Инерциальная навигационная система

редактировать
Инерциальная навигационная система 1950-х годов, разработанная в Массачусетском технологическом институте.

Инерциальная навигационная система (INS ) - это навигационное устройство, которое использует компьютер, датчики движения (акселерометры ) ичики вращения (гироскопы ) для непрерывно вычислять по точному счёту положение, ориентацию и скорость (направление и скорость движения) движущегося объекта без внешних ссылок. Часто инерционные датчики дополняются барометрическим высотомером, а иногда и магнитными датчиками (магнитометрами ) и / или устройствами измерения скорости. ИНС используются на мобильных роботах и на таких транспортных средствах, как корабли, самолеты, подводные лодки, управляемые ракеты, и космический корабль. Другие термины, используемые для обозначения инерциальных навигационных систем или близких к ним устройств, включая инерциальную систему наведения, инерциальный прибор, инерциальный измерительный блок (IMU) и многие другие варианты. Старые системы INS обычно использовали инерциальную платформу в качестве точки крепления к транспортному средству, и эти термины иногда считаются синонимами.

Сравнение различных навигационных систем. Радиус круга указывает на точность. Меньший радиус соответствует более высокой точности.

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Скорость дрейфа
  • 3 История
  • 4 Наведение при полете человека в космос
  • 5 Инерциальное наведение самолета
  • 6 Инерциальная навигация системы в деталях
  • 7 Базовые схемы
    • 7.1 Гиростабилизированные платформы на карданной подвесе
    • 7.2 Гиростабилизированные платформы с гидравлической подвеской
    • 7.3 Ременные системы
    • 7.4 Центровка на основе движения
    • 7.5 Вибрационные гироскопы
    • 7.6 Полусферические резонаторные гироскопы (бокалы для вина или грибовидные гироскопы)
    • 7.7 Кварцевые датчики скорости
    • 7.8 МГД-датчик
    • 7.9 МЭМС-гироскоп
    • 7.10 Кольцевые лазерные гироскопы (RLG)
    • 7.11 Волоконно-оптические гироскопы (FOG)
    • 7.12 Маятниковые акселерометры
    • 7.13 Датчики TIMU (устройство измерения времени и инерции)
  • 8 Метод
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Дополнительная литература
  • 12 Внешние ссылки

Обзор

Инерциальная навигация - это автономная навигационная техника, в которой установлены акселерометрами и гироскопами, используются для определения положения и ориентации объект относительно указанной начальной точки, ориентации и скорости. Инерциальные измерительные блоки (IMU) обычно содержат три ортогональных гироскопа скорости и три ортогональных акселерометра, измеряющих угловую скорость и линейное ускорение соответственно. Обрабатывая сигналы от этих устройств, можно улучшить положение и ориентацию устройства.

Инерциальная навигация используется в широком диапазоне приложений, включая навигацию самолетов, тактических и стратегических ракет, космических кораблей, подводных лодок и кораблей. Он также встроен в большинство современных мобильных телефонов для определения местоположения и мобильных телефонов. Последние достижения в создании микроэлектромеханических систем (МЭМС) сделали возможное производство небольших и легких инерциальных навигационных систем. Эти достижения расширили диапазон приложений, включая такие области, как человек и животное захват движения.

. Инерциальная навигационная система включает в себя, по крайней мере, компьютер и платформу или модуль, обеспечива акселерометры, гироскопы или другие датчики движения. INS получает информацию о своем новом источнике и скорости от другого источника (человек-оператор, спутниковый GPS и т. Д.) Вместе с исходной ориентацией, а затем вычисляет свое собственное обновленное положение и скорость посредством интеграции информации, полученной от датчиков движения. Преимущество INS в том, что он не требует внешних ссылок для определения своего положения, ориентации или после инициализации.

ИНС может изменять изменение своего географического положения (например, движение на восток или север), изменение его скорости (скорость и направление движения) и изменение его ориентации (вращение вокруг оси). Он делает это путем измерения линейного ускорения и угловой скорости, приложенных к системе. Он требует внешней ссылки (после инициализации), он невосприимчив к помехам и обману.

Инерциальные навигационные системы используются во многих движущихся объектах. Однако их стоимость и сложность накладывают ограничения на среду, которую они практичны для использования.

