Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с инерционного наведения )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Инерциальное навигационное устройство 1950-х годов, разработанное в Массачусетском технологическом институте.

Инерциальная навигационная система ( ИНС ) представляет собой навигационное устройство , которое использует компьютер , датчики движения ( акселерометров ) и датчики вращения ( гироскопы ) непрерывно рассчитать по счислению положение, ориентацию, и скорость (направление и скорость движения) из движущийся объект без внешних ссылок. [1] Часто инерционные датчики дополняются барометрическим высотомером, а иногда и магнитными датчиками ( магнитометрами ) и / или устройствами измерения скорости. ИНС используются на мобильных роботах [2] [3]и на транспортных средствах, таких как корабли , самолеты , подводные лодки , управляемые ракеты и космические корабли . [4] Другие термины, используемые для обозначения инерциальных навигационных систем или близких к ним устройств, включают 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 точности различных навигационных систем. Радиус круга указывает на точность. Меньший радиус соответствует большей точности.

Обзор [ править ]

Инерциальная навигация - это автономный метод навигации, в котором измерения, обеспечиваемые акселерометрами и гироскопами, используются для отслеживания положения и ориентации объекта относительно известной 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. Обработка сигналов от этих устройств позволяет отслеживать положение и ориентацию устройства.

Инерциальная навигация используется в широком спектре 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 отслеживания мобильных телефонов [5] [6] Последние достижения в создании микроэлектромеханических систем (MEMS) сделали возможным производство небольших и легких инерциальных навигационных систем. Эти достижения расширили диапазон возможных приложений, включив такие области, как захват движений человека и животных .

Инерциальная навигационная система включает в себя, по меньшей мере, компьютер и платформу или модуль, содержащий акселерометры , гироскопы или другие устройства обнаружения движения. INS изначально получает информацию о своем местоположении и скорости от другого источника (человек-оператор, спутниковый приемник GPS и т. Д.) Вместе с исходной ориентацией, а затем вычисляет свое собственное обновленное положение и скорость, интегрируя информацию, полученную от датчиков движения. Преимущество INS состоит в том, что он не требует внешних ссылок для определения своего положения, ориентации или скорости после инициализации.

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

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

Гироскопы измеряют угловую скорость корпуса датчика относительно инерциальной системы отсчета . Используя исходную ориентацию системы в инерциальной системе отсчета в качестве начального условия и интегрируя угловую скорость, текущая ориентация системы известна в любое время. Это можно представить как способность пассажира с завязанными глазами чувствовать, 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 движущегося транспортного средства в датчике или раме корпуса, но в направлениях, которые могут быть измерены только относительно движущейся системы (поскольку акселерометры прикреплены к системе и вращаются вместе с системой, но не знают о своем собственная ориентация). 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 ускоряется в гору или поднимается со своего места, когда автомобиль проезжает по гребню холма и начинает спуск. Основываясь только на этой информации, он знает, как транспортное средство ускоряется относительно себя, то есть ускоряется ли оно вперед, назад, влево, вправо, вверх (к потолку автомобиля),или вниз (к полу машины), измеренный относительно машины, 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 системы, измеренное относительно 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 уравненийдает инерционные скорости системы, а повторное интегрирование (используя исходное положение в качестве начального условия) дает инерциальное положение. В нашем примере, если пассажир с завязанными глазами знал, как была направлена ​​машина и какова была ее скорость до того, как ему завязали глаза, и если он может отслеживать как поворачивалась машина, так и то, как она ускорялась и замедлялась с тех пор, тогда он может точно знать текущую ориентацию, положение и скорость автомобиля в любое время.

Скорость дрейфа [ править ]

Все инерциальные навигационные системы страдают от интегрального дрейфа: небольшие ошибки в измерении ускорения и угловой скорости интегрируются во все более крупные ошибки скорости, которые усугубляются еще большими ошибками в определении местоположения. [7] [8] Поскольку новое положение вычисляется на основе предыдущего вычисленного положения и измеренных ускорений и угловой скорости, эти ошибки накапливаются примерно пропорционально времени, прошедшему с момента ввода исходного положения. Даже лучшие акселерометры со стандартной погрешностью 10 мкг будут накапливать ошибку 50 метров в течение 17 минут. [9] Следовательно, положение необходимо периодически корректировать, вводя данные от навигационной системы другого типа.

