Инерциальная навигационная система - Inertial navigation system

Инерциальное навигационное устройство 1950-х годов, разработанное в Массачусетском технологическом институте.

An инерциальная навигационная система (INS) это навигация устройство, которое использует компьютер, датчики движения (акселерометры ) и датчики вращения (гироскопы ) для непрерывного вычисления счисление положение, ориентация и скорость (направление и скорость движения) движущегося объекта без необходимости внешних ссылок.[1] Часто инерционные датчики дополняются барометрическим высотомером, а иногда и магнитными датчиками (магнитометры ) и / или устройства измерения скорости. ИНС используются на мобильные роботы[2][3] и на таких транспортных средствах, как корабли, самолет, подводные лодки, управляемые ракеты, и космический корабль.[нужна цитата ] Другие термины, используемые для обозначения инерциальных навигационных систем или близких к ним устройств, включают: инерциальная система наведения, инерционный прибор, инерциальная единица измерения (ИДУ) и многие другие варианты. Старые системы INS обычно использовали инерционная платформа в качестве точки крепления к автомобилю, и эти термины иногда считаются синонимами.

Сравнение точности различных навигационных систем. Радиус круга указывает на точность. Меньший радиус соответствует большей точности.

Обзор

Инерциальная навигация - это автономный метод навигации, в котором измерения, обеспечиваемые акселерометрами и гироскопами, используются для отслеживания положения и ориентации объекта относительно известной начальной точки, ориентации и скорости. Инерциальные единицы измерения (IMU) обычно содержат три ортогональных гироскопа скорости и три ортогональных акселерометра, измеряющих угловую скорость и линейное ускорение соответственно. Обработка сигналов от этих устройств позволяет отслеживать положение и ориентацию устройства.

Инерциальная навигация используется в широком диапазоне приложений, включая навигацию самолетов, тактических и стратегических ракет, космических кораблей, подводных лодок и кораблей. Он также встроен в большинство современных мобильных телефонов для определения местоположения и отслеживания мобильного телефона. [4][5] Последние достижения в строительстве микроэлектромеханические системы (MEMS) сделали возможным производство небольших и легких инерциальных навигационных систем. Эти достижения расширили диапазон возможных приложений, включив такие области, как человек и животные. захвата движения.

Инерциальная навигационная система включает, по крайней мере, компьютер и платформу или модуль, содержащий акселерометры, гироскопы, или другие устройства обнаружения движения. INS изначально получает информацию о своем местоположении и скорости от другого источника (человек-оператор, спутниковый приемник GPS и т. Д.) Вместе с исходной ориентацией, а затем вычисляет свое собственное обновленное положение и скорость путем интегрирования информации, полученной от датчиков движения. Преимущество INS в том, что он не требует внешних ссылок для определения своего положения, ориентации или скорости после инициализации.

ИНС может обнаруживать изменение своего географического положения (например, движение на восток или север), изменение его скорости (скорости и направления движения) и изменение его ориентации (вращение вокруг оси). Он делает это путем измерения линейного ускорения и угловой скорости, приложенных к системе. Поскольку он не требует внешней ссылки (после инициализации), он невосприимчив к заклинивание и обман.

Инерциальные навигационные системы используются во многих различных движущихся объектах. Однако их стоимость и сложность накладывают ограничения на среду, в которой они практичны для использования.

Гироскопы измеряют угловая скорость корпуса датчика по отношению к инерциальная система отсчета. Используя исходную ориентацию системы в инерциальной системе отсчета в качестве начальное состояние и интеграция угловая скорость, текущая ориентация системы всегда известна. Это можно представить как способность пассажира в автомобиле с завязанными глазами чувствовать, как автомобиль поворачивается влево и вправо или наклоняется вверх и вниз, когда автомобиль поднимается или спускается с холма. Основываясь только на этой информации, пассажир знает, в каком направлении смотрит автомобиль, но не знает, насколько быстро или медленно он движется или скользит ли он вбок.

Акселерометры измеряют линейное ускорение движущегося транспортного средства в датчике или раме кузова, но в направлениях, которые можно измерить только относительно движущейся системы (поскольку акселерометры прикреплены к системе и вращаются вместе с системой, но не знают об их собственная ориентация). Это можно представить как способность пассажира в автомобиле с завязанными глазами чувствовать, что его прижимают обратно к сиденью, когда автомобиль ускоряется, или тянет вперед, когда он замедляется; и чувствую себя прижатым к своему сиденью, когда автомобиль ускоряется в гору или поднимается со своего места, когда автомобиль проезжает по гребню холма и начинает спуск. Основываясь только на этой информации, он знает, как транспортное средство ускоряется относительно самого себя, то есть ускоряется ли оно вперед, назад, влево, вправо, вверх (к потолку автомобиля) или вниз (к полу автомобиля), измеренное относительно. к машине, но не в направлении относительно Земли, поскольку он не знал, в каком направлении машина была обращена относительно Земли, когда они чувствовали ускорение.

