 제공하지 않지만 고객이 가장 적합한 서비스를 선택할 수 있도록 합니다. 그러나 우리는 이러한 서비스를 먼저 자격을 부여합니다. 우리는 그들이 우리의 하드웨어 및 소프트웨어와 호환되는지 확인합니다. 그런 다음 고객이 서비스 제공업체 목록에서 선택할 수 있는 유연성을 제공하기 위해 웹사이트에 게시했습니다. 가장 일반적으로 RTK는 4G LTE 네트워크를 통해 서비스로 제공됩니다. 4G LTE 수신이 되지 않을 경우, 위성통신 등 다른 방법으로 보정신호를 수신할 수 있습니다.

RTK의 경우 네트워크를 통해 기지국을 배치합니다. 일반적으로 기지국을 반경 50마일에 배치하는 것이 일반적입니다. 이러한 기지국은 위치를 매우 정확하게 알 수 있도록 배치됩니다. GNSS 신호와 정확히 알고 있는 기지국 위치 간의 오차를 측정하여 수정합니다.

따라서 포괄적인 솔루션이 있습니다. 두 개의 다른 폼 팩터에서 이중 주파수 GNSS 수신기와 결합된 3중 중복 고성능 6자유도 IMU를 포함하는 관성 항법 시스템입니다. 하나는 모듈 폼 팩터입니다. 고객이 자체 ECU(Engine Control Unit)에서 리플로우를 원할 경우 그렇게 하거나 패키지된 플러그 앤 플레이 솔루션을 사용할 수 있습니다. 기본적으로 GPS/GNSS 안테나를 연결하기만 하면 시스템이 CAN 버스 또는 이더넷에서 실행됩니다.

이 기사는 Sensor Technology의 편집자인 Ed Brown이 작성했습니다. 자세한 내용은 여기를 방문하십시오. .