Czym jest nawigacja inercyjna?
Podstawy nawigacji bezwładnościowej
Podstawowe zasady nawigacji inercyjnej są zbliżone do zasad innych metod nawigacji. Opiera się ona na pozyskiwaniu kluczowych informacji, takich jak położenie początkowe, orientacja początkowa, kierunek i orientacja ruchu w danym momencie, a następnie stopniowym integrowaniu tych danych (analogicznie do operacji całkowania matematycznego) w celu precyzyjnego określenia parametrów nawigacji, takich jak orientacja i położenie.
Rola czujników w nawigacji bezwładnościowej
Aby uzyskać informacje o aktualnej orientacji (położeniu) i położeniu poruszającego się obiektu, inercyjne systemy nawigacyjne wykorzystują zestaw kluczowych czujników, składających się głównie z akcelerometry i żyroskopy. Czujniki te mierzą prędkość kątową i przyspieszenie nośnika w inercyjnym układzie odniesienia. Dane są następnie integrowane i przetwarzane w czasie w celu uzyskania informacji o prędkości i położeniu względnym. Następnie informacje te są przekształcane w układ współrzędnych nawigacyjnych, w połączeniu z danymi o położeniu początkowym, co kończy się określeniem aktualnego położenia nośnika.
Zasady działania systemów nawigacji bezwładnościowej
Systemy nawigacji bezwładnościowej działają jako autonomiczne, wewnętrzne systemy nawigacji o obiegu zamkniętym. Nie opierają się na aktualizacjach danych zewnętrznych w czasie rzeczywistym w celu korygowania błędów podczas ruchu nośnika. W związku z tym, pojedynczy system nawigacji bezwładnościowej nadaje się do krótkotrwałych zadań nawigacyjnych. W przypadku operacji długoterminowych, musi być on połączony z innymi metodami nawigacji, takimi jak systemy nawigacji satelitarnej, w celu okresowej korekty nagromadzonych błędów wewnętrznych.
Ukrywalność nawigacji bezwładnościowej
We współczesnych technologiach nawigacyjnych, w tym nawigacji astronomicznej, nawigacji satelitarnej i radionawigacji, nawigacja inercyjna wyróżnia się jako autonomiczna. Nie emituje sygnałów do otoczenia zewnętrznego ani nie jest zależna od obiektów niebieskich ani sygnałów zewnętrznych. W związku z tym systemy nawigacji inercyjnej oferują najwyższy poziom ukrycia, co czyni je idealnymi do zastosowań wymagających najwyższej poufności.
Oficjalna definicja nawigacji bezwładnościowej
Inercyjny system nawigacyjny (INS) to system estymacji parametrów nawigacyjnych, który wykorzystuje żyroskopy i akcelerometry jako czujniki. System, bazując na danych wyjściowych z żyroskopów, ustala układ współrzędnych nawigacyjnych, wykorzystując dane wyjściowe z akcelerometrów do obliczenia prędkości i położenia nośnika w układzie współrzędnych nawigacyjnych.
Zastosowania nawigacji bezwładnościowej
Technologia inercyjna znalazła szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak lotnictwo, kosmonautyka, gospodarka morska, poszukiwanie ropy naftowej, geodezja, badania oceanograficzne, wiercenia geologiczne, robotyka i systemy kolejowe. Wraz z pojawieniem się zaawansowanych czujników inercyjnych, technologia inercyjna rozszerzyła swoje zastosowanie między innymi w przemyśle motoryzacyjnym i elektronicznych urządzeniach medycznych. Ten rosnący zakres zastosowań podkreśla coraz ważniejszą rolę nawigacji inercyjnej w zapewnianiu precyzyjnej nawigacji i możliwości pozycjonowania w wielu zastosowaniach.
Główny element naprowadzania bezwładnościowego:Żyroskop światłowodowy
Wprowadzenie do żyroskopów światłowodowych
Systemy nawigacji bezwładnościowej w dużym stopniu opierają się na dokładności i precyzji swoich głównych komponentów. Jednym z takich komponentów, który znacząco zwiększył możliwości tych systemów, jest żyroskop światłowodowy (FOG). FOG to kluczowy czujnik, który odgrywa kluczową rolę w pomiarze prędkości kątowej nośnika z niezwykłą dokładnością.
Działanie żyroskopu światłowodowego
Urządzenia FOG działają na zasadzie efektu Sagnaca, który polega na rozdzieleniu wiązki laserowej na dwie oddzielne ścieżki, umożliwiając jej przemieszczanie się w przeciwnych kierunkach wzdłuż zwiniętej pętli światłowodowej. Gdy nośna, osadzona w urządzeniu FOG, obraca się, różnica w czasie przemieszczania się między dwiema wiązkami jest proporcjonalna do prędkości kątowej obrotu nośnej. To opóźnienie czasowe, znane jako przesunięcie fazowe Sagnaca, jest następnie precyzyjnie mierzone, umożliwiając urządzeniu FOG dostarczanie dokładnych danych dotyczących obrotu nośnej.
Zasada działania żyroskopu światłowodowego polega na emitowaniu wiązki światła z fotodetektora. Wiązka ta przechodzi przez łącznik, wchodząc z jednego końca i wychodząc z drugiego. Następnie przechodzi przez pętlę optyczną. Dwie wiązki światła, pochodzące z różnych kierunków, wchodzą do pętli i tworzą spójną superpozycję po zatoczeniu koła. Powracające światło ponownie trafia do diody elektroluminescencyjnej (LED), która służy do pomiaru jego natężenia. Chociaż zasada działania żyroskopu światłowodowego może wydawać się prosta, największym wyzwaniem jest wyeliminowanie czynników wpływających na długość drogi optycznej obu wiązek światła. Jest to jeden z najważniejszych problemów napotykanych w rozwoju żyroskopów światłowodowych.