Гироскопы измеряют угловую скорость рамки датчика относительно инерциальной системы отсчета . При использовании исходной ориентации системы в качестве инерциальной системы отсчета в качестве начального состояния и , интегрирующего угловую скорость, текущая ориентация системы известна в любое время. Это можно представить как способность пассажира в автомобиле чувствовать себя завязанными глазами, как машина поворачивается влево и вправо или наклоняется вверх и вниз при подъеме или спуске с холма. Основываясь только на этой информации, пассажир знает, в каком направлении смотрит автомобиль, но не знает, насколько быстро или медленно он движется или скользит ли он вбок.

Акселерометры измеряют линейное ускорение движущихся транспортных средств в датчике или раме кузова, но в направлениях, которые могут быть измерены только относительно движущейся системы (поскольку акселерометры прикреплены к системе и вращаются вместе с системой, но не осознают свою ориентацию). Это можно представить как способность пассажира в автомобиле с завязанными глазами чувствовать, что его прижимают обратно к сиденью, когда автомобиль ускоряется, или тянет вперед, когда он замедляется; и чувствую, как его прижимают к сиденью, когда автомобиль пересекает гребень холма и начинает спускаться в гору, или начинает спускаться со своего места. Основываясь только на этой информации, он знает, как транспортное средство ускоряется относительно самого себя, то есть ускоряется ли оно вперед, назад, влево, вправо, вверх (к потолку автомобиля) или вниз (к полу автомобиля), измеренное относительно. к машине, но не в направлении относительно Земли, так как он не знал, в каком направлении машина была обращена относительно Земли, когда они чувствовали ускорение.

Однако отслеживая как текущую угловую скорость системы, так и текущее линейное ускорение, измеренное движущейся системы, можно определить линейное ускорение системы в инерциальной системе отсчета. Выполнение интегрирования инерционных ускорений (с использованием исходной скорости в качестве начальных условий) с использованием правильных кинематических условий дает инерциальные системы, а повторное интегрирование (с использованием исходного положения в начальных условиях) дает инерциальные позиции. В нашем примере, если пассажир с завязанными глазами знал, как была направлена ​​машина, и какова была ее скорость до того, как ему завязали, и если он мог пропускать глаза, как поворачивалась машина, так и как она с тех пор ускорялась и замедлялась, тогда он может точно знать текущую ориентацию, положение и скорость автомобиля в любое время.

Скорость дрейфа

Все инерциальные навигационные системы страдают от интегрального дрейфа: небольшие ошибки в измерении ускорения и угловой скорости объединяются во все более крупные ошибки в скорости, которые усугубляются еще большими ошибками в положении. Новое положение накапливается из предыдущего момента ввода положения и угловой скорости. Даже самые лучшие акселерометры со стандартной погрешностью 10 мкг накапливают ошибку 50 метров в течение 17 минут. Следовательно, необходимо периодически корректировать, вводить данные от навигационной системы другого типа.

Соответственно, инерциальная навигация обычно используется в дополнение к другим навигационным системам, более высокая эффективность использования, чем возможно при использовании любой отдельной системы. Например, если при наземном использовании инерционно отслеживаемая скорость периодически обновляется до нуля при остановке, положение будет оставаться точным в течение более длительного времени, так называемое обновление нулевой скорости. В частности, в авиакосмической сфере для определения неточностей INS используются другие системы измерения, например, в инерциальных навигационных системах Honeywell LaseRefV используются выходы GPS и компьютера аэродинамических данных для поддержания требуемых навигационных типов. Погрешность навигации возрастает с меньшей чувствительностью используемых датчиков. В настоящее время представлены устройства, объединяющие разные датчики, например система координат и ориентации. На ошибку навигации в основном влияет численное интегрирование угловых скоростей и ускорений, Система отсчета давления была предоставлена ​​для использования одного численного интегрирования измерений угловой скорости.

Теория оценки в целом и фильтрация Калмана в конкретном теоретическом основании для объединения информации от различных датчиков. Одним из наиболее распространенных альтернативных датчиков является спутниковое навигационное радио, такое как GPS, которое можно использовать для всех типов транспортных средств с прямой видимостью неба. В помещениях можно использовать шагомеры, оборудование для измерения расстояния или другие типы датчиков положения. За счет правильного соединения информации от INS и других систем (GPS / INS ) ошибки положения и скорости становятся стабильными. Кроме того, INS может быть использовано в качестве краткосрочного отката, когда сигналы GPS недоступны, например, когда транспортное средство проезжает через туннель.

