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, ter na 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 informacij o trenutni orientaciji (ležišču) in položaju premikajočega se objekta inercialni navigacijski sistemi uporabljajo niz ključnih 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 sčasoma obdelujejo, da se dobijo informacije o hitrosti in relativnem položaju. Nato se te informacije skupaj z začetnimi podatki o položaju pretvorijo v navigacijski koordinatni sistem, 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 gibanjem nosilne ladje se ne zanašajo na posodobitve zunanjih podatkov v realnem času. Kot tak je en sam inercialni navigacijski sistem primeren za kratkotrajne navigacijske naloge. Za dolgotrajne operacije ga je treba kombinirati z drugimi navigacijskimi metodami, kot so satelitski navigacijski sistemi, da se redno popravljajo nakopičene notranje napake.
Prikritost inercialne navigacije
V sodobnih navigacijskih tehnologijah, vključno z nebesno navigacijo, satelitsko navigacijo in radijsko navigacijo, inercialna navigacija izstopa kot avtonomna. Ne oddaja signalov v zunanje okolje niti ni odvisna od nebesnih objektov ali zunanjih signalov. Posledično inercialni navigacijski sistemi ponujajo 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 na podlagi izhodnih podatkov žiroskopov vzpostavi navigacijski koordinatni sistem, pri čemer izhodne podatke merilnikov pospeška uporabi za izračun hitrosti in položaja nosilca v navigacijskem koordinatnem sistemu.
Uporaba inercialne navigacije
Inercialna tehnologija je našla široko paleto aplikacij na različnih področjih, vključno z vesoljsko industrijo, letalstvom, pomorstvom, raziskovanjem nafte, geodezijo, oceanografskimi raziskavami, geološkim vrtanjem, robotiko in železniškimi sistemi. S prihodom naprednih inercialnih senzorjev je inercialna tehnologija razširila svojo uporabnost na avtomobilsko industrijo in medicinske elektronske naprave, med drugim. Ta širitev področja uporabe poudarja vse bolj ključno vlogo inercialne navigacije pri zagotavljanju visoko natančnih navigacijskih in pozicionirnih zmogljivosti za številne aplikacije.
Osrednja komponenta inercialnega vodenja:Optični žiroskop
Uvod v optične žiroskope
Inercialni navigacijski sistemi so močno odvisni od natančnosti in preciznosti svojih ključnih komponent. Ena takšnih komponent, ki je znatno izboljšala zmogljivosti teh sistemov, je optični žiroskop (FOG). FOG je ključni senzor, ki igra ključno vlogo pri merjenju kotne hitrosti nosilne ladje z izjemno natančnostjo.
Delovanje optičnega žiroskopa
FOG-ji delujejo na principu Sagnacovega efekta, ki vključuje razdelitev laserskega žarka na dve ločeni poti, kar mu omogoča, da potuje v nasprotnih smereh vzdolž spiralne zanke iz optičnih vlaken. Ko se nosilec, v katerega je vgrajen FOG, vrti, je razlika v času potovanja med obema žarkoma sorazmerna s kotno hitrostjo vrtenja nosilca. Ta časovna zakasnitev, znana kot Sagnacov fazni premik, se nato natančno izmeri, kar FOG-ju omogoča, da zagotovi natančne podatke o vrtenju nosilca.
Načelo delovanja optičnega žiroskopa vključuje oddajanje svetlobnega snopa iz fotodetektorja. Ta svetlobni snop prehaja skozi spojnik, vstopa na enem koncu in izstopa na drugem. Nato potuje skozi optično zanko. Dva svetlobna snopa, ki prihajata iz različnih smeri, vstopita v zanko in po kroženju ustvarita koherentno superpozicijo. Vrnjena svetloba ponovno vstopi v svetlečo diodo (LED), ki se uporablja za zaznavanje njene intenzivnosti. Čeprav se načelo delovanja optičnega žiroskopa morda zdi preprosto, je največji izziv odpraviti dejavnike, ki vplivajo na dolžino optične poti obeh svetlobnih snopov. To je eno najpomembnejših vprašanj, s katerimi se soočamo pri razvoju optičnih žiroskopov.