Соответственно, инерциальная навигация обычно используется в дополнение к другим навигационным системам, обеспечивая более высокую степень точности, чем это возможно при использовании любой отдельной системы. Например, если при наземном использовании инерционно отслеживаемая скорость периодически обновляется до нуля путем остановки, положение будет оставаться точным в течение гораздо более длительного времени, так называемое обновление нулевой скорости . В частности, в аэрокосмической отрасли для определения неточностей INS используются другие системы измерения, например, инерциальные навигационные системы Honeywell LaseRefV используют выходные данные компьютера GPS и данных о воздухе для поддержания требуемых навигационных характеристик. Погрешность навигации увеличивается с меньшей чувствительностью используемых датчиков. В настоящее время разрабатываются устройства, объединяющие различные датчики, например, системы ориентации и курса . Поскольку на ошибку навигации в основном влияет численное интегрирование угловых скоростей и ускорений, система отсчета давления была разработана для использования одного численного интегрирования измерений угловой скорости.

Теория оценивания в целом и фильтрация Калмана в частности [10] обеспечивают теоретическую основу 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 могут использоваться шагомеры , оборудование для измерения расстояния или другие типы датчиков положения . Правильно комбинируя информацию от INS и других систем ( GPS / INS ), ошибки положения и скорости остаются стабильными.. Кроме того, INS можно использовать в качестве краткосрочного отката, когда сигналы GPS недоступны, например, когда транспортное средство проезжает через туннель.

В 2011 году глушение GPS на гражданском уровне стало проблемой правительства. [11] Относительная легкость в возможности подавить эти системы побудила военных уменьшить зависимость навигации от технологии GPS. [12] Поскольку инерциальные навигационные датчики не зависят от радиосигналов, в отличие от GPS, они не могут быть заблокированы. [13] В 2012 году исследователи из Исследовательской лаборатории армии США сообщили об инерционном измерительном блоке, состоящем из трехосных акселерометров с микроэлектромеханической системой и трехосных гироскопов с размером массива 10, которые имели алгоритм фильтра Калмана для оценки мешающих параметров датчика (ошибки ), а также положение и скорость боеприпаса. [12]Каждый массив измеряет шесть точек данных, и система координирует данные вместе, чтобы предоставить решение для навигации. Если один датчик постоянно превышает или недооценивает расстояние, система может отрегулировать, корректируя вклад поврежденного датчика в окончательный расчет. [14]

Добавление эвристического алгоритма уменьшило ошибку расчетной дальности полета со 120 м до 40 м от обозначенной цели. Исследователи объединили алгоритм с GPS или радарной технологией для инициализации и помощи алгоритму навигации. В различные моменты полета боеприпаса они прекращали слежение и оценивали точность приземления боеприпаса. В сорокасекундном полете, 10 и 20 секунд доступности помощи продемонстрировали небольшую разницу в ошибке, так как оба были примерно в 35 метрах от цели. Никакой заметной разницы не наблюдалось, когда эксперименты проводились со 100 матрицами датчиков, а не с десятью. [12] Исследователи указывают, что эти ограниченные экспериментальные данные означают оптимизацию навигационных технологий и потенциальное снижение стоимости военных систем. [14]

История [ править ]

Инерциальные навигационные системы изначально разрабатывались 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 .

Ранние немецкие системы наведения времен Второй мировой войны V2 сочетали в себе два гироскопа и боковой акселерометр с простым аналоговым компьютером для регулировки азимута ракеты в полете. Аналоговые компьютерные сигналы использовались для управления четырьмя графитовыми рулями в выхлопе ракеты для управления полетом. Система GN&C (Guidance, Navigation and Control) для V2 представила множество инноваций в виде интегрированной платформы с замкнутым циклом управления. В конце войны фон Браун спроектировал передачу американцам 500 своих ведущих ученых-ракетчиков вместе с планами и испытательными машинами. Они прибыли в Форт-Блисс, штат Техас, в 1945 году в рамках операции «Скрепка».и впоследствии были переведены в Хантсвилл, штат Алабама , в 1950 году [15], где они работали в программах ракетных исследований армии США.