Однако, отслеживая как текущую угловую скорость системы, так и текущее линейное ускорение системы, измеренное относительно движущейся системы, можно определить линейное ускорение системы в инерциальной системе отсчета. Выполнение интегрирования инерционных ускорений (с использованием исходной скорости в качестве начальных условий) с использованием правильного кинематические уравнения дает инерционные скорости системы, а повторное интегрирование (используя исходное положение в качестве начального условия) дает инерционное положение. В нашем примере, если пассажир с завязанными глазами знал, как была направлена ​​машина и какова была ее скорость до того, как ему завязали глаза, и если он мог отслеживать как поворачивалась машина, так и как она с тех пор ускорялась и замедлялась, тогда он может точно знать текущую ориентацию, положение и скорость автомобиля в любое время.

Скорость дрейфа

Все инерционный Навигационные системы страдают от дрейфа интеграции: небольшие ошибки в измерении ускорения и угловой скорости объединяются во все более крупные ошибки скорости, которые усугубляются еще большими ошибками в определении местоположения.[6][7]Поскольку новое положение вычисляется из предыдущего рассчитанного положения и измеренных ускорений и угловой скорости, эти ошибки накапливаются примерно пропорционально времени, прошедшему с момента ввода исходного положения. Даже самые лучшие акселерометры со стандартной погрешностью 10 мкг накапливают ошибку 50 метров в течение 17 минут.[8] Следовательно, положение необходимо периодически корректировать, вводя данные от навигационной системы другого типа.

Соответственно, инерциальная навигация обычно используется в дополнение к другим навигационным системам, обеспечивая более высокую степень точности, чем это возможно при использовании любой отдельной системы. Например, если при наземном использовании инерционно отслеживаемая скорость периодически обновляется до нуля путем остановки, положение будет оставаться точным в течение гораздо более длительного времени, так называемая обновление нулевой скорости. В частности, в авиакосмической сфере для определения неточностей INS используются другие системы измерения, например в инерциальных навигационных системах Honeywell LaseRefV используется GPS и компьютер данных по воздуху результаты для поддержания необходимые навигационные характеристики. Погрешность навигации увеличивается с меньшей чувствительностью используемых датчиков. В настоящее время разрабатываются устройства, объединяющие разные датчики, например система ориентации и курса. Поскольку на ошибку навигации в основном влияет численное интегрирование угловых скоростей и ускорений Система сравнения давления был разработан для использования одного численного интегрирования измерений угловой скорости.

Теория оценок в целом и Фильтрация Калмана особенно,[9] обеспечивают теоретическую основу для объединения информации от различных датчиков. Одним из наиболее распространенных альтернативных датчиков является спутниковая навигация радио, такое как GPS, который может использоваться для всех видов транспортных средств с прямой видимостью неба. Внутренние приложения могут использовать шагомеры, оборудование для измерения расстояния или другие датчики положения. Путем правильного объединения информации от ИНС и других систем (GPS / ИНС ), ошибки положения и скорости равны стабильный. Кроме того, INS может использоваться в качестве краткосрочного отката, когда сигналы GPS недоступны, например, когда транспортное средство проезжает через туннель.

В 2011 году глушение GPS на гражданском уровне стало проблемой правительства.[10] Относительная легкость подавления этих систем побудила военных уменьшить зависимость навигации от технологии GPS.[11] Датчики инерциальной навигации не могут быть заблокированы.[12] В 2012 году исследователи из Исследовательская лаборатория армии США сообщили об инерциальном измерительном блоке, состоящем из трехосных акселерометров микро-электромеханической системы и трехосных гироскопов с размером матрицы 10, которые имели Фильтр Калмана алгоритм для оценки мешающих параметров датчика (ошибок), положения и скорости боеприпаса.[11] Каждый массив измеряет шесть точек данных, и система координирует данные вместе, чтобы предоставить решение для навигации. Если один датчик постоянно превышает или недооценивает расстояние, система может отрегулировать, корректируя вклад поврежденного датчика в окончательный расчет.[13]

