.png)
כיול דינמי בזמן אמת מהווה את הלב הפועם של ניווט רחפנים מודרני
עבור אנשי מקצוע שמפתחים או מפעילים רחפנים אוטונומיים בסביבות מורכבות, רמת הדיוק של מערכת VIO חיונית לחלוטין לשרידות הכלי. כדי שרחפן יטוס בבטחה במחסן לוגיסטי, באתר בנייה או תחת חסימות GPS אקטיביות, עליו להסתמך על שילוב בין שני חיישנים שמשלימים זה את זה, מצלמה מהירה וחיישן IMU. ברמה המבצעית קיים מכשול פיזיקלי שאינו נראה לעין, מאחר ששני החיישנים האלה מדברים בשפות שונות לחלוטין. המצלמה מודדת את העולם בקצב של פריימים דיסקרטיים ובמונחים של גיאומטריה פיקסלית, ואילו חיישן הIMU מודד תאוצות ומהירויות זוויתיות רציפות בתדר גבוה. האתגר התפעולי המרכזי של מנהלי פיתוח הוא להבטיח סנכרון זמן מושלם ברמת המילי שנייה וכיול מרחבי מדויק ברמת המילימטר בין שני הרכיבים האלה, לאורך כל חיי המשימה של הכלי בשטח.
כאשר צוותי פיתוח נתקלים בבעיה זו, הפתרון הראשוני והנאיבי ביותר הוא כיול אופליין. מהנדסים משתמשים בכלי תוכנה קלאסיים כדי לחשב את המרחק הפיזי ואת זווית הנטייה בין המצלמה לבין הIMU על שולחן המעבדה מול לוחות שחמט סטנדרטיים, ומקבעים את הערכים האלה בתוך התוכנה. פתרון פשטני זה מפסיק לתפקד ברגע שהרחפן יוצא אל השטח. רחפן מתפקד כמערכת דינמית שחווה זעזועים קשים, נחיתות עוצמתיות, שינויי טמפרטורה קיצוניים ועומסים אווירודינמיים. שינויים אלה יוצרים עיוותים מכניים מיקרוסקופיים בגוף הרחפן, שמשנים את הזוויות ואת המרחקים הפיזיים בין החיישנים בזמן הטיסה.
בנוסף, שיהוי הזמן אינו קבוע. במצלמות Rolling Shutter מודרניות, השיהוי משתנה משורה לשורה כפונקציה של מהירות הצידוד של הרחפן. מהנדסים שמנסים להסתמך על ערכי מעבדה סטטיים גורמים למערכת הניווט לפרש את העיוותים האלה כשגיאות תנועה אמיתיות, תוצאה שמובילה לסחיפה מהירה, לאובדן יציבות של בקר הטיסה ולריסוק הכלי.
כדי לפרוץ את תקרת הזכוכית הזו ולהבטיח יציבות בסביבת production, חזית הטכנולוגיה בתחום מחייבת מעבר לארכיטקטורה של כיול מרחבי וזמני רציף בזמן אמת, ארכיטקטורה שמפתחים משלבים ישירות בתוך משערך המצב. במקום לייצג את מסלול הרחפן כנקודות דיסקרטיות בזמן, אנו מייצגים אותו כפונקציה רציפה וגזירה באמצעות B-Splines מתמטיים על גבי חבורות לי. גישה זו מאפשרת לבצע אינטרפולציה מדויקת של מצב הרחפן בכל שבריר מיקרו שנייה שעובר בין רגע הגעת דגימת הIMU לבין רגע קריאת שורת הפיקסלים במצלמה, וכך מנטרלת לחלוטין את העיוותים הדינמיים שנוצרים במצלמה.
כדי למנוע את בעיית חוסר העקביות הסטטיסטית שבה הפילטר מפיק מידע כוזב על דרגות חופש שמערכת הניווט אינה יכולה למדוד, האלגוריתם מיישם טכניקת First Estimates Jacobian או FEJ בקצרה. בנוסף, כדי לפתור מצבים מנוונים כמו טיסה בקו ישר או ריחוף שבהם המטריצות הופכות לסינגולריות עקב חוסר עירור פיזיקלי, המערכת משלבת מדדי אינפורמציה שמתממשקים ישירות לבקר הטיסה. כאשר המערכת מזהה ירידה בתצפיתיות, היא מייצרת מיקרו תנודות מתוכננות בצירים הרלוונטיים כדי להבטיח זרימת מידע מתמטי יציב לחיישנים, וזאת מבלי לפגוע בנתיב הטיסה הכללי.
שורת התוצאות משנה את ההחזר על ההשקעה ואת רמת האמינות המבצעית של צי הרחפנים. מעבר לכיול אדפטיבי רציף בזמן אמת מעניק לרחפן חסינות מכנית וחשמלית. גם במקרה שבו המצלמה זזה במילימטר כתוצאה ממכה או מרעידת מנוע, או כאשר עומס העיבוד משנה את שיהוי הפריימים, האלגוריתם מזהה ומכייל את הסטייה תוך שברירי שנייה מבלי לפגוע בניווט. המערכת שומרת על רמת דיוק סנטימטרית לאורך שעות של טיסה רציפה בסביבות הקיצוניות ביותר. מעבר לכך, החברה חוסכת סכומי עתק מאחר שפתרון האתגר ברמת התוכנה במודל קופסה לבנה מייתר את הצורך בתהליכי כיול ידניים, יקרים ומסורבלים במעבדה לפני כל טיסה. גישה זו מאפשרת לכם לשלוח לשטח מוצר קשיח, סקיילבילי ושורד שמסוגל להתמודד בהצלחה עם אתגרי התעופה של המחר.
אנחנו במתמטיקאי מחקר ופיתוח בע"מ מתמחים בנקודת המפגש שבין מתמטיקה שימושית עמוקה, תורת האופטימיזציה ופיתוח אלגוריתמים לסביבות Embedded. כצוות מחקר אלגוריתמי יישומי אנו מפתחים את חזית האלגוריתמיקה הסטוכסטית והגיאומטרית ומממשים אותה בקוד נייטיב אופטימלי ויציב שאנו מתאימים לחומרת הקצה שלכם. עבודה משותפת זו הופכת את המערכות האוטונומיות שלכם למוצרים עמידים שמוכנים באופן מלא לפעול בשוק האמיתי. אם אתם זקוקים לשותף טכנולוגי עתיר ניסיון שיודע לספק שירותי מחקר ופיתוח Hands-on, מארגוני אנטרפרייז ועד סטארט-אפים, ממשרדי תכנון ועד למפעלי אנרגיה, על מנת להוציא חזון אלגוריתמי שלכם מהכוח אל הפועל? הבה נדבר!
כמובן, אנחנו כתמיד ממשיכים לספק שירותי מחקר אלגוריתמי יישומי ונותנים פתרונות ב-"קימונו פתוח" ומקדמים עצמאות הלקוחות שלנו ואי-תלות בנו.
שלמה יונה,
מייסד ומדען ראשי,
מתמטיקאי מחקר ופיתוח בע"מ
053-7326360
פודקאסט על החברה ועליי, שלמה יונה, ואופן העבודה שלנו ואיתנו:
Comments