В начале 1950-х годов правительство США хотело обезопасить себя от чрезмерной зависимости от немецкой команды в военных приложениях, включая разработку полностью внутренней программы наведения ракет. Лаборатория приборостроения Массачусетского технологического института (позже получившая название Charles Stark Draper Laboratory , Inc.) была выбрана Западным отделом разработки ВВС для обеспечения автономной системы наведения для Convair в Сан-Диего для новой межконтинентальной баллистической ракеты Atlas [16]. [17] [18] [19](Строительство и испытания были выполнены подразделением Arma компании AmBosch Arma). Техническим наблюдателем за выполнением задачи Массачусетского технологического института был молодой инженер по имени Джим Флетчер, который позже работал администратором НАСА. Система наведения Atlas должна была представлять 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 д-р Ричард Баттин и д-р Дж. Холкомб «Хэл» Лэнинг-младший исследовали решения на основе вычислений для управления и в 1954 г. провели первоначальную аналитическую работу по инерционному наведению Атласа. Другими ключевыми фигурами в Convair были Чарли Боссарт, главный инженер, и Вальтер Швейдецки, руководитель группы руководства. Швейдецкий работал с фон Брауном в Пенемюнде во время Второй мировой войны.

Исходная система управления Delta 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, были преодолены системой Q (см. Руководство Q) руководства. Революция системы Q заключалась в том, чтобы связать задачи наведения ракеты (и соответствующие уравнения движения) в матрице Q. Матрица Q представляет собой частные производные скорости по отношению к вектору положения. Ключевая особенность этого подхода позволила использовать компоненты векторного векторного произведения (v, xdv, / dt) в качестве основных сигналов скорости автопилота - метод, который стал известен как управление перекрестным произведением . Q-система была представлена ​​на первом техническом симпозиуме по баллистическим ракетам, который проводился в Ramo-Wooldridge Corporation в Лос-Анджелесе 21 и 22 июня 1956 года. Система Q была секретной информацией в течение 1960-х годов. Выводы этого наведения используются для современных ракет.

Руководство в полете человека в космос [ править ]

В феврале 1961 года НАСА заключило с Массачусетским технологическим институтом контракт на предварительное исследование системы наведения и навигации для Аполлона. Массачусетский технологический институт и подразделение Delco Electronics Div. компании General Motors Corp. получили совместный контракт на разработку 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 компьютер управления Apollo был построен Raytheon по субподряду (см. Бортовую систему наведения, навигации и управления Apollo, Dave Hoag, International Конференция посвящения Зала славы космоса в Аламогордо, штат Нью-Мексико, октябрь 1976 г. [20] ).

Для космического корабля "Шаттл" использовалось наведение разомкнутого контура (без обратной связи), чтобы вести "Шаттл" от старта 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 много обновлений навигационной системы Shuttle (например, GPS в сборке OI-22), ядро ​​наведения системы Shuttle GN&C 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 GN&C, поскольку она является основным интерфейсом для "полета" на аппарате.

Инерциальное наведение самолета [ править ]

Одним из примеров популярной INS для коммерческих самолетов была Delco Carousel , которая обеспечивала частичную автоматизацию навигации еще до появления полных систем управления полетом.стало обычным явлением. Карусель позволяла пилотам вводить 9 путевых точек одновременно, а затем направлять самолет от одной путевой точки к другой, используя INS 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. В Боинге 747 для обеспечения надежности использовались три системы карусели, работающие согласованно. 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, использовавшим карусель в конфигурации с двумя системами, за ним последовал C-5A, который использовал конфигурацию с тремя INS, аналогичную 747.Флот KC-135 был оснащен двойной системой карусели, которой помогал доплеровский радар. Параметр ARINC 704 определяет ИНС, используемую на коммерческом воздушном транспорте.

