Tröghetsnavigeringssystem
Ett tröghetsnavigeringssystem ( INS ) är en navigationsenhet som använder rörelsesensorer ( accelerometrar ), rotationssensorer ( gyroskop ) och en dator för att kontinuerligt beräkna positionen , orienteringen och hastigheten (riktning och hastighet) för ett rörligt föremål utan behov av externa referenser. Ofta kompletteras tröghetssensorerna med en barometrisk höjdmätare och ibland med magnetiska sensorer ( magnetometrar ) och/eller hastighetsmätare. INS används på mobila robotar och på fordon som fartyg , flygplan , ubåtar , styrda missiler och rymdfarkoster . Andra termer som används för att hänvisa till tröghetsnavigeringssystem eller närbesläktade enheter inkluderar tröghetsstyrningssystem , tröghetsinstrument , tröghetsmätningsenhet (IMU) och många andra variationer. Äldre INS-system använde i allmänhet en tröghetsplattform som sin monteringspunkt på fordonet och termerna anses ibland vara synonyma.
Integraler i tidsdomänen kräver implicit en stabil och exakt klocka för kvantifiering av förfluten tid.
Översikt
Tröghetsnavigering är en fristående navigationsteknik där mätningar som tillhandahålls av accelerometrar och gyroskop används för att spåra ett objekts position och orientering i förhållande till en känd startpunkt, orientering och hastighet. Tröghetsmätenheter (IMU) innehåller typiskt tre ortogonala hastighetsgyroskop och tre ortogonala accelerometrar, som mäter vinkelhastighet respektive linjär acceleration. Genom att bearbeta signaler från dessa enheter är det möjligt att spåra en enhets position och orientering.
Tröghetsnavigering används i ett brett spektrum av tillämpningar inklusive navigering av flygplan, taktiska och strategiska missiler, rymdfarkoster, ubåtar och fartyg. Den är också inbäddad i vissa mobiltelefoner för att kunna hitta och spåra mobiltelefoner. De senaste framstegen inom konstruktionen av mikroelektromekaniska system (MEMS) har gjort det möjligt att tillverka små och lätta tröghetsnavigeringssystem. Dessa framsteg har breddat utbudet av möjliga tillämpningar till att omfatta områden som rörelsefångning av människor och djur .
Ett tröghetsnavigeringssystem inkluderar åtminstone en dator och en plattform eller modul som innehåller accelerometrar , gyroskop eller andra rörelseavkännande enheter. INS förses initialt med sin position och hastighet från en annan källa (en mänsklig operatör, en GPS-satellitmottagare, etc.) tillsammans med den initiala orienteringen och beräknar därefter sin egen uppdaterade position och hastighet genom att integrera information mottagen från rörelsesensorerna. Fördelen med en INS är att den inte kräver några externa referenser för att bestämma dess position, orientering eller hastighet när den väl har initierats.
En INS kan upptäcka en förändring i sin geografiska position (en rörelse österut eller norrut, till exempel), en förändring i dess hastighet (hastighet och rörelseriktning) och en förändring i dess orientering (rotation kring en axel). Den gör detta genom att mäta den linjära accelerationen och vinkelhastigheten som appliceras på systemet. Eftersom den inte kräver någon extern referens (efter initiering) är den immun mot störning och bedrägeri.
Tröghetsnavigeringssystem används i många olika rörliga föremål. Deras kostnad och komplexitet sätter dock begränsningar för de miljöer där de är praktiska att använda.
Gyroskop mäter sensorramens vinkelhastighet i förhållande till tröghetsreferensramen . Genom att använda systemets ursprungliga orientering i tröghetsreferensramen som initialtillstånd och integrera vinkelhastigheten är systemets aktuella orientering känd hela tiden. Detta kan ses som förmågan hos en passagerare med ögonbindel i en bil att känna bilen svänga åt vänster och höger eller luta upp och ner när bilen går uppför eller nedför backar. Enbart utifrån denna information vet passageraren vilken riktning bilen är vänd, men inte hur snabbt eller långsamt den rör sig, eller om den glider i sidled.