В 2011 году подавление сигналов GPS на гражданском уровне стало проблемой правительства. Относительная легкость подавления этих систем побудила снизить зависимость навигации от технологии GPS. Датчики инерциальной навигации не могут быть заблокированы. В 2012 году исследователи из США Армейская научно-исследовательская лаборатория сообщила об инерциальном измерительном блоке, состоящем из трехосных акселерометров и трехосных гироскопов с микроэлектромеханической системой с размером 10, которые имели алгоритм фильтр Калмана для оценки мешающих параметров датчика (ошибок) положение и скорость боеприпаса. Каждый массив измеряет шесть точек данных, и система координирует данные вместе, чтобы предоставить решение для навигации. Если один датчик постоянно или недооценивает расстояние, система может отрегулировать, корректируя поврежденного датчика в окончательный расчет.

Добавление эвристического алгоритма уменьшило ошибку расчетного расстояния с 120 м до 40 м от назначенной цели. Исследователи объединили алгоритм с GPS или радарной технологией для инициализации и помощи алгоритму навигации. В различные моменты полета боеприпаса они отключили сопровождение и оценили точность приземления боеприпаса. В сорок секундном полете, 10 и 20 секунд доступности помощи примерно одна разница в ошибке, поскольку оба в 35 метров от цели. Никакой разницы не наблюдалось, когда заметились эксперименты проводились со 100 матрицами датчиков, а не с десятью. Исследователи указывают, что эти ограниченные экспериментальные данные означают оптимизацию навигационных технологий и снижение стоимости военных систем.

История

Инерциальные навигационные системы были установлены разработаны для ракет. Американский пионер ракетной техники Роберт Годдард экспериментировал с элементарными гироскопическими системами. Системы доктора Годдарда вызвали большой интерес у современных немецких пионеров, включая Вернера фон Брауна. Эти системы получили более широкое распространение с появлением космических кораблей, управляемых ракет и коммерческих авиалайнеров.

Ранний немецкий Второй мировой войны Система наведения V2 объединила два гироскопа и боковой акселерометр с основным аналоговым компьютером для регулировки азимута ракеты в полете. Аналоговые компьютерные сигналы использовались для приведения в действие четырех рулей направления графит в выхлопе ракеты для управления полетом. Система GNC (руководство, навигация и управление) для V2 предоставила множество инноваций в интегрированной платформе с управлением по замкнутому циклу. В конце войны фон Браун спроектировал передачу американцам 500 своих лучших ученых-ракетчиков вместе с планами и испытательными машинами. Они прибыли в Форт-Блисс, штат Техас в 1945 году в соответствии с положениями операции «Скрепка» и продемонстрированы в Хантсвилл, штат Алабама, в 1950 году году, где они работали в армии США. программы ракетных исследований.

В начале 1950-х годов правительство США хотело обезопасить себя от чрезмерной зависимости от немецкой команды в военных приложениях, включая полностью внутренней программы наведения ракет. Лаборатория приборостроения Массачусетского технологического института (позже ставшая лаборатория Чарльза Старка Дрейпера, Inc.) была выбрана Западным отделом развития ВВС США для обеспечения автономной системы наведения для Convair в Сан-Диего для новой межконтинентальной баллистической ракеты Atlas (строительство и испытания были завершены подразделением Arma компании AmBosch Arma). Техническим наблюдателем за приложением Массачусетского технологического института был молодой инженер по имени Джим Флетчер, который позже работал администратором НАСА. Система наведения Атлас должна была быть собой комбинацию бортовой автономной системы и наземной системы слежения и управления. В конечном итоге автономная система по очевидным причинам возобладала в применении к баллистическим ракетам. В освоении космоса остается смесь двух.

Летом 1952 года доктор Ричард Баттин и доктор Дж. Холкомб «Хэл» Лэнинг-младший исследовал решения на основе вычислений для управления и провел начальную аналитическую работу по инерционному наведению Атласа в 1954 году. Другими ключевыми фигурами в Convair были Чарли Боссарт, главный инженер, и Уолтер Швейдецки, руководитель группы руководства. Швейдецкий работал с фон Брауном в Пенемюнде во время Второй мировой войны.