Подробнее об инерциальных навигационных системах [ править ]

Инерциальный навигационный блок французской БРСД S3 .

INS содержат блоки инерциальных измерений (IMU), которые имеют угловые и линейные акселерометры (для изменения положения); некоторые IMU включают гироскопический элемент (для поддержания абсолютного углового отсчета).

Угловые акселерометры измеряют, как автомобиль вращается в пространстве. Как правило, существует 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 [21] транспортного средства. Поскольку он может перемещаться 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 для вычисления текущего положения.

Инерциальное наведение сложно без компьютеров. Желание использовать инерционное наведение в ракете Minuteman и в проекте Apollo привело к ранним попыткам миниатюризации компьютеров.

Инерционные системы наведения теперь обычно объединяются со спутниковыми навигационными системами через систему цифровой фильтрации. Инерциальная система предоставляет краткосрочные данные, а спутниковая система исправляет накопленные ошибки инерциальной системы.

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

Базовые схемы [ править ]

Подвесные гиростабилизированные платформы [ править ]

В некоторых системах линейные акселерометры размещаются на карданной гиростабилизированной платформе. В шарнирах представляют собой набор из трех колец, каждые с парой подшипников первоначально под прямым углом. Они позволяют платформе вращаться вокруг любой оси вращения (или, скорее, они позволяют платформе сохранять ту же ориентацию, пока транспортное средство вращается вокруг нее). На платформе (обычно) два гироскопа .

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

Эта система позволяет измерять углы крена, тангажа и рыскания транспортного средства непосредственно на подшипниках подвесов. 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. У него также есть движущиеся части, которые могут изнашиваться или заклиниваться и уязвимы для блокировки кардана . Первичная система наведения на космическом корабле Apollo использовала Гиростабилизированную платформу три оси, подавая данные в Apollo Guidance Computer . Маневры нужно было тщательно планировать, чтобы избежать блокировки кардана.

Гиростабилизированные платформы с гидравлической подвеской [ править ]

Блокировка кардана ограничивает маневрирование, поэтому было бы полезно удалить контактные кольца и подшипники карданов. Поэтому в некоторых системах для установки гиростабилизированной платформы используются жидкостные подшипники или плавучая камера. Эти системы могут иметь очень высокую точность (например, Advanced Inertial Reference Sphere ). Как и все гиростабилизированные платформы, эта система хорошо работает с относительно медленными компьютерами с низким энергопотреблением.

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

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

В дешевых системах иногда используются штрих-коды для определения ориентации и используются солнечные батареи или единственный трансформатор для питания платформы. Некоторые небольшие ракеты питали платформу светом из окна или оптоволоконным кабелем, идущим к двигателю. Тема исследования - подвесить платформу давлением выхлопных газов. Данные возвращаются во внешний мир через трансформаторы или иногда светодиоды, связывающиеся с внешними фотодиодами .

Бесплатформенные системы [ править ]

Легкие цифровые компьютеры позволяют системе устранять подвесы, создавая бесплатформенные системы, названные так потому, что их датчики просто привязаны к транспортному средству. Это снижает стоимость, устраняет блокировку кардана , устраняет необходимость в некоторых калибровках и повышает надежность за счет устранения некоторых движущихся частей. Датчики угловой скорости, называемые гироскопами, измеряют угловую скорость транспортного средства.

Бесплатформенной системе требуется динамический диапазон измерений в несколько сотен раз больше, чем требуется для подвесной системы. То есть он должен учитывать изменения положения транспортного средства по тангажу, крену и рысканью, а также грубые движения. Системы с подвесом обычно хорошо работают с частотой обновления 50–60 Гц. Однако бесплатформенные системы обычно обновляют около 2000 Гц. Более высокая скорость необходима для того, чтобы навигационная система могла 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 цифровой электроники. Однако цифровые компьютеры сейчас настолько недороги и быстры, что гироскопические системы теперь можно практически использовать и производить массово. Лунный модуль Apollo использовал бесплатформенную систему в своей резервной системе Abort Guidance System (AGS).