Accelerometrar mäter den linjära accelerationen av det rörliga fordonet i sensorn eller karossramen, men i riktningar som endast kan mätas i förhållande till det rörliga systemet (eftersom accelerometrarna är fixerade till systemet och roterar med systemet, men inte är medvetna om deras egen inriktning). Detta kan ses som förmågan hos en passagerare med ögonbindel i en bil att känna sig själv pressad tillbaka i sitt säte när fordonet accelererar framåt eller dras framåt när det saktar ner; och känner att de trycks ner i sitt säte när fordonet accelererar uppför en backe eller reser sig upp ur sitt säte när bilen passerar över toppen av en kulle och börjar sjunka. Enbart baserat på denna information vet de hur fordonet accelererar i förhållande till sig själv; det vill säga om det accelererar framåt, bakåt, vänster, höger, uppåt (mot bilens tak) eller nedåt (mot bilens golv), mätt i förhållande till bilen, men inte riktningen i förhållande till jorden, eftersom de gjorde det. inte veta vilken riktning bilen var vänd i förhållande till jorden när de kände accelerationerna.
Genom att spåra både systemets aktuella vinkelhastighet och den aktuella linjära accelerationen hos systemet uppmätt i förhållande till det rörliga systemet, är det emellertid möjligt att bestämma systemets linjära acceleration i tröghetsreferensramen. Att utföra integration på tröghetsaccelerationerna (med den ursprungliga hastigheten som utgångsvillkor) med hjälp av de korrekta kinematiska ekvationerna ger systemets tröghetshastigheter och integration igen (med den ursprungliga läget som utgångsvillkor) ger tröghetsläget. I vårt exempel, om passageraren med ögonbindel visste hur bilen var spetsig och vad dess hastighet var innan de fick ögonbindel, och om de kan hålla reda på både hur bilen har svängt och hur den har accelererat och bromsat sedan dess, då kan exakt veta bilens aktuella orientering, position och hastighet när som helst.
Drifthastighet
Alla tröghetsnavigeringssystem lider av integrationsdrift: små fel i mätningen av acceleration och vinkelhastighet integreras i successivt större fel i hastighet, som förvärras till ännu större fel i position. Eftersom den nya positionen beräknas från den tidigare beräknade positionen och den uppmätta accelerationen och vinkelhastigheten, ackumuleras dessa fel ungefär proportionellt mot tiden sedan den initiala positionen matades in. Även de bästa accelerometrarna, med ett standardfel på 10 mikro-g, skulle ackumulera ett 50-metersfel inom 17 minuter. Därför måste positionen periodiskt korrigeras genom inmatning från någon annan typ av navigationssystem.
Följaktligen används tröghetsnavigering vanligtvis för att komplettera andra navigationssystem, vilket ger en högre grad av noggrannhet än vad som är möjligt med användning av något enskilt system. Till exempel, om, vid markbunden användning, den tröghetsföljda hastigheten intermittent uppdateras till noll genom stopp, kommer positionen att förbli exakt under mycket längre tid, en så kallad nollhastighetsuppdatering . Särskilt inom flyg- och rymdfart används andra mätsystem för att fastställa INS-felaktigheter, t.ex. Honeywell LaseRefV tröghetsnavigeringssystem använder GPS och luftdatadatorutgångar för att upprätthålla erforderlig navigeringsprestanda . Navigeringsfelet ökar med den lägre känsligheten hos de sensorer som används. För närvarande utvecklas enheter som kombinerar olika sensorer, t.ex. attityd- och kursreferenssystem . Eftersom navigeringsfelet huvudsakligen påverkas av den numeriska integrationen av vinkelhastigheter och accelerationer, utvecklades tryckreferenssystemet för att använda en numerisk integration av vinkelhastighetsmätningarna.
Uppskattningsteori i allmänhet och Kalmanfiltrering i synnerhet, ger ett teoretiskt ramverk för att kombinera information från olika sensorer. En av de vanligaste alternativa sensorerna är en satellitnavigeringsradio som GPS , som kan användas för alla typer av fordon med direkt sikt mot himlen. Inomhusapplikationer kan använda stegräknare , avståndsmätningsutrustning eller andra typer av positionssensorer . Genom att korrekt kombinera informationen från ett INS och andra system ( GPS/INS ), är felen i position och hastighet stabila . Dessutom kan INS användas som en kortsiktig reserv medan GPS-signaler inte är tillgängliga, till exempel när ett fordon passerar en tunnel.
2011 blev GPS-störning på civil nivå ett statligt problem. Den relativa lättheten i förmågan att störa dessa system har motiverat militären att minska navigationsberoendet av GPS-teknik. Eftersom tröghetsnavigeringssensorer inte är beroende av radiosignaler till skillnad från GPS, kan de inte fastna.