1: superluminiscenčna dioda 2: fotodetektorska dioda
3. spojnik svetlobnega vira 4.spojnik vlaken 5. optični vlakenski obroč
Prednosti optičnih žiroskopov
FOG-ji ponujajo več prednosti, zaradi katerih so neprecenljivi v inercialnih navigacijskih sistemih. Znani so po svoji izjemni natančnosti, zanesljivosti in vzdržljivosti. Za razliko od mehanskih žiroskopov FOG-ji 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 optičnih žiroskopov v inercialno navigacijo
Inercialni navigacijski sistemi vse pogosteje vključujejo žiroskope (FOG) zaradi njihove visoke natančnosti in zanesljivosti. Ti žiroskopi zagotavljajo ključne meritve kotne hitrosti, potrebne za natančno določanje orientacije in položaja. Z integracijo FOG-ov v obstoječe inercialne navigacijske sisteme lahko operaterji izkoristijo izboljšano navigacijsko natančnost, zlasti v situacijah, kjer je potrebna izjemna natančnost.
Uporaba optičnih žiroskopov v inercialni navigaciji
Vključitev FOG-ov je razširila uporabo inercialnih navigacijskih sistemov na različnih področjih. V vesoljski in letalski industriji sistemi, opremljeni z FOG-i, ponujajo natančne navigacijske rešitve za letala, drone in vesoljska plovila. Pogosto se uporabljajo tudi v pomorski navigaciji, geoloških raziskavah in napredni robotiki, kar tem sistemom omogoča delovanje z izboljšano zmogljivostjo in zanesljivostjo.
Različne strukturne različice optičnih žiroskopov
Optični žiroskopi so na voljo v različnih strukturnih konfiguracijah, pri čemer prevladujoča trenutno vstopa na področje inženirstvažiroskop z optičnimi vlakni, ki vzdržuje polarizacijo v zaprti zankiV jedru tega žiroskopa jevlakenska zanka, ki vzdržuje polarizacijo, ki vsebuje vlakna, ki vzdržujejo polarizacijo, in natančno zasnovan okvir. Konstrukcija te zanke vključuje štirikratno simetrično metodo navijanja, dopolnjeno z edinstvenim tesnilnim gelom, ki tvori tuljavo iz trdnih vlaken.
Ključne značilnostiOptična vlakna G, ki vzdržujejo polarizacijoyro tuljava
▶Edinstvena zasnova ogrodja:Žiroskopske zanke imajo značilno zasnovo ogrodja, ki z lahkoto sprejme različne vrste vlaken, ki vzdržujejo polarizacijo.
▶Tehnika štirikratnega simetričnega navijanja:Tehnika štirikratnega simetričnega navijanja zmanjšuje Shupejev učinek, kar zagotavlja natančne in zanesljive meritve.
▶Napredni tesnilni gel:Uporaba naprednih tesnilnih gelov v kombinaciji z edinstveno tehniko strjevanja povečuje odpornost na vibracije, zaradi česar so te žiroskopske zanke idealne za uporabo v zahtevnih okoljih.
▶Koherentna stabilnost pri visoki temperaturi:Žiroskopske zanke kažejo visoko temperaturno koherenčno stabilnost, kar zagotavlja natančnost tudi v različnih toplotnih pogojih.
▶Poenostavljen lahek okvir:Zanke žiroskopa so zasnovane s preprostim, a lahkim ogrodjem, kar zagotavlja visoko natančnost obdelave.
▶Dosleden postopek navijanja:Postopek navijanja ostaja stabilen in se prilagaja zahtevam različnih preciznih optičnih žiroskopov.
Referenca
Groves, PD (2008). Uvod v inercialno navigacijo.Revija za navigacijo, 61(1), 13–28.
El-Sheimy, N., Hou, H. in Niu, X. (2019). Tehnologije inercialnih senzorjev za navigacijske aplikacije: najsodobnejše stanje.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). Referenčno določanje položaja in modeliranje konsistentnega sveta za mobilne robote.V Zborniku prispevkov z mednarodne konference IEEE o robotiki in avtomatizaciji leta 1985(Zv. 2, str. 138–145). IEEE.
Potrebujete brezplačen posvet?
NEKAJ MOJIH PROJEKTOV
ODLIČNA DELA, HITER SEM SODELOVAL. PONOSEN!