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

Выравнивание на основе движения [ править ]

Ориентацию гироскопической системы иногда также можно определить просто из истории ее положения (например, GPS). Это, в частности, касается самолетов и автомобилей, где вектор скорости обычно подразумевает ориентацию кузова транспортного средства.

Например, « Выравнивание в движении» компании Honeywell [22] - это процесс инициализации, при котором инициализация происходит во время движения самолета в воздухе или на земле. Это достигается с помощью GPS и теста инерционной разумности, что позволяет удовлетворить требования к целостности коммерческих данных. Этот процесс был сертифицирован FAA для восстановления чистых характеристик INS, эквивалентных процедурам стационарного выравнивания для гражданских полетов продолжительностью до 18 часов. Это позволяет избежать использования батарей гироскопа на борту самолета.

Вибрационные гироскопы [ править ]

Основная статья: гироскоп с вибрирующей структурой

Менее дорогие навигационные системы, предназначенные для использования в автомобилях, могут использовать гироскоп с вибрирующей структурой для обнаружения изменений курса и датчик одометра для измерения пройденного расстояния вдоль пути транспортного средства. Этот тип системы намного менее точен, чем INS более высокого уровня, но он подходит для типичного автомобильного применения, где GPS является основной навигационной системой, а точный расчет необходим только для заполнения пробелов в покрытии GPS, когда здания или местность блокируют спутник. сигналы.

Гироскопы с полусферическими резонаторами (бокалы для вина или гироскопы-грибы) [ править ]

Основная статья: Полусферический резонаторный гироскоп

Если стоячая волна индуцируется в полусферической резонансной структуре, а затем резонансная структура вращается, сферическая гармоническая стоячая волна вращается на угол, отличный от кварцевой резонаторной структуры, из-за силы Кориолиса. Движение внешнего корпуса относительно формы стоячей волны пропорционально общему углу поворота и может быть обнаружено соответствующей электроникой. Резонаторы системы изготовлены из плавленого кварца.благодаря отличным механическим свойствам. 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 практически неограниченные возможности скорости), либо в режиме перебалансировки сил, который удерживает стоячую волну в фиксированной ориентации относительно корпуса гироскопа (что дает им гораздо 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 продемонстрировали чрезвычайно высокую надежность с момента их первоначального использования в 1996 году. [23] Safran производит большое количество инерциальных систем на основе HRG , предназначенных для широкого спектра применений. [24]

Кварцевые датчики скорости [ править ]

Кварцевый датчик скорости внутри вертолета модели E-Sky

Эти продукты включают «гироскопы с камертонами». Здесь гироскоп выполнен в виде камертона с электронным управлением, который часто изготавливается из цельного куска кварца 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 находящуюся под ними микросхему, как управляют, так и воспринимают движение. Система удобна в изготовлении и недорога. Поскольку кварц имеет стабильные размеры, система может быть точной.

Поскольку вилы поворачиваются вокруг оси рукоятки, вибрация зубцов имеет тенденцию продолжаться в той же плоскости движения. Этому движению должны противодействовать электростатические силы электродов под стойками. Измеряя разницу в емкости между двумя зубьями 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 построены с использованием технологий микроэлектромеханических систем (MEMS). [25]

Датчик MHD [ править ]

Основная статья: MHD-датчик

Датчики, основанные на принципах магнитогидродинамики, могут использоваться для измерения угловых скоростей.