År 2012 rapporterade forskare vid US Army Research Laboratory en tröghetsmätenhet bestående av mikroelektromekaniska triaxialaccelerometrar och triaxiala gyroskop med en arraystorlek på 10 som hade en Kalman -filteralgoritm för att uppskatta sensorns störningsparametrar (fel) och ammunition läge och hastighet. Varje array mäter sex datapunkter och systemet koordinerar data tillsammans för att leverera en navigeringslösning. Om en sensor konsekvent över- eller underskattar avståndet kan systemet justera och justera den skadade sensorns bidrag till den slutliga beräkningen.
Tillägget av den heuristiska algoritmen minskade ett flygs beräknade avståndsfel från 120m till 40m från det utsedda målet. Forskarna kopplade algoritmen med GPS eller radarteknik för att starta och underlätta navigeringsalgoritmen. Vid olika tillfällen under ammunitionens flygning skulle de avbryta spårningen och uppskatta noggrannheten av ammunitionens landning. Under en fyrtiosekunders flygning visade 10- och 20-talets tillgänglighet på hjälpmedel liten skillnad i fel eftersom båda var ungefär 35 m utanför målet. Ingen märkbar skillnad observerades när experiment ägde rum med 100 sensormatriser snarare än tio. Forskarna indikerar att dessa begränsade experimentella data betyder en optimering av navigationstekniken och en potentiell minskning av kostnaderna för militära system.
Historia
Tröghetsnavigeringssystem utvecklades ursprungligen för raketer . Den amerikanske raketpionjären Robert Goddard experimenterade med rudimentära gyroskopiska system. Goddards system var av stort intresse för samtida tyska pionjärer inklusive Wernher von Braun . Systemen kom in i mer utbredd användning med tillkomsten av rymdfarkoster , styrda missiler och kommersiella flygplan .
Tidiga tyska V2-styrsystem för andra världskriget kombinerade två gyroskop och en lateral accelerometer med en enkel analog dator för att justera azimuten för raketen under flygning. Analoga datorsignaler användes för att driva fyra grafitroder i raketavgaserna för flygkontroll. GN&C-systemet (Guidance, Navigation, and Control) för V2 gav många innovationer som en integrerad plattform med sluten kretsstyrning. I slutet av kriget konstruerade von Braun överlämnandet av 500 av sina främsta raketforskare, tillsammans med planer och testfordon, till amerikanerna. De anlände till Fort Bliss, Texas 1945 enligt bestämmelserna i Operation Paperclip och flyttades därefter till Huntsville, Alabama 1950 där de arbetade för USA:s armés raketforskningsprogram.
I början av 1950-talet ville den amerikanska regeringen isolera sig mot över beroende av det tyska laget för militära tillämpningar, inklusive utvecklingen av ett helt inhemskt missilstyrningsprogram. MIT Instrumentation Laboratory (senare att bli Charles Stark Draper Laboratory, Inc.) valdes av Air Force Western Development Division för att tillhandahålla ett självständigt styrsystem som backup till Convair i San Diego för den nya Atlas interkontinentala ballistiska missilen (konstruktion och testning slutfördes av Arma Division av AmBosch Arma). Den tekniska övervakaren för MIT-uppgiften var ingenjör Jim Fletcher, som senare fungerade som NASA-administratör. Atlas vägledningssystem skulle vara en kombination av ett ombord autonomt system och ett markbaserat spår- och ledningssystem. Det fristående systemet segrade slutligen i ballistiska missiler av uppenbara skäl. I rymdutforskningen finns en blandning av de två kvar.
Sommaren 1952 undersökte Dr. Richard Battin och Dr. J. Halcombe "Hal" Laning, Jr., beräkningsbaserade lösningar för vägledning och åtog sig det initiala analytiska arbetet med Atlas tröghetsvägledning 1954. Andra nyckelpersoner på Convair var Charlie Bossart, chefsingenjören, och Walter Schweidetzky, chef för vägledningsgruppen. Schweidetzky hade arbetat med von Braun i Peenemünde under andra världskriget.
Det initiala Delta-styrsystemet bedömde skillnaden i position från en referensbana. En hastighet att vinna (VGO) beräkning görs för att korrigera den aktuella banan med målet att köra VGO till noll. Matematiken i detta tillvägagångssätt var i grunden giltig, men föll på grund av utmaningarna i exakt tröghetsstyrning och analog datorkraft. De utmaningar som Delta-insatserna stod inför övervanns av Q-systemet (se Q-guidance ) med vägledning. Q-systemets revolution var att binda utmaningarna med missilstyrning (och tillhörande rörelseekvationer) i matrisen Q. Q-matrisen representerar de partiella derivatorna av hastigheten med avseende på positionsvektorn. En nyckelfunktion i detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för komponenterna i vektorkorsprodukten (v, xdv, /dt) att användas som de grundläggande autopilothastighetssignalerna - en teknik som blev känd som korsproduktstyrning . Q-systemet presenterades vid det första tekniska symposiet om ballistiska missiler som hölls på Ramo-Wooldridge Corporation i Los Angeles den 21 och 22 juni 1956. Q-systemet var hemligstämplad information under 1960-talet. Härledningar av denna vägledning används för dagens missiler.
