Inerciálna navigácia

FOGs Components Solutions

Čo je inerciálna navigácia?

Základy inerciálnej navigácie

Základné princípy inerciálnej navigácie sú podobné princípom iných navigačných metód. Spolieha sa na získavanie kľúčových informácií vrátane počiatočnej polohy, počiatočnej orientácie, smeru a orientácie pohybu v každom okamihu a progresívnu integráciu týchto údajov (analogicky k operáciám matematickej integrácie) na presné určenie parametrov navigácie, ako je orientácia a poloha.

Úloha senzorov v inerciálnej navigácii

Na získanie informácií o aktuálnej orientácii (polohe) a polohe pohybujúceho sa objektu využívajú inerciálne navigačné systémy súpravu kritických senzorov, ktoré primárne pozostávajú z akcelerometrov a gyroskopov. Tieto snímače merajú uhlovú rýchlosť a zrýchlenie nosiča v inerciálnej referenčnej sústave. Údaje sú potom integrované a spracované v priebehu času, aby sa získali informácie o rýchlosti a relatívnej polohe. Následne sa tieto informácie pretransformujú do navigačného súradnicového systému v spojení s údajmi o počiatočnej polohe, čo vyvrcholí určením aktuálnej polohy nosiča.

Princípy činnosti inerciálnych navigačných systémov

Inerciálne navigačné systémy fungujú ako samostatné vnútorné navigačné systémy s uzavretou slučkou. Nespoliehajú sa na aktualizácie externých dát v reálnom čase, aby opravili chyby počas pohybu nosiča. Jediný inerciálny navigačný systém ako taký je vhodný pre krátkodobé navigačné úlohy. Pre dlhodobé operácie sa musí kombinovať s inými navigačnými metódami, ako sú satelitné navigačné systémy, aby sa pravidelne opravovali nahromadené vnútorné chyby.

Skrytosť inerciálnej navigácie

V moderných navigačných technológiách, vrátane nebeskej navigácie, satelitnej navigácie a rádiovej navigácie, vyniká inerciálna navigácia ako autonómna. Nevysiela signály do vonkajšieho prostredia ani nezávisí od nebeských objektov alebo vonkajších signálov. V dôsledku toho inerciálne navigačné systémy ponúkajú najvyššiu úroveň skrytosti, vďaka čomu sú ideálne pre aplikácie vyžadujúce maximálnu dôvernosť.

Oficiálna definícia inerciálnej navigácie

Inerciálny navigačný systém (INS) je systém na odhad parametrov navigácie, ktorý ako senzory využíva gyroskopy a akcelerometre. Systém, založený na výstupe z gyroskopov, vytvára navigačný súradnicový systém, pričom využíva výstup akcelerometrov na výpočet rýchlosti a polohy nosiča v navigačnom súradnicovom systéme.

Aplikácie inerciálnej navigácie

Inerciálna technológia našla široké uplatnenie v rôznych oblastiach, vrátane letectva, letectva, námornej dopravy, prieskumu ropy, geodézie, oceánografických prieskumov, geologických vrtov, robotiky a železničných systémov. S príchodom pokročilých inerciálnych senzorov rozšírila inerciálna technológia svoje využitie okrem iného aj do automobilového priemyslu a medicínskych elektronických zariadení. Tento rozširujúci sa rozsah aplikácií podčiarkuje čoraz dôležitejšiu úlohu inerciálnej navigácie pri poskytovaní vysoko presných navigačných a polohovacích schopností pre množstvo aplikácií.

Hlavná zložka inerciálneho navádzania:Gyroskop z optických vlákien

Úvod do gyroskopov z optických vlákien

Inerciálne navigačné systémy sa vo veľkej miere spoliehajú na presnosť a precíznosť svojich základných komponentov. Jedným z takýchto komponentov, ktorý výrazne zvýšil možnosti týchto systémov, je gyroskop s optickými vláknami (FOG). FOG je kritický senzor, ktorý hrá kľúčovú úlohu pri meraní uhlovej rýchlosti nosiča s pozoruhodnou presnosťou.

Prevádzka gyroskopu z optických vlákien

FOG fungujú na princípe Sagnacovho efektu, ktorý zahŕňa rozdelenie laserového lúča na dve samostatné dráhy, čo mu umožňuje pohybovať sa v opačných smeroch pozdĺž stočenej slučky z optických vlákien. Keď sa nosič, vložený do FOG, otáča, rozdiel v čase jazdy medzi dvoma lúčmi je úmerný uhlovej rýchlosti otáčania nosiča. Toto časové oneskorenie, známe ako Sagnacov fázový posun, sa potom presne zmeria, čo umožňuje FOG poskytnúť presné údaje týkajúce sa rotácie nosiča.