Гироскоп MEMS [ править ]

Гироскоп MEMS
Основная статья: гироскоп MEMS

Гироскопы MEMS 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 взад и вперед гребнями. Вращение гироскопа создает силу Кориолиса, действующую на массу, что приводит к движению в другом направлении. Движение в этом направлении измеряется электродами и представляет собой скорость поворота. [26]

Кольцевые лазерные гироскопы (RLG) [ править ]

Кольцевой лазерный гироскоп
Основная статья: Кольцевой лазерный гироскоп

Кольцевой лазерный гироскоп разделяет луч лазерного света на два луча в противоположных направлениях через узкие туннели по замкнутому круговому оптическому пути по периметру треугольного блока из термостойкого стекла Cervit с отражающими зеркалами, расположенными в каждом углу. Когда гироскоп вращается с некоторой угловой скоростью, расстояние, пройденное каждым лучом, будет отличаться - более короткий путь противоположен вращению. Сдвиг фазы 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 картина интерференции не меняется, и, следовательно, измерения не изменяются.

Чтобы разблокировать встречно вращающиеся световые лучи, лазерные гироскопы либо имеют независимые световые пути для двух направлений (обычно в оптоволоконных гироскопах), либо лазерный гироскоп установлен на пьезоэлектрическом двигателе дизеринга, который быстро вибрирует лазерное кольцо вперед и назад. вокруг своей входной оси через зону фиксации, чтобы развязать световые волны.

Шейкер 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) [ править ]

Основная статья: Волоконно-оптический гироскоп

В более позднем варианте оптического гироскопа, волоконно-оптическом гироскопе , используется внешний лазер и два луча, идущие в противоположных направлениях (распространяющиеся в противоположных направлениях) в длинных катушках (несколько километров) волоконно-оптической нити, при этом разница фаз двух лучей сравнивается после их прохождения через катушки с волокном.

Базовый механизм, монохроматический лазерный свет, движущийся по противоположным путям, и эффект Саньяка , одинаков в ВОГ и RLG, но технические детали существенно отличаются в ВОГ по сравнению с более ранними лазерными гироскопами.

Точная намотка волоконно-оптической катушки необходима для обеспечения максимально возможного 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. Тем не менее, FOG не страдает от лазерной блокировки на низких скоростях и не нуждается в каких-либо движущихся частях, что увеличивает максимальную потенциальную точность и срок службы FOG по сравнению с эквивалентным RLG.

Маятниковые акселерометры [ править ]

Принцип работы акселерометра без обратной связи . Ускорение в направлении вверх заставляет массу отклоняться вниз.

Базовый акселерометр с разомкнутым контуром состоит из груза, прикрепленного к пружине. Масса вынуждена двигаться только вдоль пружины. Ускорение вызывает отклонение массы, и измеряется расстояние смещения. Ускорение рассчитывается на основе значений расстояния 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 устранения отклонения, таким образом сохраняя массу почти неподвижной. Всякий раз, когда масса отклоняется, контур обратной связи заставляет электрическую катушку прикладывать к ней одинаково отрицательную силу, отменяя движение. Ускорение определяется величиной приложенной отрицательной силы. Поскольку масса практически не движется, влияние нелинейностей пружины и демпфирующей системы значительно снижается. Кроме того,этот акселерометр обеспечивает расширенную полосу пропускания сверх собственной частоты чувствительного элемента.

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

Датчики TIMU (единицы измерения времени и инерции) [ править ]

Департамент Microsystems Technology Office (MTO) DARPA работает над программой Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) для разработки микросхем устройства синхронизации и инерциального измерения (TIMU), которые отслеживают абсолютное положение на одном кристалле без GPS-навигация. [27] [28] [29]

Micro-PNT добавляет высокоточные основные тактовые импульсы [30], интегрированные в микросхему IMU (инерциальный измерительный блок), что делает его микросхемой синхронизирующего и инерциального измерительного устройства. Чип TIMU объединяет 3-осевой гироскоп, 3-осевой акселерометр и 3-осевой магнитометр вместе с высокоточными главными часами синхронизации, так что он может одновременно измерять отслеживаемое движение и комбинировать его с синхронизацией по синхронизированным часам. [27] [28]

Метод [ править ]

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

Где: f - удельная сила, - угловая скорость, a - ускорение, R - положение, V - скорость, - угловая скорость земли, g - ускорение свободного падения, а h - параметры местоположения NED. Кроме того, надстрочные / подстрочные индексы E, I и B представляют переменные в центрированной по Земле, инерциальной или телесной системе отсчета, соответственно, а C - преобразование опорных систем. [31]