Vägledning i mänsklig rymdfärd
I februari 1961 tilldelade NASA MIT ett kontrakt för preliminär designstudie av ett väglednings- och navigationssystem för Apollo-programmet . MIT och Delco Electronics Div. från General Motors Corp. tilldelades det gemensamma kontraktet för design och produktion av Apollo väglednings- och navigationssystem för kommandomodulen och månmodulen. Delco producerade IMUs ( tröghetsmätenheter ) för dessa system, Kollsman Instrument Corp. producerade de optiska systemen och Apollo Guidance Computer byggdes av Raytheon på underleverantör.
För rymdfärjan användes vägledning med öppen loop (ingen återkoppling) för att styra skytteln från lyft till Solid Rocket Booster (SRB) separation. Efter SRB-separering kallas den primära rymdfärjans vägledning PEG (Powered Explicit Guidance). PEG tar hänsyn till både Q-systemet och prediktor-korrigeringsattributen för det ursprungliga "Delta"-systemet (PEG Guidance). Även om många uppdateringar av Shuttles navigationssystem hade ägt rum under de senaste 30 åren (ex. GPS i OI-22-bygget), hade styrkärnan i Shuttle GN&C-systemet utvecklats lite. Inom ett bemannat system finns ett mänskligt gränssnitt som behövs för vägledningssystemet. Eftersom astronauter är kunden för systemet bildades många nya team som berör GN&C eftersom det är ett primärt gränssnitt för att "flyga" fordonet.
Tidig användning i flygplans tröghetsstyrning
Ett exempel på en populär INS för kommersiella flygplan var Delco Carousel , som gav partiell automatisering av navigering dagarna innan kompletta flygledningssystem blev vanligt. Karusellen tillät piloter att gå in i 9 waypoints åt gången och styrde sedan flygplanet från en waypoint till nästa med hjälp av en INS för att bestämma flygplanets position och hastighet. Boeing Corporation lade ut Delco Electronics Div. från General Motors för att designa och bygga de första produktionskarusellsystemen för de tidiga modellerna (-100, -200 och -300) av 747-flygplanen. 747:an använde tre karusellsystem som fungerade tillsammans för tillförlitlighetssyften. Karusellsystemet och derivat därav antogs senare för användning i många andra kommersiella och militära flygplan. USAF C-141 var det första militära flygplanet som använde karusellen i en dubbelsystemkonfiguration, följt av C-5A som använde trippel INS-konfigurationen, liknande 747:an. KC-135A-flottan var utrustad med en enda karusell IV -E-system som skulle kunna fungera som en fristående INS eller som kan få hjälp av AN/APN-81 eller AN/APN-218 Doppler-radar. Vissa specialuppdragsvarianter av C-135 var utrustade med dubbla Carousel IV-E INS. ARINC Characteristic 704 definierar INS som används i kommersiell flygtransport.
INS innehåller tröghetsmätenheter (IMU) som har vinkel- och linjäraccelerometrar (för positionsändringar); vissa IMU:er inkluderar ett gyroskopiskt element (för att upprätthålla en absolut vinkelreferens).
Vinkelaccelerometrar mäter hur fordonet roterar i rymden. I allmänhet finns det minst en sensor för var och en av de tre axlarna: stigning (nos upp och ner), girning (nos vänster och höger) och rullning (medurs eller moturs från sittbrunnen).
Linjära accelerometrar mäter icke-gravitationsaccelerationer av fordonet. Eftersom den kan röra sig i tre axlar (upp & ner, vänster & höger, framåt & bakåt) finns det en linjär accelerometer för varje axel.
En dator beräknar kontinuerligt fordonets aktuella position. För det första, för var och en av de sex frihetsgraderna (x,y,z och θ x , θ y och θ z ), integrerar den över tiden den avkända accelerationen, tillsammans med en uppskattning av gravitationen, för att beräkna den aktuella hastigheten. Sedan integrerar den hastigheten för att beräkna den aktuella positionen.