Исходная система наведения Дельты оценила разницу в положении от эталонной траектории. Расчет скорости, которую необходимо набрать (VGO), выполняется для корректировки текущей траектории с целью приведения VGO к нулю. Математика этого подхода была принципиально верной, но отказалась от нее из-за проблем с точным инерционным наведением и аналоговой вычислительной мощностью. Проблемы, с которыми столкнулась компания Delta, удалось преодолеть с помощью системы управления Q (см. Q-Руководство ). Революция системы Q заключалась в том, чтобы связать задачи наведения ракеты (и соответствующие уравнения движения) в матрицу Q. Матрица Q представляет собой частные производные скорости по отношению к вектору положения. Ключевая особенность этого подхода использовала инструменты исследования языка (v, xdv, / dt) в качестве основных сигналов скорости автопилота - метод, который стал известен как управление перекрестным произведением. Q-система представлена ​​на первом техническом симпозиуме по баллистическим ракетам, состоявшемся в корпорации Ramo-Wooldridge в Лос-Анджелесе 21 и 22 июня 1956 года. Система Q была секретной информацией до 1960-х годов. Выводы этого наведения используются для современных ракет.

Наведение человека в космическом полете

В феврале 1961 года НАСА заключило с Массачусетским технологическим институтом контракт на предварительное исследование конструкции системы наведения и навигации для Аполлона. MIT и Delco Electronics Div. компании General Motors Corp. получили совместный контракт на проектирование и производство систем наведения и навигации Apollo для командного модуля и лунного модуля. Delco произвела IMU (инерциальные измерительные устройства ) для этих систем, Kollsman Instrument Corp. произвела оптические системы, а компьютерное управление Apollo был построен Raytheon по субподряду (см. Apollo on-system управления, навигации и управления, Дэйв Хоаг, Конференция по посвящению Международного Зала Славы Космоса в Аламогордо, Нью-Мексико, октябрь 1976 г.).

Для космического шаттла использовалось наведение разомкнутого контура (без обратной связи) для направления шаттла от взлета до отделения твердотопливного ракетного ускорителя (SRB). После отделения SRB основное наведение космического шаттла называется PEG (Powered Explicit Guidance). PEG учитывает как систему Q, так и атрибуты предиктора-корректора исходной системы «Дельта» (руководство PEG). Хотя за последние 30 лет произошло множество обновлений навигационной системы Shuttle (например, GPS в сборке OI-22), ядро ​​наведения системы Shuttle GNC претерпело незначительные изменения. Внутри пилотируемой системы для системы наведения необходим человеческий интерфейс. Поскольку астронавты являются заказчиками системы, было сформировано много новых команд, которые работают с GNC, поскольку она является основным интерфейсом для «управления» аппаратом.

Инерциальное наведение самолета

Одним из примеров популярной ИНС для коммерческих самолетов была карусель Delco, которая обеспечивала частичную автоматизацию навигации в дни перед полным полетом. системы управления стали обычным явлением. Карусель позволяла пилотам вводить 9 путевых точек за раз, а затем направлять самолет от одной путевой точки к другой, используя ИНС для определения положения и скорости воздушного судна. Корпорация Boeing заключила договор субподряда с Delco Electronics Div. General Motors для разработки и производства первых серийных систем Carousel для ранних моделей (-100, -200 и -300) самолетов 747. Боинг 747 использовал три системы карусели, работающие согласованно для обеспечения надежности. Система «Карусель» и ее производные впоследствии были приняты для использования во многих других коммерческих и военных самолетах. C-141 ВВС США был первым военным самолетом, который использовал карусель в конфигурации с двойной системой, за ним последовал C-5A, который использовал тройную конфигурацию INS, аналогичную 747. Парк KC-135 был оснащен двойной системой карусели. Этому способствовал доплеровский радар. Параметр ARINC 704 определяет ИНС, используемую на коммерческом воздушном транспорте.

Подробное описание инерциальных навигационных систем

Динамика полета с текстом.png Инерциальный навигационный блок Франции IRBM S3.

INSs содержат инерциальные измерительные блоки (IMU), которые имеют угловые и линейные акселерометры (для изменений в позиция); некоторые IMU включают гироскопический элемент (для поддержания абсолютного углового отсчета).