Princíp gyroskopu z optických vlákien zahŕňa vyžarovanie lúča svetla z fotodetektora. Tento svetelný lúč prechádza cez spojku, vstupuje z jedného konca a vychádza z druhého. Potom prechádza optickou slučkou. Dva lúče svetla, prichádzajúce z rôznych smerov, vstupujú do slučky a po krúžení dotvárajú súvislú superpozíciu. Vratné svetlo opäť vstupuje do svetelnej diódy (LED), ktorá sa používa na detekciu jeho intenzity. Aj keď sa princíp gyroskopu s optickými vláknami môže zdať jednoduchý, najvýznamnejšia výzva spočíva v eliminácii faktorov, ktoré ovplyvňujú dĺžku optickej dráhy dvoch svetelných lúčov. Toto je jeden z najkritickejších problémov, ktorým čelíme pri vývoji gyroskopov s optickými vláknami.

1: superluminiscenčná dióda 2: fotodetektorová dióda

3.spojka svetelného zdroja 4.vláknitá prstencová spojka 5.krúžok z optického vlákna

Výhody gyroskopov s optickými vláknami

FOG ponúkajú niekoľko výhod, vďaka ktorým sú neoceniteľné v inerciálnych navigačných systémoch. Sú známe svojou výnimočnou presnosťou, spoľahlivosťou a odolnosťou. Na rozdiel od mechanických gyroskopov nemajú FOG žiadne pohyblivé časti, čím sa znižuje riziko opotrebenia. Okrem toho sú odolné voči nárazom a vibráciám, vďaka čomu sú ideálne pre náročné prostredia, ako sú letecké a obranné aplikácie.

Integrácia gyroskopov z optických vlákien do inerciálnej navigácie

Inerciálne navigačné systémy čoraz viac využívajú FOG kvôli ich vysokej presnosti a spoľahlivosti. Tieto gyroskopy poskytujú rozhodujúce merania uhlovej rýchlosti potrebné na presné určenie orientácie a polohy. Integráciou FOG do existujúcich inerciálnych navigačných systémov môžu operátori ťažiť zo zlepšenej presnosti navigácie, najmä v situáciách, keď je potrebná extrémna presnosť.

Aplikácie gyroskopov z optických vlákien v inerciálnej navigácii

Zahrnutie FOG rozšírilo aplikácie inerciálnych navigačných systémov v rôznych oblastiach. Vo vesmíre a letectve ponúkajú systémy vybavené FOG presné navigačné riešenia pre lietadlá, drony a kozmické lode. Vo veľkej miere sa používajú aj v námornej navigácii, geologických prieskumoch a pokročilej robotike, čo umožňuje týmto systémom pracovať so zvýšeným výkonom a spoľahlivosťou.

Rôzne konštrukčné varianty gyroskopov s optickými vláknami

Gyroskopy s optickými vláknami sa dodávajú v rôznych konštrukčných konfiguráciách, pričom prevládajúcou konfiguráciou, ktorá v súčasnosti vstupuje do oblasti inžinierstva, jegyroskop z optických vlákien udržiavajúci polarizáciu v uzavretej slučke. Jadrom tohto gyroskopu jepolarizačnú vláknovú slučku, zahŕňajúce vlákna udržiavajúce polarizáciu a presne navrhnutý rámec. Konštrukcia tejto slučky zahŕňa štvornásobnú symetrickú metódu vinutia, doplnenú jedinečným tesniacim gélom na vytvorenie slučky z pevného vlákna.

Kľúčové vlastnostiVláknová optika udržiavajúca polarizáciu Gyro cievka

▶Unikátny dizajn rámca:Gyroskopické slučky sa vyznačujú charakteristickým rámovým dizajnom, ktorý ľahko pojme rôzne typy polarizačných vlákien.

▶Technika štvornásobného symetrického navíjania:Štvornásobná symetrická technika navíjania minimalizuje efekt Shupe a zaisťuje presné a spoľahlivé merania.

▶Pokročilý materiál tesniaceho gélu:Použitie pokročilých tesniacich gélových materiálov v kombinácii s jedinečnou technikou vytvrdzovania zvyšuje odolnosť voči vibráciám, vďaka čomu sú tieto gyroskopické slučky ideálne pre aplikácie v náročných prostrediach.

▶Stabilita koherencie vysokej teploty:Gyroskopické slučky vykazujú vysokú stabilitu teplotnej koherencie, ktorá zaisťuje presnosť aj pri meniacich sa tepelných podmienkach.

▶Zjednodušený ľahký rámec:Gyroskopové slučky sú navrhnuté s priamou, ale ľahkou konštrukciou, ktorá zaručuje vysokú presnosť spracovania.

▶Konzistentný proces navíjania:Proces navíjania zostáva stabilný a prispôsobuje sa požiadavkám rôznych presných gyroskopov s optickými vláknami.

Odkaz

Groves, PD (2008). Úvod do inerciálnej navigácie.The Journal of Navigation, 61(1), 13-28.

El-Sheimy, N., Hou, H., & Niu, X. (2019). Technológie inerciálnych senzorov pre navigačné aplikácie: najnovší stav techniky.satelitná navigácia, 1(1), 1-15.

Woodman, Ú. v. (2007). Úvod do inerciálnej navigácie.University of Cambridge, počítačové laboratórium, UCAM-CL-TR-696.

Chatila, R., & Laumond, JP (1985). Odkazovanie na pozície a konzistentné modelovanie sveta pre mobilné roboty.In Proceedings of the 1985 IEEE International Conference on Robotics and Automation(Zv. 2, str. 138-145). IEEE.