Tröghetsstyrning är svårt utan datorer. Önskan att använda tröghetsstyrning i Minuteman-missilen och Project Apollo drev tidiga försök att miniatyrisera datorer.
Tröghetsstyrningssystem kombineras numera vanligtvis med satellitnavigeringssystem genom ett digitalt filtreringssystem. Tröghetssystemet tillhandahåller korttidsdata, medan satellitsystemet korrigerar ackumulerade fel i tröghetssystemet.
Ett tröghetsstyrningssystem som kommer att fungera nära jordens yta måste innefatta Schuler-inställning så att dess plattform fortsätter att peka mot jordens mitt när ett fordon rör sig från plats till plats.
Grundläggande system
Kardanförsedda gyrostabiliserade plattformar
Vissa system placerar de linjära accelerometrarna på en kardanförsedd gyrostabiliserad plattform. Gimbals är en uppsättning av tre ringar, var och en med ett par lager initialt i rät vinkel . De låter plattformen vrida sig runt vilken rotationsaxel som helst (eller snarare låter de plattformen hålla samma orientering medan fordonet roterar runt den). Det finns två gyroskop (vanligtvis) på plattformen.
Två gyroskop används för att avbryta gyroskopisk precession , tendensen hos ett gyroskop att vrida sig i rät vinkel mot ett ingående vridmoment. Genom att montera ett par gyroskop (med samma rotationströghet och roterande med samma hastighet i motsatta riktningar) i räta vinklar upphävs precessioner och plattformen kommer att motstå vridning. [ citat behövs ]
Detta system gör att ett fordons rullnings-, stignings- och girvinklar kan mätas direkt vid kardanernas lager. Relativt enkla elektroniska kretsar kan användas för att summera de linjära accelerationerna, eftersom de linjära accelerometrarnas riktningar inte ändras.
Den stora nackdelen med detta system är att det använder många dyra precisionsmekaniska delar. Den har även rörliga delar som kan slitas ut eller fastna och är känslig för kardanlås . Det primära styrsystemet för rymdfarkosten Apollo använde en tre-axlig gyrostabiliserad plattform som matade data till Apollo Guidance Computer . Manövrar måste planeras noggrant för att undvika kardanlås.
Vätskeupphängda gyrostabiliserade plattformar
Kardanlåset begränsar manövreringen och det skulle vara fördelaktigt att eliminera kardanernas släpringar och lager. Därför använder vissa system vätskelager eller en flotationskammare för att montera en gyrostabiliserad plattform. Dessa system kan ha mycket hög precision (t.ex. Advanced Inertial Reference Sphere) . Som alla gyrostabiliserade plattformar fungerar detta system bra med relativt långsamma datorer med låg effekt.
Vätskelagren är kuddar med hål genom vilka trycksatt inert gas (som helium) eller olja pressar mot plattformens sfäriska skal. Vätskelagren är mycket hala och den sfäriska plattformen kan vridas fritt. Det finns vanligtvis fyra lagerkuddar, monterade i ett tetraedriskt arrangemang för att stödja plattformen.
I premiumsystem är vinkelsensorerna vanligtvis specialiserade transformatorspolar gjorda i en remsa på ett flexibelt kretskort . Flera spolremsor är monterade på stora cirklar runt det sfäriska skalet på den gyrostabiliserade plattformen. Elektronik utanför plattformen använder liknande remsformade transformatorer för att läsa av de varierande magnetfälten som produceras av transformatorerna lindade runt den sfäriska plattformen. Närhelst ett magnetfält ändrar form, eller rör sig, kommer det att skära av trådarna till spolarna på de externa transformatorremsorna. Skärningen genererar en elektrisk ström i de externa remsformade spolarna och elektroniken kan mäta den strömmen för att härleda vinklar.
Billiga system använder ibland streckkoder för att känna av orienteringar och använder solceller eller en enda transformator för att driva plattformen. Några små missiler har drivit plattformen med ljus från ett fönster eller optiska fibrer till motorn. Ett forskningsämne är att hänga upp plattformen med tryck från avgaser. Data returneras till omvärlden via transformatorerna, eller ibland lysdioder som kommunicerar med externa fotodioder .
Strapdown-system
Lättviktiga digitala datorer tillåter systemet att eliminera gimbals, vilket skapar strapdown- system, så kallade eftersom deras sensorer helt enkelt är fastspända på fordonet. Detta minskar kostnaden, eliminerar kardanlås , tar bort behovet av vissa kalibreringar och ökar tillförlitligheten genom att eliminera några av de rörliga delarna. Vinkelhastighetssensorer som kallas hastighetsgyron mäter fordonets vinkelhastighet.