Угловые акселерометры измеряют скорость вращения автомобиля в пространстве. Как правило, имеется по крайней мере один датчик для каждой из трех осей: тангажа (нос вверх и вниз), рыскания (нос влево и вправо) и крена (по часовой стрелке или против часовой стрелки из кабины).

Линейные акселерометры измеряют негравитационные ускорения транспортного средства. Поскольку он может двигаться по трем осям (вверх и вниз, влево и вправо, вперед и назад), для каждой оси имеется линейный акселерометр.

Компьютер постоянно вычисляет текущее положение автомобиля. Во-первых, для каждой из шести степеней свободы (x, y, z и θ x, θ y и θ z), он интегрирует во времени измеренное ускорение вместе с оценкой силы тяжести для вычисления текущей скорости. Затем он интегрирует скорость длявычисления текущего положения.

Инерциальное наведение без компьютеров. Желание использовать инерционное наведение в ракетах Minuteman и Project Apollo привело к ранним попыткам миниатюризации компьютеров.

Инерционные системы наведения теперь обычно комбинируются с системами спутниковой навигации через систему цифровой фильтрации. Инерциальная система краткосрочные данные, а спутниковая система исправляет накопленные инерциальной системы.

Инерционная система наведения, которая будет работать у поверхности земли, должна включаться настройку Шулера, чтобы ее платформа продолжала указывать к центру Земли, когда транспортное средство движется с места на место..

Основные

Гиростабилизированные платформы на карданной шарнире

В некоторых системах линейные акселерометры размещаются на карданной гиростабилизированной платформе. Подвесы выберите собой набор из трех колец, каждый из которых изначально имеет пару подшипников под прямым углом. Они позволяют вращаться вокруг оси вращения (или, скорее, они могут вращаться вокруг оси вращения). На платформе есть два гироскопа (обычно).

Два гироскопа используются для отмены гироскопической прецессии, тенденции гироскопа к повороту под прямым углом к ​​входному крутящему моменту. Установив пару гироскопов (с одинаковой инерцией вращения и вращающейся с одинаковой скоростью в противоположных направлениях) под прямым углом, прецессии отменяются, и платформа будет сопротивляться скручиванию.

Эта система позволяет измеряться средству крен, тангаж и углы рысканья непосредственно на опорах карданов. Для суммирования линейных ускорений можно использовать относительно простые электронные схемы, поскольку направления линейных акселерометров не меняются.

Большим недостатком этой схемы является то, что в ней используется много дорогих прецизионных механических деталей. Он также имеет движущиеся части, которые могут изнашиваться или заклиниваться и уязвимы для блокировки кардана. Основная система наведения космического корабля Аполлон использовала трехосную гиростабилизированную платформу, передавая данные на Компьютер наведения Аполлона. Маневры нужно было тщательно планировать, чтобы избежать блокировки кардана.

Гиростабилизированные платформы с гидравлической подвеской

Замок карданного подвеса ограничивает маневрирование, и было бы полезно исключить контактные кольца и подшипники карданов. Поэтому в некоторых системах для установки гиростабилизированной платформы используются жидкостные подшипники или флотационная камера. Эти системы могут иметь очень высокую точность (например, Advanced Inertial Reference Sphere ). Как и все гиростабилизированные платформы, эта система хорошо работает с медленными маломощными компьютерами.

Гидравлические подшипники предоставляют собой прокладки с отверстиями, через которые сжатый инертный газ (например, гелий) или масло давит на сферическую оболочку платформы. Жидкостные подшипники очень скользкие, сферическая платформа может свободно вращаться. Обычно имеется четыре опорные подушки, установленные по четырехгранной схеме поддержки платформы.

В системах премиум-класса датчики угла обычно предоставляются специализированные трансформаторные катушки, выполненные в виде полосы на гибкой печатной плате. Несколько лент катушек установлены на больших окружностях вокруг сферической оболочки гиростабилизированной платформы. Электроника за пределами платформы использует аналогичные полосовые трансформаторы для считывания числа магнитных полей, создаваемых трансформаторами, обернутыми вокруг сферической платформы. Каждый раз, когда магнитное поле меняет форму или движется, оно перерезает провода катушек на внешние полосках трансформатора. Резка генерирует электрический ток во внешних полосовых катушках, и электроника может измерять этот ток для определения углов.