1: dioda superluminescencyjna 2: dioda fotodetektora
3. łącznik źródła światła 4.łącznik pierścieniowy światłowodowy 5. pierścień światłowodowy
Zalety żyroskopów światłowodowych
Żyroskopy FOG oferują szereg zalet, które czynią je nieocenionymi w systemach nawigacji bezwładnościowej. Słyną z wyjątkowej dokładności, niezawodności i trwałości. W przeciwieństwie do żyroskopów mechanicznych, żyroskopy FOG nie posiadają ruchomych części, co zmniejsza ryzyko zużycia. Ponadto są odporne na wstrząsy i wibracje, co czyni je idealnymi do wymagających zastosowań, takich jak przemysł lotniczy i obronny.
Integracja żyroskopów światłowodowych w nawigacji inercyjnej
Systemy nawigacji bezwładnościowej coraz częściej wykorzystują systemy FOG ze względu na ich wysoką precyzję i niezawodność. Żyroskopy te zapewniają kluczowe pomiary prędkości kątowej, niezbędne do dokładnego określenia orientacji i położenia. Integrując systemy FOG z istniejącymi systemami nawigacji bezwładnościowej, operatorzy mogą skorzystać z lepszej dokładności nawigacji, szczególnie w sytuacjach, w których wymagana jest wyjątkowa precyzja.
Zastosowania żyroskopów światłowodowych w nawigacji inercyjnej
Wprowadzenie systemów FOG rozszerzyło zastosowania systemów nawigacji bezwładnościowej w różnych dziedzinach. W przemyśle lotniczym i kosmicznym systemy wyposażone w systemy FOG oferują precyzyjne rozwiązania nawigacyjne dla samolotów, dronów i statków kosmicznych. Są one również szeroko stosowane w nawigacji morskiej, badaniach geologicznych i zaawansowanej robotyce, co pozwala tym systemom działać z większą wydajnością i niezawodnością.
Różne warianty konstrukcyjne żyroskopów światłowodowych
Żyroskopy światłowodowe występują w różnych konfiguracjach konstrukcyjnych, przy czym obecnie dominującą konfiguracją wkraczającą do dziedziny inżynierii jestżyroskop światłowodowy z zamkniętą pętlą utrzymujący polaryzację. Sercem tego żyroskopu jestpętla włókien utrzymująca polaryzację, składający się z włókien utrzymujących polaryzację i precyzyjnie zaprojektowanej konstrukcji. Konstrukcja tej pętli opiera się na czterokrotnie symetrycznej metodzie nawijania, uzupełnionej unikalnym żelem uszczelniającym, tworzącym półprzewodnikową pętlę światłowodową.
Główne cechyŚwiatłowód utrzymujący polaryzację GCewka yro
▶Unikalna konstrukcja ramy:Pętle żyroskopowe charakteryzują się wyjątkową konstrukcją szkieletową, która z łatwością dostosowuje się do różnych typów włókien utrzymujących polaryzację.
▶Technika czterokrotnego symetrycznego nawijania:Technika czterokrotnego symetrycznego nawijania minimalizuje efekt Shupe'a, zapewniając precyzyjne i niezawodne pomiary.
▶Zaawansowany materiał uszczelniający w postaci żelu:Zastosowanie zaawansowanych materiałów uszczelniających w postaci żelu, w połączeniu z unikalną techniką utwardzania, zwiększa odporność na wibracje, dzięki czemu pętle żyroskopowe idealnie nadają się do zastosowań w wymagających środowiskach.
▶Stabilność koherencji w wysokiej temperaturze:Pętle żyroskopu charakteryzują się wysoką stabilnością koherencji temperaturowej, co gwarantuje dokładność nawet w zmiennych warunkach termicznych.
▶Uproszczona, lekka struktura:Pętle żyroskopu zaprojektowano z wykorzystaniem prostej, a jednocześnie lekkiej konstrukcji, co gwarantuje wysoką precyzję przetwarzania.
▶Spójny proces nawijania:Proces nawijania pozostaje stabilny, dostosowując się do wymagań różnorodnych precyzyjnych żyroskopów światłowodowych.
Odniesienie
Groves, PD (2008). Wprowadzenie do nawigacji inercyjnej.Czasopismo Nawigacyjne, 61(1), 13-28.
El-Sheimy, N., Hou, H. i Niu, X. (2019). Technologie czujników bezwładnościowych w zastosowaniach nawigacyjnych: stan techniki.Nawigacja satelitarna, 1(1), 1-15.
Woodman, OJ (2007). Wprowadzenie do nawigacji inercyjnej.Uniwersytet Cambridge, Laboratorium komputerowe, UCAM-CL-TR-696.
Chatila, R. i Laumond, JP (1985). Odwoływanie się do pozycji i spójne modelowanie świata dla robotów mobilnych.W materiałach konferencji międzynarodowej IEEE na temat robotyki i automatyzacji z 1985 r.(Tom 2, str. 138-145). IEEE.
Potrzebujesz bezpłatnej konsultacji?
NIEKTÓRE Z MOICH PROJEKTÓW
NIESAMOWITE PRACE, W KTÓRYCH SIĘ PRZYCZYNIŁEM. Z DUMĄ!
