Čo je inerciálna navigácia?
Základy inerciálnej navigácie
Základné princípy inerciálnej navigácie sú podobné princípom iných navigačných metód. Spoliehajú sa na získavanie kľúčových informácií vrátane počiatočnej polohy, počiatočnej orientácie, smeru a orientácie pohybu v každom okamihu a postupnú integráciu týchto údajov (analogicky s matematickými integračnými operáciami) s cieľom presne určiť navigačné parametre, ako je orientácia a poloha.
Úloha senzorov v inerciálnej navigácii
Na získanie informácií o aktuálnej orientácii (polohe) a polohe pohybujúceho sa objektu používajú inerciálne navigačné systémy sadu kritických senzorov, ktoré pozostávajú predovšetkým z akcelerometrov a gyroskopov. Tieto senzory merajú uhlovú rýchlosť a zrýchlenie nosiča v inerciálnom referenčnom systéme. Dáta sa potom integrujú a spracovávajú v priebehu času, aby sa získali informácie o rýchlosti a relatívnej polohe. Následne sa tieto informácie v spojení s počiatočnými údajmi o polohe transformujú do navigačného súradnicového systému, čo vedie k určeniu aktuálnej polohy nosiča.
Princípy fungovania inerciálnych navigačných systémov
Inerciálne navigačné systémy fungujú ako samostatné interné navigačné systémy s uzavretou slučkou. Nespoliehajú sa na aktualizácie externých údajov v reálnom čase na opravu chýb počas pohybu nosiča. Preto je jeden inerciálny navigačný systém vhodný pre krátkodobé navigačné úlohy. Pre dlhodobé operácie sa musí kombinovať s inými navigačnými metódami, ako sú napríklad satelitné navigačné systémy, aby sa pravidelne opravovali nahromadené interné chyby.
Skrytosť inerciálnej navigácie
V moderných navigačných technológiách vrátane nebeskej navigácie, satelitnej navigácie a rádiovej navigácie sa inerciálna navigácia vyznačuje svojou autonómiou. Nevysiela signály do vonkajšieho prostredia ani nie je závislá od nebeských objektov alebo externých signálov. Inerciálne navigačné systémy preto ponúkajú najvyššiu úroveň skrytosti, vďaka čomu sú ideálne pre aplikácie vyžadujúce maximálnu dôvernosť.
Oficiálna definícia inerciálnej navigácie
Inerciálny navigačný systém (INS) je systém odhadu navigačných parametrov, ktorý využíva gyroskopy a akcelerometre ako senzory. Systém, založený na výstupe gyroskopov, vytvára navigačný súradnicový systém a 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 leteckého priemyslu, letectva, námorníctva, prieskumu ropy, geodézie, oceánografických prieskumov, geologických vrtov, robotiky a železničných systémov. S príchodom pokročilých inerciálnych senzorov rozšírila inerciálna technológia svoje využitie okrem iného aj v automobilovom priemysle a medicínskych elektronických zariadeniach. Tento rozširujúci sa rozsah aplikácií podčiarkuje čoraz dôležitejšiu úlohu inerciálnej navigácie pri poskytovaní vysoko presných navigačných a polohovacích schopností pre množstvo aplikácií.
Základná zložka inerciálneho navádzania:Gyroskop z optických vlákien
Úvod do gyroskopov s optickými vláknami
Inerciálne navigačné systémy sa vo veľkej miere spoliehajú na presnosť a precíznosť svojich základných komponentov. Jedným z takýchto komponentov, ktorý výrazne rozšíril možnosti týchto systémov, je gyroskop s optickými vláknami (FOG). FOG je kritický senzor, ktorý zohráva kľúčovú úlohu pri meraní uhlovej rýchlosti nosiča s pozoruhodnou presnosťou.
Prevádzka gyroskopu s optickými vláknami
FOG fungujú na princípe Sagnacovho efektu, ktorý spočíva v rozdelení laserového lúča na dve samostatné dráhy, čo mu umožňuje pohybovať sa v opačných smeroch pozdĺž špirálovej slučky z optických vlákien. Keď sa nosič náboja, v ktorom je FOG zabudovaný, otáča, rozdiel v čase pohybu medzi týmito dvoma lúčmi je úmerný uhlovej rýchlosti rotácie nosiča náboja. Toto časové oneskorenie, známe ako Sagnacov fázový posun, sa potom presne meria, čo umožňuje FOG poskytovať presné údaje o rotácii nosiča náboja.
Princíp vláknového optického gyroskopu spočíva vo vyžarovaní svetelného lúča z fotodetektora. Tento svetelný lúč prechádza cez spojku, vstupuje z jedného konca a vystupuje z druhého. Potom prechádza optickou slučkou. Do slučky vstupujú dva svetelné lúče prichádzajúce z rôznych smerov a po obehu vytvoria koherentnú superpozíciu. Vrátené svetlo opäť vstupuje do svetelnej diódy (LED), ktorá sa používa na detekciu jeho intenzity. Hoci sa princíp vláknového optického gyroskopu môže zdať jednoduchý, najvýznamnejšou výzvou je eliminácia faktorov, ktoré ovplyvňujú dĺžku optickej dráhy dvoch svetelných lúčov. Toto je jeden z najdôležitejších problémov, ktorým čelia pri vývoji vláknových optických gyroskopov.
1: superluminiscenčná dióda 2: fotodetektorová dióda
3. spojka zdroja svetla 4.spojka z optických vlákien 5. optický vláknový krúžok
Výhody gyroskopov z optických vlákien
Gyroskopy typu 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, čo znižuje riziko opotrebenia. Okrem toho sú odolné voči nárazom a vibráciám, vďaka čomu sú ideálne pre náročné prostredia, ako sú letecký a obranný priemysel.
Integrácia gyroskopov z optických vlákien v inerciálnej navigácii
Inerciálne navigačné systémy čoraz viac využívajú gyroskopy typu „focus“ (uhlový graf), pretože sú vysoko presné a spoľahlivé. Tieto gyroskopy poskytujú kľúčové merania uhlovej rýchlosti potrebné na presné určenie orientácie a polohy. Integráciou gyroskopov typu „focus“ do existujúcich inerciálnych navigačných systémov môžu operátori profitovať zo zlepšenej presnosti navigácie, najmä v situáciách, kde je potrebná extrémna presnosť.
Aplikácie vláknových optických gyroskopov v inerciálnej navigácii
Zahrnutie FOG (flat objectives - horizontálne navigačné systémy) rozšírilo aplikácie inerciálnych navigačných systémov v rôznych oblastiach. V leteckom priemysle 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 štrukturálne varianty gyroskopov z optických vlákien
Gyroskopy z optických vlákien sa dodávajú v rôznych štrukturálnych konfiguráciách, pričom v súčasnosti prevládajúcou vstupujúcou do oblasti inžinierstva jeGyroskop s optickými vláknami s uzavretou slučkou a udržiavaním polarizácieJadrom tohto gyroskopu jeslučka optických vlákien udržiavajúca polarizáciu, pozostávajúca z vlákien udržiavajúcich polarizáciu a precízne navrhnutej rámovej štruktúry. Konštrukcia tejto slučky zahŕňa metódu štvornásobného symetrického navíjania, doplnenú o unikátny tesniaci gél, ktorý vytvára cievku slučky v pevnom skupenstve z vlákien.
Kľúčové vlastnostiOptické vlákno G s udržiavaním polarizáciecievka yro
▶Unikátny dizajn rámu:Gyroskopické slučky sa vyznačujú charakteristickým dizajnom rámu, ktorý ľahko prispôsobí rôznym typom vlákien udržiavajúcich polarizáciu.
▶Technika štvornásobného symetrického navíjania:Technika štvornásobného symetrického navíjania minimalizuje Shupeho efekt, čím zaisťuje presné a spoľahlivé merania.
▶Pokročilý tesniaci gélový materiál:Použitie pokročilých tesniacich gélových materiálov v kombinácii s unikátnou technikou vytvrdzovania zvyšuje odolnosť voči vibráciám, vďaka čomu sú tieto gyroskopické slučky ideálne pre aplikácie v náročných prostrediach.
▶Koherenčná stabilita pri vysokých teplotách:Gyroskopické slučky vykazujú vysokú teplotnú koherenčnú stabilitu, čo zaisťuje presnosť aj v rôznych tepelných podmienkach.
▶Zjednodušený ľahký rámec:Gyroskopické slučky sú navrhnuté s jednoduchou, no zároveň ľahkou konštrukciou, ktorá zaručuje vysokú presnosť spracovania.
▶Konzistentný proces navíjania:Proces navíjania zostáva stabilný a prispôsobuje sa požiadavkám rôznych presných gyroskopov s optickými vláknami.
Referencia
Groves, PD (2008). Úvod do inerciálnej navigácie.Časopis navigácie, 61(1), 13 – 28.
El-Sheimy, N., Hou, H. a Niu, X. (2019). Technológie inerciálnych senzorov pre navigačné aplikácie: súčasný stav techniky.Satelitná navigácia, 1(1), 1-15.
Woodman, OJ (2007). Úvod do inerciálnej navigácie.Univerzita v Cambridge, Počítačové laboratórium, UCAM-CL-TR-696.
Chatila, R. a Laumond, JP (1985). Referenčné určovanie polohy a konzistentné modelovanie sveta pre mobilné roboty.V zborníku z medzinárodnej konferencie IEEE o robotike a automatizácii z roku 1985(Zv. 2, s. 138 – 145). IEEE.
Potrebujete bezplatnú konzultáciu?
NIEKTORÉ Z MOJICH PROJEKTOV
ÚŽASNÉ PRÁCE, KU KTORÝM SOM SOM HRDÝ/Á PRISPEL/A!