В электронных системах иногда используются коды-коды для ориентации и используются солнечные элементы или один трансформатор для питания платформы. Некоторые небольшие ракеты питали платформу светом из окна или оптоволоконным кабелем, идущим к двигателю. Тема исследования - подвесить платформу давления выхлопных газов. Данные возвращаются во внешний мир через трансформаторы или иногда светодиоды, взаимодействующие с внешними фотодиодами.

свободными системами

Легкие цифровые компьютеры позволяют системе устранять подвесы, создаваемые бесплатные системы, названные так потому,, что их датчики просто привязаны к автомобилю. Это снижает стоимость, устраняет блокировку подвеса, устраняет необходимость в некоторых калибровках и повышает надежность за счет исключения некоторых движущихся частей. Датчики угловой скорости, называемые гироскопами, измеряют угловую скорость транспортных средств.

Бесплатной динамической системы требуется динамический диапазон измерения в несколько сотен раз больше, чем требуется для шарнирной системы. Транспортные средства по тангажу, крену и рысканью, а также грубые движения. Системы с подвесом обычно хорошо работают с обновлениями 50–60 Гц. Однако бесплатформенные системы обычно обновляют около 2000 Гц. Более высокая скорость необходима для того, чтобы навигационная система точно интегрировать угловую скорость в ориентацию.

Используемые алгоритмы обновления данных (направляющие косинусы или кватернионы ) слишком сложны, чтобы их можно было точно выполнить, кроме как с помощью цифровых электроники. Однако цифровые компьютеры сейчас действуют недороги и быстры. Лунный модуль Apollo использовал бесплатформенную систему в своей резервной Abort Guidance System (AGS).

Бесплатныеформенные системы в настоящее время широко используются в коммерческих и военных целях (ROV, ракеты и т. Д.). Современные бесплатформенные системы основаны на кольцевых лазерных гироскопах, волоконно-оптических гироскопов или гироскопах с полусферическим резонатором. Они используют цифровую электронику и передовые цифровые методы фильтрации, такие как фильтр Калмана.

Выравнивание на основе движения

Ориентация гироскопической системы иногда также может быть определена просто из истории ее положения (например, GPS). В частности, это касается самолетов и автомобилей, где вектор скорости обычно подразумевает ориентацию кузова транспортные средства.

Например, Honeywell Align in Motion - это процесс инициализации, при котором инициализация происходит во время движения ЛА, в воздухе или на земле. Это достигается с помощью GPS и теста инерционной разумности, что позволяет удовлетворить коммерческие требования к целостности данных. Этот процесс был сертифицирован FAA для восстановления чистых характеристик INS, эквивалентных процедур стационарного выравнивания для гражданских полетов продолжительностью до 18 часов. Это позволяет избежать использования батарейки гироскопа на борту самолета.

Вибрационные гироскопы

Менее дорогие навигационные системы, предназначенные для использования в автомобилех, могут использовать гироскоп с вибрирующей структурой для обнаружения изменений курса и датчик одометра для измерения расстояния. пройдено по колее автомобиля. Этот тип системы гораздо менее точен, чем INS более высокого уровня, где GPS является основной навигационной системой, а счисление требуется только для заполнения пробелов в зоне покрытия GPS, когда здания или местность блокируют спутниковые сигналы.

Гироскопы с полусферическим резонатором (бокал для вина или гироскопы-грибы)

Если стоячая волна индуцируется в полусферической резонансной структуре, а резонансная структура вращается, сфери гармоническая стоячая волна вращается на угол отличается от кварцевой структуры резонатора из-за силы Кориолиса. Движение внешнего корпуса относительно формы стоячей волны движения относительно общему углу поворота и может быть обнаружено электроникой. Резонаторы системы изготовлены из плавленого кварца из-за его превосходных механических свойств. Электроды, которые возбуждают и воспринимают стоячие волны, наносятся непосредственно на отдельные кварцевые структуры, окружающие резонатор. Эти гироскопы могут работать либо в режиме полного угла (что дает им неограниченные возможности скорости), либо в режиме перебирования, который удерживает фиксированную ориентацию по отношению к корпусу гироскопа (что им намного лучшую точность).