См. Также [ править ]

  • Рейс 574 авиакомпании Adam Air
  • Контроль отношения
  • Счисление
  • Волоконно-оптический гироскоп
  • Система навигации Глобус
  • Система наведения
  • Полусферический резонаторный гироскоп
  • Фильтр Калмана
  • Рейс 007 Korean Air Lines
  • Инерциальная навигационная система ЛН-3
  • Акселерометр PIGA
  • Квантовый компас
  • Скорость интегрирующего гироскопа
  • Кольцевой лазерный гироскоп
  • Тюнинг Schuler
  • Космический корабль

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Основные принципы инерциальной навигации семинара по инерциальным навигационным системам" (PDF) . AeroStudents.com . Технологический университет Тампере, стр. 5 . Проверено 17 апреля 2018 года .
  2. ^ Бруно Сицилиано; Усама Хатиб (20 мая 2008 г.). Справочник Springer по робототехнике . Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-540-23957-4.
  3. ↑ Джеральд Кук (14 октября 2011 г.). Мобильные роботы: навигация, управление и дистанционное зондирование . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-1-118-02904-6.
  4. ^ https://www.hq.nasa.gov/alsj/e-1344.htm
  5. ^ Ван Мохд Yaakob Ван Bejuri, Мохд Murtadha Мохамад Hadri Омар Фарханой Сайед Омар и Nurfarah Ain Лимин (2019). Надежная передискретизация специальных стратегий для мобильных инерциальных навигационных систем. Международный журнал инновационных технологий и изучения инженерии. Vol. 9 (2), pp. 3196-3024, См. Публикацию здесь
  6. ^ Ван Мохд Yaakob Ван Bejuri, Мохд Murtadha Мохамад, Радж Zahilah Радж Мохд Раджа, Шейх Хуссейн Шейх Салех (2019). Улучшенная схема передискретизации для фильтрации частиц в инерциальной навигационной системе. Конспект лекций по информатике. Vol. 11432, стр. 555-563, См. Публикацию здесь
  7. ^ Сандип Кумар Шукла; Жан-Пьер Тальпен (5 августа 2010 г.). Синтез встроенного программного обеспечения: основы и методологии обеспечения корректности путем построения . Springer Science & Business Media. п. 62. ISBN 978-1-4419-6400-7.
  8. ^ Анализ инерциальных навигационных систем , Кеннет Р. Бриттинг, Wiley-Interscience, 1971.
  9. ^ Вычислено из преобразования S = 1 / 2.at ^ 2 в t = √ (2s / a), где s = расстояние в метрах, a - ускорение (здесь 9,8 умноженное на g), а t - время в секундах.
  10. ^ Прикладная оптимальная оценка , Артур Гелб (редактор), MIT Press, 1974.
  11. ^ "GPS.gov: Информация о помехах GPS" . www.gps.gov . Проверено 30 июля 2018 .
  12. ^ a b c Фэрфакс, Луиза; Фрескони, Франк (апрель 2012 г.). «Оценка местоположения снарядов с использованием недорогих датчиков и динамики полета» (PDF) .
  13. ^ "Защита военного GPS от уязвимостей спуфинга и глушения - Военные встроенные системы" . mil-embedded.com . Проверено 30 июля 2018 .
  14. ^ a b «Новые датчики управляемых боеприпасов больше, чем сумма их частей» . www.army.mil . Проверено 30 июля 2018 .
  15. ^ "Спутник Биографии - Вернер фон Браун (1912–1977)" . history.nasa.gov . Архивировано 28 марта 2009 года.
  16. ^ «Введение - Engineering360» . Globalspec.com . Архивировано 20 июня 2010 года.
  17. ^ Battin, RH (1982). «Эволюция космического наведения - личное повествование». Журнал динамики управления наведением . 5 (2): 97. Bibcode : 1982JGCD .... 5 ... 97B . DOI : 10.2514 / 3.19761 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  18. ^ Нойфельд, Джейкоб. «Технологический толчок» . history.navy.mil . Архивировано из оригинала на 2012-12-12 . Проверено 9 июля 2017 года .