Ett strapdown-system behöver ett dynamiskt mätområde flera hundra gånger det som krävs av ett kardansystem. Det vill säga att den måste integrera fordonets attitydförändringar i stigning, rullning och girning, samt grova rörelser. Kardansystem skulle vanligtvis klara sig bra med uppdateringshastigheter på 50–60 Hz. Men strapdown-system uppdaterar normalt cirka 2000 Hz. Den högre hastigheten behövs för att navigationssystemet ska kunna integrera vinkelhastigheten till en attityd exakt.
De inblandade datauppdateringsalgoritmerna ( riktningscosinus eller kvaternioner ) är för komplexa för att kunna utföras korrekt förutom med digital elektronik. Men digitala datorer är nu så billiga och snabba att hastighetsgyrosystem nu praktiskt kan användas och massproduceras. Apollo- månmodulen använde ett strapdown-system i sitt backup Abort Guidance System (AGS).
Strapdown-system används numera ofta i kommersiella och militära tillämpningar (flygplan, fartyg, ROV , missiler , etc.). Toppmoderna strapdown-system är baserade på ringlasergyroskop , fiberoptiska gyroskop eller hemisfäriska resonatorgyroskop . De använder digital elektronik och avancerade digitala filtreringstekniker som Kalman filter .
Rörelsebaserad uppriktning
Orienteringen av ett gyroskopsystem kan ibland också härledas helt enkelt från dess positionshistorik (t.ex. GPS). Detta är i synnerhet fallet med flygplan och bilar, där hastighetsvektorn vanligtvis innebär orienteringen av fordonskarossen.
Till exempel är Honeywells Align in Motion en initieringsprocess där initieringen sker medan flygplanet rör sig, i luften eller på marken . Detta uppnås med hjälp av GPS och ett tröghetstest av rimlighet, vilket gör att kommersiella dataintegritetskrav kan uppfyllas. Denna process har FAA-certifierats för att återställa ren INS-prestanda motsvarande stationära inriktningsprocedurer för civila flygtider upp till 18 timmar. Det undviker behovet av gyroskopbatterier på flygplan.
Vibrerande gyros
Billigare navigationssystem, avsedda för användning i bilar, kan använda ett gyroskop med vibrerande struktur för att upptäcka förändringar i kurs och vägmätarupptagningen för att mäta avstånd tillryggalagt längs fordonets spår. Den här typen av system är mycket mindre exakt än en avancerad INS, men den är tillräcklig för den typiska bilapplikationen där GPS är det primära navigationssystemet och dödräkning endast behövs för att fylla luckor i GPS-täckningen när byggnader eller terräng blockerar satelliten signaler.
Hemisfäriska resonatorgyron (vinglas eller svampgyron)
Om en stående våg induceras i en hemisfärisk resonansstruktur och sedan resonansstrukturen roteras, roterar den sfäriska harmoniska stående vågen genom en vinkel som skiljer sig från kvartsresonatorstrukturen på grund av Corioliskraften. Rörelsen av det yttre höljet med avseende på det stående vågmönstret är proportionell mot den totala rotationsvinkeln och kan avkännas av lämplig elektronik. Systemresonatorerna är bearbetade av smält kvarts på grund av dess utmärkta mekaniska egenskaper. Elektroderna som driver och känner av de stående vågorna avsätts direkt på separata kvartsstrukturer som omger resonatorn. Dessa gyron kan fungera i antingen ett helvinkelläge (vilket ger dem nästan obegränsad hastighetskapacitet) eller ett kraftombalanseringsläge som håller den stående vågen i en fast orientering med avseende på gyrohuset (vilket ger dem mycket bättre noggrannhet).
Detta system har nästan inga rörliga delar och är mycket exakt. Men det är fortfarande relativt dyrt på grund av kostnaden för precisionsslipade och polerade ihåliga kvartshalvor. Northrop Grumman tillverkar för närvarande IMU ( tröghetsmätningsenheter ) för rymdfarkoster som använder HRG. Dessa IMU:er har visat extremt hög tillförlitlighet sedan de började användas 1996. Safran tillverkar ett stort antal HRG- baserade tröghetssystem dedikerade till ett brett spektrum av applikationer.
