Ce este navigația inerțială?
Fundamentele navigației inerțiale
Principiile fundamentale ale navigației inerțiale sunt similare cu cele ale altor metode de navigație. Aceasta se bazează pe achiziționarea de informații cheie, inclusiv poziția inițială, orientarea inițială, direcția și orientarea mișcării în fiecare moment și integrarea progresivă a acestor date (analog operațiilor de integrare matematică) pentru a determina cu precizie parametrii de navigație, cum ar fi orientarea și poziția.
Rolul senzorilor în navigația inerțială
Pentru a obține informații despre orientarea (atitudinea) și poziția curentă a unui obiect în mișcare, sistemele de navigație inerțială utilizează 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 viteză 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 purtătorului.
Principiile de funcționare ale sistemelor de navigație inerțială
Sistemele de navigație inerțială funcționează ca sisteme de navigație interne autonome, cu buclă închisă. Acestea nu se bazează pe actualizări externe de date în timp real pentru a corecta erorile din timpul mișcării portavionului. Ca atare, un singur sistem de navigație inerțială este potrivit pentru sarcini de navigație de scurtă durată. Pentru operațiuni de lungă durată, acesta trebuie combinat cu alte metode de navigație, cum ar fi sistemele de navigație bazate pe satelit, pentru a corecta periodic erorile interne acumulate.
Ascunderea navigației inerțiale
În tehnologiile moderne de navigație, inclusiv navigația cerească, navigația prin satelit și radionavigația, navigația inerțială se remarcă prin faptul că este autonomă. Nu emite semnale către mediul extern și nici nu depinde de obiecte cerești sau de semnale externe. Prin urmare, sistemele de navigație inerțială oferă cel mai înalt nivel de disimulare, fiind ideale pentru aplicații care necesită cea mai mare confidențialitate.
Definiția oficială a navigației inerțiale
Sistemul inerțial de navigație (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, utilizând în același timp ieșirea accelerometrelor pentru a calcula viteza și poziția purtătorului în sistemul de coordonate de navigație.
Aplicații ale navigației inerțiale
Tehnologia inerțială a găsit aplicații la scară largă în diverse domenii, inclusiv industria aerospațială, aviația, domeniul maritim, explorarea petrolului, geodezia, studiile oceanografice, forajul geologic, robotica și sistemele feroviare. Odată cu apariția senzorilor inerțiali avansați, tehnologia inerțială și-a extins utilitatea în industria auto și în dispozitivele electronice medicale, printre alte domenii. Această gamă tot mai largă de aplicații subliniază rolul din ce în ce mai important al navigației inerțiale în furnizarea de capabilități de navigare și poziționare de înaltă precizie pentru o multitudine de aplicații.
Componenta principală a ghidării inerțiale:Giroscop cu fibră optică
Introducere în giroscoapele cu fibră optică
Sistemele de navigație inerțială se bazează în mare măsură pe acuratețea și precizia componentelor lor principale. 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
Fibrele optice optice (FOG) 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. Când purtătorul, încorporat în FOG, se rotește, diferența de timp de deplasare dintre cele două fascicule este proporțională cu viteza unghiulară de rotație a purtătorului. Această întârziere, cunoscută sub numele de defazaj Sagnac, este apoi măsurată cu precizie, permițând FOG să furnizeze date precise privind rotația purtătorului.
Principiul unui giroscop cu fibră optică implică emiterea unui fascicul de lumină de la un fotodetector. Acest fascicul de lumină trece printr-un cuplor, intrând dintr-un capăt și ieșind din celălalt. Apoi se deplasează printr-o buclă optică. Două fascicule de lumină, venind din direcții diferite, intră în buclă și completează o suprapunere coerentă după ce se rotesc în cerc. Lumina care se întoarce reintră într-o diodă emițătoare de lumină (LED), care este utilizată pentru a-i detecta intensitatea. Deși principiul unui giroscop cu fibră optică poate părea simplu, cea mai semnificativă provocare constă în eliminarea factorilor care afectează lungimea drumului optic al celor două fascicule de lumină. Aceasta este una dintre cele mai critice probleme întâlnite în dezvoltarea giroscoapelor cu fibră optică.