Добавление эвристического алгоритма уменьшило ошибку расчетной дальности полета со 120 м до 40 м от обозначенной цели. Исследователи объединили алгоритм с GPS или радарной технологией для инициализации и помощи алгоритму навигации. В разные моменты полета боеприпаса они отключили сопровождение и оценили точность приземления боеприпаса. В сорок секундном полете, 10 и 20 секунд доступности помощи продемонстрировали небольшую разницу в ошибке, поскольку оба были примерно в 35 метрах от цели. Никакой заметной разницы не наблюдалось, когда эксперименты проводились со 100 матрицами датчиков, а не с десятью.[11] Исследователи указывают, что эти ограниченные экспериментальные данные означают оптимизацию навигационных технологий и потенциальное снижение стоимости военных систем.[13]

История

Инерциальные навигационные системы изначально разрабатывались для ракеты. Пионер американской ракетной техники Роберт Годдард экспериментировал с элементарными гироскопический системы. Системы доктора Годдарда вызвали большой интерес у современных немецких пионеров, включая Вернер фон Браун. Эти системы получили более широкое распространение с появлением космический корабль, управляемые ракеты, и коммерческие авиалайнеры.

Ранний немецкий Вторая Мировая Война Системы наведения V2 объединил два гироскопа и боковой акселерометр с простым аналоговый компьютер отрегулировать азимут для ракеты в полете. Аналоговые компьютерные сигналы использовались для управления четырьмя графит рули в выхлопе ракеты для управления полетом. Система GN&C (Guidance, Navigation and Control) для V2 предоставила множество инноваций в виде интегрированной платформы с управлением по замкнутому циклу. В конце войны фон Браун спроектировал передачу американцам 500 своих ведущих ученых-ракетчиков, а также планы и испытательные машины. Они прибыли в Форт Блисс, Техас в 1945 г. в соответствии с положениями Операция Скрепка и впоследствии были перемещены в Хантсвилл, Алабама, в 1950 г.[14] где они работали в программах ракетных исследований армии США.

В начале 1950-х годов правительство США хотело обезопасить себя от чрезмерной зависимости от немецкой команды в военных приложениях, включая разработку полностью внутренней программы наведения ракет. Приборная лаборатория Массачусетского технологического института (впоследствии ставшая Лаборатория Чарльза Старка Дрейпера, Inc.) было выбрано Западным отделом разработки ВВС США для обеспечения автономной системы наведения для Convair в Сан Диего для новой межконтинентальной баллистической ракеты Атлас [15][16][17][18] (Строительство и испытания были выполнены подразделением Arma компании AmBosch Arma). Техническим наблюдателем за задачей Массачусетского технологического института был молодой инженер по имени Джим Флетчер, который позже работал администратором НАСА. Система наведения Atlas должна была представлять собой комбинацию бортовой автономной системы и наземной системы слежения и управления. В конечном итоге автономная система стала преобладать в баллистических ракетах по очевидным причинам. В освоении космоса остается смесь двух.

Летом 1952 года д-р Ричард Баттин и д-р. Дж. Холкомб "Хэл" Лэнинг-младший, исследовал вычислительные решения для управления и провел начальную аналитическую работу по инерционному наведению Atlas в 1954 году. Другими ключевыми фигурами в Convair были Чарли Боссарт, главный инженер, и Вальтер Швейдецки, руководитель группы управления. Швейдецкий работал с фон Брауном в Пенемюнде во время Второй мировой войны.

Исходная система управления Delta оценила разницу в положении от эталонной траектории. Расчет скорости, которую необходимо набрать (VGO), выполняется для корректировки текущей траектории с целью приведения VGO к нулю. Математика этого подхода была принципиально верной, но отказалась от нее из-за проблем с точным инерционным наведением и аналоговой вычислительной мощностью. Проблемы, с которыми столкнулась компания Delta, были преодолены системой Q (см. Q-руководство ) руководства. Революция системы Q заключалась в том, чтобы связать задачи наведения ракеты (и соответствующие уравнения движения) в матрице Q. Матрица Q представляет собой частные производные скорости по отношению к вектору положения. Ключевая особенность этого подхода позволила использовать компоненты векторного векторного произведения (v, xdv, / dt) в качестве основных сигналов скорости автопилота - метод, который стал известен как управление между продуктами. Q-система была представлена ​​на первом техническом симпозиуме по баллистическим ракетам, состоявшемся в Ramo-Wooldridge Corporation в Лос-Анджелесе 21 и 22 июня 1956 года. Система Q была секретной информацией до 1960-х годов. Выводы этого наведения используются для современных ракет.

Наведение человека в космическом полете

В феврале 1961 года НАСА заключило с Массачусетским технологическим институтом контракт на предварительное проектирование системы наведения и навигации для Аполлона. MIT и Delco Electronics Div. компании General Motors Corp. получили совместный контракт на проектирование и производство систем наведения и навигации Apollo для командного модуля и лунного модуля. Delco произвела IMU (Инерционные единицы измерения ) для этих систем компания Kollsman Instrument Corp. произвела оптические системы, а Компьютер наведения Apollo был построен Raytheon по субподряду (см. бортовую систему наведения, навигации и управления Apollo, Дэйв Хоаг, Конференция по посвящению в Международный зал космической славы в Аламогордо, штат Нью-Мексико, октябрь 1976 г.[19]).