Kvartshastighetssensorer
Dessa produkter inkluderar "stämgaffelgyron". Här är gyrot utformat som en elektroniskt driven stämgaffel, ofta tillverkad av en enda bit kvarts eller kisel. Sådana gyron fungerar i enlighet med den dynamiska teorin att när en vinkelhastighet appliceras på en förflyttande kropp genereras en Corioliskraft .
Detta system är vanligtvis integrerat på ett silikonchip. Den har två massbalanserade kvartsstämgafflar, arrangerade "handtag-till-handtag" så att krafterna avbryter. Aluminiumelektroder förångades på gafflarna och det underliggande chippet både driver och känner av rörelsen. Systemet är både tillverkningsbart och billigt. Eftersom kvarts är formstabilt kan systemet vara exakt.
När gafflarna vrids kring handtagets axel tenderar pinnarnas vibrationer att fortsätta i samma rörelseplan. Denna rörelse måste motstås av elektrostatiska krafter från elektroderna under pinnarna. Genom att mäta skillnaden i kapacitans mellan de två pinnarna på en gaffel, kan systemet bestämma hastigheten på vinkelrörelsen.
Nuvarande toppmodern icke-militär teknologi (från 2005) kan bygga små solid-state sensorer som kan mäta människokroppens rörelser. Dessa enheter har inga rörliga delar och väger cirka 50 gram (2 ounces).
Solid-state-enheter som använder samma fysiska principer används för bildstabilisering i små kameror eller videokameror. Dessa kan vara extremt små, runt 5 millimeter (0,20 tum) och är byggda med för mikroelektromekaniska system (MEMS).
MHD sensor
Sensorer baserade på magnetohydrodynamiska principer kan användas för att mäta vinkelhastigheter.
MEMS gyroskop
MEMS-gyroskop förlitar sig vanligtvis på Coriolis-effekten för att mäta vinkelhastighet. Den består av en resonanssäker massa monterad i kisel. Gyroskopet är, till skillnad från en accelerometer, en aktiv sensor. Provmassan skjuts fram och tillbaka genom att driva kammar. En rotation av gyroskopet genererar en Corioliskraft som verkar på massan vilket resulterar i en rörelse i en annan riktning. Rörelsen i denna riktning mäts av elektroder och representerar vridhastigheten.
Ringlasergyron (RLG)
Ett ringlasergyro delar upp en laserstråle i två strålar i motsatta riktningar genom smala tunnlar i en sluten cirkulär optisk bana runt omkretsen av ett triangulärt block av temperaturstabilt Cervit -glas med reflekterande speglar placerade i varje hörn. När gyrot roterar med en viss vinkelhastighet, kommer avståndet som varje stråle åker att skilja sig – den kortare vägen är motsatt rotationen. Fasförskjutningen mellan de två strålarna kan mätas med en interferometer och är proportionell mot rotationshastigheten ( Sagnac-effekten) .
I praktiken, vid låga rotationshastigheter, kan utfrekvensen sjunka till noll som ett resultat av tillbakaspridning som får strålarna att synkronisera och låsa ihop. Detta är känt som ett låsning eller laserlås . Resultatet är att det inte sker någon förändring i interferensmönstret och därför ingen mätförändring.
För att låsa upp de motroterande ljusstrålarna har lasergyron antingen oberoende ljusvägar för de två riktningarna (vanligtvis i fiberoptiska gyron), eller så är lasergyrot monterat på en piezoelektrisk vibrationsmotor som snabbt vibrerar laserringen fram och tillbaka kring sin ingångsaxel genom låsningsområdet för att frikoppla ljusvågorna.
Shakern är den mest exakta, eftersom båda ljusstrålarna använder exakt samma väg. Lasergyron håller alltså kvar rörliga delar, men de rör sig inte så långt.
Fiberoptiska gyros (FOG)
En nyare variant av det optiska gyroskopet, det fiberoptiska gyroskopet , använder en extern laser och två strålar som går i motsatta riktningar (mot-utbredning) i långa spolar (flera kilometer) av fiberoptiska glödtrådar, med fasskillnaden mellan de två strålarna jämfört med efter deras färd genom fiberspolarna.
Den grundläggande mekanismen, monokromatiskt laserljus som rör sig i motsatta banor och Sagnac-effekten , är densamma i en FOG och en RLG, men de tekniska detaljerna är väsentligt annorlunda i FOG jämfört med tidigare lasergyron.