Эта система почти не имеет движущихся частей и очень точна. Однако это все еще относительно дорого из-за стоимости прецизионных и полированных полых кварцевых полусфер. Northrop Grumman в настоящее время производит IMU (инерциальные единицы измерения ) для космических аппаратов, которые используют HRG. Эти IMU действуют в режиме высокой надежности с первого использования в 1996 году. Safran производит большое количество инерционных систем на основе HRG, предназначенных для широкого широкого применения.

Кварцевые датчики скорости

кварцевый датчик скорости модели E-Sky

Эти внутри вертолета продукты включают «гироскопы с камертонами». Здесь гироскоп выполнен в виде камертона с электронным управлением, который часто изготавливается из цельного кускаца или кремния. Такие гироскопы работают в соответствии с динамической теорией, согласно которой при приложении угловой скорости к перемещающемуся телу создается сила Кориолиса.

Эта система обычно встроена в кремниевый чип. У него есть два кварцевых камертона с балансировкой по массе, расположенные «ручка к ручке», поэтому силы нейтрализуются. Алюминиевые электроды, испаренные на вилки и находящиеся под ними микросхему, как управляют, так и воспринимают движение. Система отличается технологичностью и недорого. Кварц имеет стабильные размеры, система может быть точной.

Вилы поворачиваются вокруг оси рукоятки, колебания зубцов имеют тенденцию продолжаться в той же плоскости движения. Этому движению препятствовать электростатические силы электродов под зубьями. Путем измерения разницы в емкости между двумя зубцами вилки система может определить скорость углового движения.

Современные невоенные технологии (по состоянию на 2005 год) позволяют создавать небольшие твердотельные датчики, которые могут измерять движения человеческого тела. Эти устройства не имеют движущихся частей и весят около 50 граммов (2 унции).

Твердотельные устройства, использующие те же физические принципы, используются для стабилизации изображения в небольших камерах или видеокамерах. Они могут быть очень маленькими, около 5 миллиметров (0,20 дюйма), и созданный с использованием технологий микроэлектромеханических систем (MEMS).

MHD-датчик

Датчики на основе Магнитогидродинамические принципы могут быть использованы для измерения угловых скоростей.

МЭМС-гироскоп

МЭМС-гироскопы обычно используют эффект Кориолиса для измерения угловой скорости. Он состоит из резонирующей контрольной массы, установленной в кремнии. Гироскоп, в отличие от акселерометра, является активным датчиком. Пробную массу толкают в и вперед гребнями. Вращение гироскопа создает силуолиса, действующую на массу, что приводит к движению в другом направлении. Движение в этом направлении измеряется электродами и представляет собой скорость поворота.

Кольцевые лазерные гироскопы (RLG)

A кольцевые лазерные гироскопы разделяют луч лазерного света на два луча в противоположных направлениях через узкие туннели по замкнутому круговому оптическому пути по периметру треугольного блока из термостабильного стекла Cervit с отражающими зеркалами, расположенными в каждом углу. Когда гироскоп вращается с некоторой угловой скоростью, проходимое каждым лучом, становится разным - более короткий путь противоположен вращению. Фазовый сдвиг между двумя лучами может быть измерен интерферометром и пропорционален скорости вращения (эффект Саньяка ).

На практике при низких скоростях вращения выходная частота может упасть до нуля в результате обратного рассеяния, вызывающего синхронизацию и синхронизацию лучей. Это называется блокировкой или лазерной блокировкой. В результате интерференционная картина не меняется, и, следовательно, измерения не изменяются.

Чтобы разблокировать встречные световые лучи, лазерные гироскопы либо имеют независимые световые пути для двух направлений (обычно в волоконно-оптических гироскопах), либо лазерный гироскоп устанавливается на пьезоэлектрическом двигателе дизеринга, который быстро вибрирует. лазерное кольцо взад и вперед вокруг своей входной оси через зону фиксации для разделения световых волн.

Вибратор является наиболее точным, потому что оба световых луча используют один и тот же путь. Таким образом, лазерные гироскопы сохраняют движущиеся части, но не перемещаются так далеко.

Волоконно-оптические гироскопы (FOG)

В более поздней модификации оптического гироскопа, волоконно-оптический гироскоп, используется внешний лазер и два луча, идущие в противоположных направлениях (встречный -распространение) в длинных катушках (несколько километров) волоконно-оптической нити, при этом разность фаз двух лучей сравнивается после их прохождения через катушки волокна.