1: diodă superluminiscentă 2: diodă fotodetector
3. cuplaj sursă de lumină 4.cuplaj inelar cu fibră 5. inel de fibră optică
Avantajele giroscoapelor cu fibră optică
Giroscoapele inerțiale (FOG) oferă mai multe avantaje care le fac neprețuite în sistemele de navigație inerțială. Sunt renumite pentru precizia, fiabilitatea și durabilitatea lor excepționale. Spre deosebire de giroscoapele mecanice, FOG-urile nu au piese mobile, reducând riscul de uzură. În plus, sunt rezistente la șocuri și vibrații, ceea ce le face 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 giroscoape FOG datorită preciziei și fiabilității lor ridicate. Aceste giroscoape oferă măsurători cruciale ale vitezei unghiulare necesare pentru determinarea precisă a orientării și poziției. Prin integrarea FOG-urilor în sistemele de navigație inerțială existente, operatorii pot beneficia de o precizie îmbunătățită a navigației, în special în situațiile în care este necesară o precizie extremă.
Aplicații ale giroscoapelor cu fibră optică în navigația inerțială
Includerea sistemelor FOG a extins aplicațiile sistemelor de navigație inerțială în diverse domenii. În industria aerospațială și aviație, sistemele echipate cu FOG oferă soluții de navigație precise pentru aeronave, drone și nave spațiale. De asemenea, acestea sunt utilizate pe scară largă în navigația maritimă, studii geologice și robotică avansată, permițând acestor sisteme să funcționeze cu performanțe și fiabilitate sporite.
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 fiindgiroscop cu fibră optică cu menținere a polarizării în buclă închisăÎn centrul acestui giroscop se aflăbuclă de fibră care menține polarizarea, cuprinzând fibre care mențin polarizarea și o structură proiectată cu precizie. Construcția acestei bucle implică o metodă de înfășurare simetrică în patru rânduri, completată de un gel de etanșare unic pentru a forma o bobină de fibră în stare solidă.
Caracteristici cheie aleFibră optică G cu menținere a polarizăriiBobină Yro
▶Design unic al cadrului:Buclele giroscopice prezintă un design distinctiv al cadrului care se potrivește cu ușurință diferitelor tipuri de fibre care mențin polarizarea.
▶Tehnica de înfășurare simetrică cvadrupla:Tehnica de înfășurare simetrică cvadrupla minimizează efectul Shupe, asigurând măsurători precise și fiabile.
▶Material avansat de gel de etanșare:Utilizarea unor materiale avansate de gel de etanșare, combinată cu o tehnică unică de întărire, sporește rezistența la vibrații, făcând aceste bucle giroscopice ideale pentru aplicații în medii solicitante.
▶Stabilitate la coerență la temperaturi ridicate:Buclele giroscopice prezintă o stabilitate ridicată a coerenței la temperatură, asigurând precizie chiar și în condiții termice variabile.
▶Cadru ușor simplificat:Buclele giroscopului sunt proiectate cu o structură simplă, dar ușoară, garantând o precizie ridicată a procesării.
▶Proces de înfășurare consistent:Procesul de înfășurare rămâne stabil, adaptându-se cerințelor diferitelor giroscoape de precizie cu fibră optică.
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 actual al tehnologiei.Navigație prin satelit, 1(1), 1-15.
Woodman, OJ (2007). Introducere în navigația inerțială.Universitatea din Cambridge, Laboratorul de Informatică, UCAM-CL-TR-696.
Chatila, R. și Laumond, JP (1985). Referința poziției și modelarea consistentă a lumii pentru roboți mobili.În lucrările Conferinței Internaționale IEEE din 1985 privind Robotica și Automatizarea(Vol. 2, pp. 138-145). IEEE.
Ai nevoie de o consultație gratuită?
CÂTEVA DINTRE PROIECTELE MELE
LUCRĂRI GROZAVE LA CARE AM CONTRIBUIT. CU MÂNDRIE!