Exakt lindning av den fiberoptiska spolen krävs för att säkerställa att vägarna som ljuset tar i motsatta riktningar är så lika som möjligt. FOG kräver mer komplexa kalibreringar än ett laserringgyro, vilket gör utvecklingen och tillverkningen av FOG:s mer tekniskt utmanande än för en RLG. Däremot lider inte FOGs av laserlås vid låga hastigheter och behöver inte innehålla några rörliga delar, vilket ökar den maximala potentiella noggrannheten och livslängden för en FOG över en likvärdig RLG.
Pendlar accelerometrar
Den grundläggande accelerometern med öppen slinga består av en massa fäst vid en fjäder. Massan är begränsad att röra sig endast i linje med fjädern. Acceleration orsakar avböjning av massan och offsetavståndet mäts. Accelerationen härleds från värdena för avböjningsavstånd, massa och fjäderkonstanten. Systemet måste också dämpas för att undvika svängningar. En accelerometer med sluten slinga uppnår högre prestanda genom att använda en återkopplingsslinga för att avbryta avböjningen, vilket håller massan nästan stationär. Närhelst massan avböjer, orsakar återkopplingsslingan en elektrisk spole att applicera en lika negativ kraft på massan, vilket avbryter rörelsen. Accelerationen härleds från mängden negativ kraft som appliceras. Eftersom massan knappt rör sig, reduceras effekterna av icke-linjäriteter hos fjädern och dämpningssystemet avsevärt. Dessutom ger denna accelerometer ökad bandbredd utöver den naturliga frekvensen för avkänningselementet.
Båda typerna av accelerometrar har tillverkats som integrerade mikromaskiner på silikonchips.
TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit) sensorer
DARPAs Microsystems Technology Office (MTO)-avdelning arbetar på ett Micro-PNT-program (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) för att designa Timing & Inertial Measurement Unit (TIMU)-chips som gör absolut positionsspårning på ett enda chip utan GPS-stödd navigering.
Micro-PNT lägger till en mycket noggrann mastertidklocka integrerad i ett IMU (Inertial Measurement Unit)-chip, vilket gör det till ett Timing & Inertial Measurement Unit-chip. Ett TIMU-chip integrerar 3-axligt gyroskop, 3-axligt accelerometer och 3-axligt magnetometer tillsammans med en mycket noggrann mastertidklocka, så att den samtidigt kan mäta den spårade rörelsen och kombinera den med timing från den synkroniserade klockan.
Metod
I en form förvärvar ekvationsnavigationssystemet linjära och vinkelmätningar från tröghets- respektive kroppsramen och beräknar den slutliga attityden och positionen i NED- referensramen .
Där: f är specifik kraft, är vinkelhastighet, a är acceleration, R är position, och V är hastighet, är jordens vinkelhastighet, g är accelerationen på grund av gravitationen, och h är NED-platsparametrarna. Dessutom representerar super/subscripts av E, I och B variabler i jordcentrerad, tröghets- eller kroppsreferensram, respektive och C är en transformation av referensramar.
Se även
- Adam Air Flight 574
- Attitydkontroll
- Död räkning
- Fiberoptiskt gyroskop
- Globus navigationssystem
- Vägledningssystem
- Hemisfäriskt resonatorgyroskop
- Kalman filter
- Korean Air Lines Flight 007
- LN-3 tröghetsnavigationssystem
- PIGA accelerometer
- Kvantkompass
- Hastighetsintegrerande gyroskop
- Ringlasergyroskop
- Schuler tuning
- Rymdskepp
Vidare läsning
- Zanetti, Renato; d'Souza, Christopher (2020), "Inertial Navigation", Encyclopedia of Systems and Control , s. 1–7, doi : 10.1007/978-1-4471-5102-9_100036-1 , ISBN 978-1-44071-510 -9
- AD King (1998). "Tröghetsnavigering – fyrtio år av evolution" (PDF) . GEC Review . General Electric Company plc . 13 (3): 140–149.
- E. v. Hinueber (iMAR Navigation) (2011). "Design av ett attitydreferenssystem för flygplan utan hjälp med medelexakta gyroskop för attitydkrav med högre prestanda". Tröghetssensorer och -system – Symposium Gyro Technology, Karlsruhe / Tyskland . iMAR Navigation / DGON. 2011 .
externa länkar
- Funktionsprincipen för en accelerometer
- Översikt över tröghetsinstrumenttyper
- Oxford Technical Solutions Tröghetsnavigeringsguide
- Lista över tröghetsnavigeringssystem med öppen källkod
- Inverkan av tröghetssensorfel på tröghetsnavigationssystemets position och attitydfel
- Introduktion till tröghetsnavigeringssystem i UAV/Drone-applikationer