Ce este navigația inerțială?
Fundamentele navigației inerțiale
Principiile fundamentale ale navigației inerțiale sunt asemănătoare cu cele ale altor metode de navigație. Se bazează pe dobândirea de informații cheie, inclusiv poziția inițială, orientarea inițială, direcția și orientarea mișcării în fiecare moment și integrarea progresivă a acestor date (analog cu operațiile de integrare matematică) pentru a determina cu precizie parametrii de navigare, cum ar fi orientarea și poziția.
Rolul senzorilor în navigația inerțială
Pentru a obține informații despre orientarea curentă (atitudinea) și poziția unui obiect în mișcare, sistemele de navigație inerțială folosesc un set de senzori critici, constând în principal din accelerometre și giroscoape. Acești senzori măsoară viteza unghiulară și accelerația purtătorului într-un cadru de referință inerțial. Datele sunt apoi integrate și procesate în timp pentru a obține informații despre viteza și poziția relativă. Ulterior, aceste informații sunt transformate în sistemul de coordonate de navigație, împreună cu datele de poziție inițială, culminând cu determinarea locației curente a transportatorului.
Principiile de funcționare ale sistemelor de navigație inerțială
Sistemele de navigație inerțiale funcționează ca sisteme de navigație interne, autonome, în buclă închisă. Ei nu se bazează pe actualizări de date externe în timp real pentru a corecta erorile în timpul mișcării transportatorului. Ca atare, un singur sistem de navigație inerțial este potrivit pentru sarcini de navigație de scurtă durată. Pentru operațiuni de lungă durată, acesta trebuie combinat cu alte metode de navigație, precum sistemele de navigație prin satelit, pentru a corecta periodic erorile interne acumulate.
Disimulabilitatea navigației inerțiale
În tehnologiile moderne de navigație, inclusiv navigația cerească, navigația prin satelit și navigația radio, navigația inerțială iese în evidență ca fiind autonomă. Nu emite semnale către mediul extern și nici nu depinde de obiectele cerești sau de semnale externe. În consecință, sistemele de navigație inerțială oferă cel mai înalt nivel de disimulare, făcându-le ideale pentru aplicații care necesită cea mai mare confidențialitate.
Definiția oficială a navigației inerțiale
Sistemul de navigație inerțial (INS) este un sistem de estimare a parametrilor de navigație care utilizează giroscoape și accelerometre ca senzori. Sistemul, bazat pe ieșirea giroscoapelor, stabilește un sistem de coordonate de navigație în timp ce utilizează ieșirea accelerometrelor pentru a calcula viteza și poziția transportatorului în sistemul de coordonate de navigație.
Aplicații ale navigației inerțiale
Tehnologia inerțială a găsit aplicații ample în diverse domenii, inclusiv aerospațial, aviație, maritim, explorarea petrolului, geodezie, studii oceanografice, foraj geologic, robotică și sisteme feroviare. Odată cu apariția senzorilor inerțiali avansați, tehnologia inerțială și-a extins utilitatea la industria auto și la dispozitivele electronice medicale, printre alte domenii. Acest domeniu de aplicații în extindere subliniază rolul din ce în ce mai esențial al navigației inerțiale în furnizarea de navigație de înaltă precizie și capabilități de poziționare pentru o multitudine de aplicații.
Componenta de bază a ghidării inerțiale:Giroscop cu fibră optică
Introducere în giroscoape cu fibră optică
Sistemele de navigație inerțială se bazează în mare măsură pe acuratețea și precizia componentelor lor de bază. O astfel de componentă care a îmbunătățit semnificativ capacitățile acestor sisteme este giroscopul cu fibră optică (FOG). FOG este un senzor critic care joacă un rol esențial în măsurarea vitezei unghiulare a purtătorului cu o precizie remarcabilă.
Funcționarea giroscopului cu fibră optică
Ceața funcționează pe principiul efectului Sagnac, care implică divizarea unui fascicul laser în două căi separate, permițându-i să se deplaseze în direcții opuse de-a lungul unei bucle de fibră optică spiralată. Atunci când purtătorul, încorporat cu FOG, se rotește, diferența de timp de călătorie dintre cele două fascicule este proporțională cu viteza unghiulară de rotație a purtătorului. Această întârziere, cunoscută sub numele de schimbare de fază Sagnac, este apoi măsurată cu precizie, permițând FOG să furnizeze date precise cu privire la rotația purtătorului.
Principiul giroscopului cu fibră optică implică emiterea unui fascicul de lumină de la un fotodetector. Acest fascicul de lumină trece printr-un cuplaj, intrând de la un capăt și ieșind din altul. Apoi se deplasează printr-o buclă optică. Două fascicule de lumină, venite din direcții diferite, intră în buclă și completează o suprapunere coerentă după ce se învârt în jur. Lumina care se întoarce reintră într-o diodă emițătoare de lumină (LED), care este utilizată pentru a detecta intensitatea acesteia. În timp ce principiul unui giroscop cu fibră optică poate părea simplu, cea mai importantă provocare constă în eliminarea factorilor care afectează lungimea căii optice a celor două fascicule de lumină. Aceasta este una dintre cele mai critice probleme cu care se confruntă dezvoltarea giroscoapelor cu fibră optică.
1: diodă superluminiscentă 2: diodă fotodetectoare
3.cuplaj sursă de lumină 4.cuplaj inel de fibre 5.inel de fibră optică
Avantajele giroscoapelor cu fibră optică
FOG-urile oferă mai multe avantaje care le fac de neprețuit în sistemele de navigație inerțială. Sunt renumiți pentru acuratețea, fiabilitatea și durabilitatea lor excepționale. Spre deosebire de giroscopiile mecanice, FOG-urile nu au părți în mișcare, reducând riscul de uzură. În plus, sunt rezistente la șocuri și vibrații, făcându-le ideale pentru medii solicitante, cum ar fi aplicațiile aerospațiale și de apărare.
Integrarea giroscoapelor cu fibră optică în navigația inerțială
Sistemele de navigație inerțială încorporează din ce în ce mai mult FOG-uri datorită preciziei și fiabilității lor ridicate. Aceste giroscoape oferă măsurătorile cruciale ale vitezei unghiulare necesare pentru determinarea precisă a orientării și poziției. Prin integrarea FOG-urilor în sistemele de navigație inerțiale existente, operatorii pot beneficia de o precizie îmbunătățită de navigare, mai ales în situațiile în care este necesară o precizie extremă.
Aplicații ale giroscoapelor cu fibră optică în navigația inerțială
Includerea FOG-urilor a extins aplicațiile sistemelor de navigație inerțială în diferite domenii. În domeniul aerospațial și al aviației, sistemele echipate cu FOG oferă soluții precise de navigație pentru avioane, drone și nave spațiale. Ele sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în navigația maritimă, studii geologice și robotică avansată, permițând acestor sisteme să funcționeze cu performanță și fiabilitate îmbunătățite.
Diferite variante structurale ale giroscoapelor cu fibră optică
Giroscoapele cu fibră optică vin în diverse configurații structurale, cea predominantă care intră în prezent în domeniul ingineriei estegiroscop cu fibră optică în buclă închisă care menține polarizarea. În centrul acestui giroscop se aflăbuclă de fibre care menține polarizarea, cuprinzând fibre care mențin polarizarea și un cadru proiectat cu precizie. Construcția acestei bucle implică o metodă de înfășurare simetrică de patru ori, completată de un gel de etanșare unic pentru a forma o bobină de buclă de fibră în stare solidă.
Caracteristici cheie aleFibră optică pentru menținerea polarizării Gyro Coil
▶ Design cadru unic:Buclele giroscopului au un cadru distinctiv care găzduiește cu ușurință diferite tipuri de fibre care mențin polarizarea.
▶ Tehnica de înfășurare simetrică de patru ori:Tehnica de înfășurare simetrică de patru ori minimizează efectul Shupe, asigurând măsurători precise și fiabile.
▶ Material avansat de gel de etanșare:Folosirea de materiale avansate de gel de etanșare, combinată cu o tehnică unică de întărire, îmbunătățește rezistența la vibrații, făcând aceste bucle de giroscop ideale pentru aplicații în medii solicitante.
▶ Stabilitatea coerenței la temperaturi ridicate:Buclele giroscopului prezintă o stabilitate de coerență ridicată la temperatură, asigurând acuratețe chiar și în condiții termice diferite.
▶ Cadru ușor simplificat:Buclele giroscopului sunt proiectate cu un cadru simplu, dar ușor, garantând o precizie ridicată de procesare.
▶Proces de bobinare consistent:Procesul de înfășurare rămâne stabil, adaptându-se la cerințele diverselor giroscoape cu fibră optică de precizie.
Referinţă
Groves, PD (2008). Introducere în navigația inerțială.Jurnalul de navigație, 61(1), 13-28.
El-Sheimy, N., Hou, H. și Niu, X. (2019). Tehnologii de senzori inerțiali pentru aplicații de navigație: stadiul tehnicii.Navigație prin satelit, 1(1), 1-15.
Woodman, OJ (2007). O introducere în navigația inerțială.Universitatea din Cambridge, Laboratorul de calculatoare, UCAM-CL-TR-696.
Chatila, R., & Laumond, JP (1985). Referință de poziție și modelare coerentă a lumii pentru roboții mobili.În Proceedings of the 1985 IEEE International Conference on Robotics and Automation(Vol. 2, pp. 138-145). IEEE.
Ai nevoie de o consultație gratuită?
UNELE DIN PROIECTELE MELE
LUCRĂRI GENIALE LA CARE AM CONTRIBUIT. CU MÂNDRIE!