Базовый механизм, монохроматический лазерный свет, движущийся по противоположным путям, и эффект Саньяка, одинаков для ВОГ и RLG, но технические детали существенно отличаются в FOG по сравнению с более ранние лазерные гироскопы.

Точная намотка волоконно-оптической катушки необходима для обеспечения максимального сходства путей прохождения света в противоположных направлениях. Для FOG требуется более сложная калибровка, чем для лазерного кольцевого гироскопа, что делает разработку и производство FOG более сложной технической задачей, чем для RLG. Однако FOG не страдают от лазерной блокировки каких-либо низких скоростей и не содержат-каких-либо движущихся частей, увеличивающих максимальную потенциальную точность и срок службы тумана по сравнению с эквивалентным RLG.

Маятниковые акселерометры

Принцип разомкнутого контура акселерометр. Ускорение в направлении вверх вызывает отклонение массы вниз.

Базовый акселерометр с разомкнутым контуром из массы, прикрепленной к пружине. Масса вынуждена только двигаться на одной линии с пружиной. Ускорение вызывает отклонение массы, и измеряется расстояние с повреждением. Ускорение рассчитывается на основе значений отклонения, массы и жесткости пружины. Система также должна быть демпфирована, чтобы избежать колебаний. Акселерометр с замкнутым контуром обеспечивает более высокую производительность за счет использования контура обратной связи для отклонения, таким образом большую массу почти неподвижной. Всякий раз, когда масса отклоняется, контур обратной связи заставляет электрическую катушку прикладывать к массе столь же отрицательную силу, отменяя движение. Ускорение зависит от приложенной отрицательной силы. Масло перемещается, перемещается, нелинейность и демпфирующая система значительно снижается. Кроме того, этот акселерометр обеспечивает расширенную полосу пропускания сверх чувствительного элемента.

Оба типа акселерометров были изготовлены как интегрированное микромеханическое оборудование на кремниевых чипах.

Датчики TIMU (устройство измерения времени и инерции)

Отдел технологий микросистем (MTO) DARPA работает над программой Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing). для разработки микросхем блока синхронизации и инерциального измерения (TIMU), которые отслеживают абсолютное положение на одном кристалле без навигации с помощью GPS.

Micro-PNT с помощью высокоточных синхронизаторов интегрированных в IMU (блок инерциальных измерений), что делает его микросхемы устройства измерения времени и инерции. Микросхема TIMU объединяет 3-осевой ги, 3-осевой акселерометр и 3-осевой магнитометр вместе с высокоточными главными часами синхронизации, так что он может одновременно измерять отслеживаемое движение и комбинировать его синхронизацию по синхронизированным часам.

Метод

В одной форме навигационная система принимает линейные и угловые измерения из инерциальной системы координат и тела, соответственно, и вычисляют окончательное положение и положение в системе отсчета NED.

Блок-схема условий INS.JPG

Где: f - удельная сила, ω {\ displaystyle \ omega}\ omega - угловая скорость, a - ускорение, R - положение, R ˙ {\ displaystyle {\ dot { R}}}{\ dot R} и V - скорость, Ω {\ displaystyle \ Omega}\ Omega - угловая скорость Земли, g - ускорение свободного падения, Φ, λ {\ displaystyle \ Phi, \ lambda}\ Phi, \ lambda и h - параметры местоположения NED. Кроме того, супер / нижние индексы Е, I и В, представляющие переменные в Земли с центром, инерционные или Тело опорного кадра, соответственно, и С представляет собой преобразование опорных кадров.

Смотрите также

Ссылки

Дополнительная литература

  • Занетти, Ренато; d'Souza, Кристофер (2020), «Инерциальная навигация», Энциклопедия систем и управления, стр. 1–7, doi : 10.1007 / 978-1-4471-5102-9_100036-1, ISBN 978-1-4471-5102- 9
  • н.э. Король (1998). «Инерциальная навигация - сорок лет эволюции» (PDF). Обзор GEC. General Electric Company plc. 13(3): 140–149.
  • Э. v. Hinueber (iMAR Navigation) (2011 г.). «Разработка автономной системы отсчета положения самолета со средне точными гироскопами для более требований к ориентации». Инерционные датчики и системы - Симпозиум по гироскопическим технологиям, Карлсруэ / Германия. iMAR Navigation / DGON. 2011 .

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-24 14:29:49
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте