Kaj je inercialna navigacija?
Osnove inercialne navigacije
Temeljna načela inercialne navigacije so podobna načelom drugih navigacijskih metod. Zanaša se na pridobivanje ključnih informacij, vključno z začetnim položajem, začetno orientacijo, smerjo in orientacijo gibanja v vsakem trenutku, in postopno integracijo teh podatkov (analogno matematičnim integracijskim operacijam) za natančno določitev navigacijskih parametrov, kot sta orientacija in položaj.
Vloga senzorjev v inercialni navigaciji
Za pridobitev trenutne orientacije (odnosa) in informacij o položaju premikajočega se predmeta inercialni navigacijski sistemi uporabljajo nabor kritičnih senzorjev, ki jih sestavljajo predvsem merilniki pospeška in žiroskopi. Ti senzorji merijo kotno hitrost in pospešek nosilca v inercialnem referenčnem sistemu. Podatki se nato integrirajo in obdelajo skozi čas, da se pridobijo informacije o hitrosti in relativnem položaju. Nato se te informacije preoblikujejo v navigacijski koordinatni sistem v povezavi z začetnimi podatki o položaju, kar se zaključi z določitvijo trenutne lokacije nosilca.
Načela delovanja inercialnih navigacijskih sistemov
Inercialni navigacijski sistemi delujejo kot samostojni notranji navigacijski sistemi z zaprto zanko. Za popravljanje napak med premikanjem nosilca se ne zanašajo na posodobitve zunanjih podatkov v realnem času. En sam inercialni navigacijski sistem je kot tak primeren za kratkotrajne navigacijske naloge. Za dolgotrajne operacije ga je treba kombinirati z drugimi navigacijskimi metodami, kot so satelitski navigacijski sistemi, da občasno popravijo nakopičene notranje napake.
Prikritost inercialne navigacije
V sodobnih navigacijskih tehnologijah, vključno z nebesno navigacijo, satelitsko navigacijo in radijsko navigacijo, izstopa inercialna navigacija kot avtonomna. Ne oddaja signalov v zunanje okolje niti ni odvisen od nebesnih teles ali zunanjih signalov. Posledično ponujajo inercialni navigacijski sistemi najvišjo stopnjo prikritosti, zaradi česar so idealni za aplikacije, ki zahtevajo največjo zaupnost.
Uradna definicija inercialne navigacije
Inercialni navigacijski sistem (INS) je sistem za ocenjevanje navigacijskih parametrov, ki kot senzorje uporablja žiroskope in merilnike pospeška. Sistem, ki temelji na izhodnih podatkih žiroskopov, vzpostavi navigacijski koordinatni sistem, medtem ko uporablja izhodne podatke merilnikov pospeška za izračun hitrosti in položaja nosilca v navigacijskem koordinatnem sistemu.
Uporaba inercialne navigacije
Inercialna tehnologija je našla široko uporabo na različnih področjih, vključno z vesoljstvom, letalstvom, pomorstvom, raziskovanjem nafte, geodezijo, oceanografskimi raziskavami, geološkim vrtanjem, robotiko in železniškimi sistemi. S pojavom naprednih inercialnih senzorjev je inercialna tehnologija med drugim razširila svojo uporabnost na avtomobilsko industrijo in medicinske elektronske naprave. Ta vse večji obseg aplikacij poudarja vedno bolj ključno vlogo inercialne navigacije pri zagotavljanju visoko natančne navigacije in zmogljivosti za določanje položaja za množico aplikacij.
Glavna komponenta inercialnega vodenja:Žiroskop z optičnimi vlakni
Uvod v žiroskope z optičnimi vlakni
Inercialni navigacijski sistemi so močno odvisni od točnosti in natančnosti svojih glavnih komponent. Ena taka komponenta, ki je bistveno izboljšala zmogljivosti teh sistemov, je žiroskop z optičnimi vlakni (FOG). FOG je kritičen senzor, ki igra ključno vlogo pri merjenju kotne hitrosti nosilca z izjemno natančnostjo.
Delovanje žiroskopa z optičnimi vlakni
FOGs delujejo na principu učinka Sagnac, ki vključuje razdelitev laserskega žarka na dve ločeni poti, kar mu omogoča, da potuje v nasprotnih smereh vzdolž zvite zanke iz optičnih vlaken. Ko se nosilec, vgrajen v FOG, vrti, je razlika v času potovanja med žarkoma sorazmerna s kotno hitrostjo vrtenja nosilca. Ta časovna zakasnitev, znana kot Sagnacov fazni premik, se nato natančno izmeri, kar omogoči, da FOG zagotovi natančne podatke o rotaciji nosilca.
Načelo žiroskopa z optičnimi vlakni vključuje oddajanje žarka svetlobe iz fotodetektorja. Ta svetlobni žarek prehaja skozi sklopko, vstopa z enega konca in izstopa iz drugega. Nato potuje skozi optično zanko. Dva svetlobna žarka, ki prihajata iz različnih smeri, vstopita v zanko in po kroženju naokoli zaključita koherentno superpozicijo. Povratna svetloba ponovno vstopi v svetlečo diodo (LED), ki se uporablja za zaznavanje njene jakosti. Čeprav se načelo žiroskopa z optičnimi vlakni morda zdi preprosto, je najpomembnejši izziv odpravljanje dejavnikov, ki vplivajo na dolžino optične poti dveh svetlobnih žarkov. To je ena najbolj kritičnih težav pri razvoju žiroskopov z optičnimi vlakni.
1: superluminiscenčna dioda 2: fotodetektorska dioda
3.sklopka svetlobnega vira 4.spojka z vlaknenim obročem 5.obroč iz optičnih vlaken
Prednosti žiroskopov z optičnimi vlakni
Meglenke ponujajo številne prednosti, zaradi katerih so neprecenljive v inercialnih navigacijskih sistemih. Slovijo po izjemni natančnosti, zanesljivosti in vzdržljivosti. V nasprotju z mehanskimi žiroskopi FOG nimajo gibljivih delov, kar zmanjšuje tveganje obrabe. Poleg tega so odporni na udarce in vibracije, zaradi česar so idealni za zahtevna okolja, kot so vesoljske in obrambne aplikacije.
Integracija žiroskopov z optičnimi vlakni v inercialno navigacijo
Inercialni navigacijski sistemi vse pogosteje vključujejo meglenke zaradi svoje visoke natančnosti in zanesljivosti. Ti žiroskopi zagotavljajo ključne meritve kotne hitrosti, potrebne za natančno določitev orientacije in položaja. Z integracijo meglenk v obstoječe inercialne navigacijske sisteme lahko operaterji izkoristijo izboljšano natančnost navigacije, zlasti v situacijah, kjer je potrebna izjemna natančnost.
Uporaba žiroskopov z optičnimi vlakni v inercialni navigaciji
Vključitev FOG je razširila aplikacije inercialnih navigacijskih sistemov na različnih področjih. V vesolju in letalstvu sistemi, opremljeni z FOG, ponujajo natančne navigacijske rešitve za letala, brezpilotna letala in vesoljska plovila. Obširno se uporabljajo tudi v pomorski navigaciji, geoloških raziskavah in napredni robotiki, kar tem sistemom omogoča delovanje z izboljšano zmogljivostjo in zanesljivostjo.
Različne strukturne različice žiroskopov z optičnimi vlakni
Žiroskopi z optičnimi vlakni so na voljo v različnih strukturnih konfiguracijah, pri čemer je prevladujoča, ki trenutno vstopa na področje inženiringa,optični žiroskop z zaprto zanko, ki ohranja polarizacijo. Jedro tega žiroskopa jevlaknena zanka, ki ohranja polarizacijo, sestavljen iz vlaken, ki ohranjajo polarizacijo, in natančno oblikovanega ogrodja. Konstrukcija te zanke vključuje štirikratno simetrično metodo navijanja, dopolnjeno z edinstvenim tesnilnim gelom, ki tvori tuljavo zanke iz polprevodniškega vlakna.
Ključne značilnostiOptična vlakna, ki ohranjajo polarizacijo Gyro Tuljava
▶Edinstvena zasnova okvirja:Žiroskopske zanke imajo značilno zasnovo ogrodja, ki z lahkoto sprejme različne vrste vlaken, ki ohranjajo polarizacijo.
▶Štirikratna simetrična tehnika navijanja:Tehnika štirikratnega simetričnega navijanja minimizira Shupejev učinek in zagotavlja natančne in zanesljive meritve.
▶Napredni tesnilni gel material:Uporaba naprednih tesnilnih gelnih materialov v kombinaciji z edinstveno tehniko utrjevanja poveča odpornost na vibracije, zaradi česar so te žiroskopske zanke idealne za uporabo v zahtevnih okoljih.
▶Stabilnost visokotemperaturne koherence:Žiroskopske zanke izkazujejo visokotemperaturno koherenčno stabilnost, kar zagotavlja natančnost tudi v različnih toplotnih pogojih.
▶Poenostavljeno lahko ogrodje:Žiroskopske zanke so izdelane z enostavnim, a lahkim okvirjem, ki zagotavlja visoko natančnost obdelave.
▶Dosleden postopek navijanja:Postopek navijanja ostaja stabilen in se prilagaja zahtevam različnih natančnih žiroskopov z optičnimi vlakni.
Referenca
Groves, PD (2008). Uvod v inercialno navigacijo.The Journal of Navigation, 61(1), 13-28.
El-Sheimy, N., Hou, H., & Niu, X. (2019). Tehnologije inercijskih senzorjev za navigacijske aplikacije: najsodobnejše.Satelitska navigacija, 1(1), 1-15.
Woodman, OJ (2007). Uvod v inercialno navigacijo.Univerza v Cambridgeu, računalniški laboratorij, UCAM-CL-TR-696.
Chatila, R. in Laumond, JP (1985). Sklicevanje na položaj in dosledno modeliranje sveta za mobilne robote.V zborniku mednarodnih konferenc IEEE o robotiki in avtomatizaciji leta 1985(Zvezek 2, str. 138-145). IEEE.
Potrebujete brezplačno svetovanje?
NEKAJ MOJIH PROJEKTOV
ODLIČNA DELA, KATERIM SEM SODELOVAL. PONOSNO!