  19. ^ Маккензи, Дональд А. (1993). Изобретая точность: историческая социология наведения ядерной ракеты . MIT Press. п. 22 . ISBN 978-0-262-63147-1.
  20. ^ CS Draper; У. Ригли; Г. Хоаг; RH Battin; Дж. Э. Миллер; Д.А. Косо; Д-р А.Л. Хопкинс; Доктор В.Е. Вандер Вельде (июнь 1965 г.). "Руководство и навигация Apollo" (PDF) . Web.mit.edu . Архивировано 11 июня 2016 года (PDF) из оригинала . Проверено 9 июля 2017 года .
  21. ^ Справочник Эшбаха в инженерной Основе Овидий В. Эшбы, Byron Pg 9
  22. ^ Сорняк, D .; Broderick, J .; Любовь, Дж .; Рыно, Т. (2004). «GPS Align In Motion гражданской бесплатформенной ИНС». ПЛАНЫ на 2004 год. Симпозиум по определению местоположения и навигации (IEEE Cat. No. 04CH37556) . ПЛАНЫ на 2004 год. Симпозиум по определению местоположения и навигации (IEEE Cat. No. 04CH37556) . С. 184–192. DOI : 10,1109 / PLANS.2004.1308992 . ISBN 0-7803-8416-4. S2CID  28811547 .
  23. ^ "Полусферический резонаторный гироскоп: от рюмки до планет, Дэвид М. Розелл" (PDF) . Northropgrumman.com. Архивировано (PDF) из оригинала 21.09.2013.
  24. ^ Defaiya, Al (4 мая 2017). «Аль-Дефайя - Safran регистрирует 3000 заказов на навигационные системы на базе HRG» . Defaiya.com . Проверено 19 августа 2017 года .
  25. ^ «Кварцевые гироскопические датчики Epson Toyocom - как они работают и что нас ждет впереди» . Findmems.com . Архивировано 16 января 2014 года.
  26. ^ «Гироскопы» . Xsens 3D отслеживание движения . Проверено 22 января 2019 .
  27. ^ a b «Микротехнология позиционирования, навигации и синхронизации (Micro-PNT)» . darpa.mil . Архивировано 5 мая 2017 года . Проверено 9 июля 2017 года .
  28. ^ a b Экстремальная миниатюризация: семь устройств, один чип для навигации без GPS. Архивировано 07 марта 2017 г. в Wayback Machine.
  29. ^ «Методы микротехнологии, которые помогут провести день без GPS» . darpa.mil . Архивировано из оригинала на 30 июня 2013 года . Проверено 9 июля 2017 года .
  30. ^ "Micro-PNT - Часы" . darpa.mil . Архивировано 17 мая 2017 года . Проверено 9 июля 2017 года .
  31. ^ Stovall, Sherryl H. (сентябрь 1997). «Основы инерциальной навигации» (PDF) . globalsecurity.org . Архивировано 6 августа 2016 года (PDF) из оригинала . Проверено 9 июля 2017 года .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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
  • А. Д. Кинг (1998). «Инерциальная навигация - сорок лет эволюции» (PDF) . Обзор GEC . General Electric Company plc . 13 (3): 140–149.
  • Э. против Хайнюбера (iMAR Navigation) (2011 г.). «Разработка автономной системы отсчета положения самолета со средне точными гироскопами для более высоких требований к ориентации». Инерционные датчики и системы - Симпозиум по гироскопическим технологиям, Карлсруэ / Германия . iMAR Navigation / DGON. 2011 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Принцип работы акселерометра
  • Обзор типов инерциальных приборов
  • Руководство по инерциальной навигации Oxford Technical Solutions
  • Листинг системы инерциальной навигации с открытым исходным кодом
  • Влияние ошибок инерциального датчика на ошибки положения и ориентации инерциальной навигационной системы
  • Введение в инерциальные навигационные системы в приложениях для БПЛА / дронов