Для космического корабля "Шаттл" использовалось наведение разомкнутого контура (без обратной связи) для направления "Шаттл" от старта до отделения твердотопливного ракетного ускорителя (SRB). После отделения SRB основное наведение Space Shuttle называется PEG (Powered Explicit Guidance). PEG учитывает как систему Q, так и атрибуты предиктора-корректора исходной системы «Дельта» (руководство PEG). Хотя за последние 30 лет произошло множество обновлений навигационной системы Shuttle (например, GPS в сборке OI-22), ядро ​​наведения системы Shuttle GN&C претерпело небольшие изменения. Внутри пилотируемой системы для системы наведения необходим человеческий интерфейс. Поскольку астронавты являются заказчиками системы, было сформировано много новых команд, которые работают с GN&C, поскольку она является основным интерфейсом для «управления» аппаратом.

Инерциальное наведение самолета

Одним из примеров популярной INS для коммерческих самолетов был Delco Carousel, что обеспечило частичную автоматизацию навигации в дни до завершения системы управления полетом стало обычным явлением. Карусель позволяла пилотам вводить 9 путевых точек одновременно, а затем направлять самолет от одной путевой точки к другой, используя ИНС для определения положения и скорости воздушного судна. Корпорация Boeing заключила договор субподряда с Delco Electronics Div. General Motors для разработки и производства первых серийных систем Carousel для ранних моделей (-100, -200 и -300) самолетов 747. Боинг 747 использовал три системы карусели, работающие согласованно для обеспечения надежности. Система «Карусель» и ее производные впоследствии были приняты для использования во многих других коммерческих и военных самолетах. C-141 ВВС США был первым военным самолетом, который использовал карусель в конфигурации с двойной системой, за ним последовал C-5A, который использовал тройную конфигурацию INS, аналогичную 747. Парк KC-135 был оснащен двойной системой карусели. Этому способствовал доплеровский радар. Параметр ARINC 704 определяет ИНС, используемую на коммерческом воздушном транспорте.

Подробнее об инерциальных навигационных системах

Динамика полета с text.png
Инерциальный навигационный блок французского языка IRBM S3.

ИНС содержат Инерционные единицы измерения (IMU), которые имеют угловые и линейные акселерометры (для изменения положения); некоторые IMU включают гироскопический элемент (для поддержания абсолютного углового отсчета).

Угловые акселерометры измеряют, как автомобиль вращается в пространстве. Как правило, существует по крайней мере один датчик для каждой из трех осей: тангажа (нос вверх и вниз), рыскания (нос влево и вправо) и крена (по часовой стрелке или против часовой стрелки из кабины).

Линейные акселерометры измеряют негравитационные ускорения[20] автомобиля. Поскольку он может перемещаться по трем осям (вверх и вниз, влево и вправо, вперед и назад), для каждой оси имеется линейный акселерометр.

Компьютер постоянно вычисляет текущее положение автомобиля. Во-первых, для каждого из шести степени свободы (x, y, z и θИкс, θу и θz), он интегрирует во времени измеренное ускорение вместе с оценкой силы тяжести для вычисления текущей скорости. Затем он интегрирует скорость для вычисления текущего положения.

Инерциальное наведение сложно без компьютеров. Желание использовать инерционное наведение в Ракета Минитмен и Проект Аполлон привели к ранним попыткам миниатюризировать компьютеры.

Инерционные системы наведения теперь обычно комбинируют с системы спутниковой навигации через систему цифровой фильтрации. Инерциальная система предоставляет краткосрочные данные, а спутниковая система исправляет накопленные ошибки инерциальной системы.

Инерционная система наведения, которая будет работать у поверхности земли, должна включать Тюнинг Schuler так что его платформа будет продолжать указывать к центру земли, когда транспортное средство перемещается с места на место.

Базовые схемы

Подвесные гиростабилизированные платформы

В некоторых системах линейные акселерометры размещаются на карданной гиростабилизированной платформе. В подвесы представляют собой набор из трех колец, каждое из которых изначально имеет пару подшипников под прямым углом. Они позволяют платформе вращаться вокруг любой оси вращения (или, скорее, они позволяют платформе сохранять ту же ориентацию, пока транспортное средство вращается вокруг нее). Есть два гироскопы (обычно) на платформе.

Два гироскопа используются для отмены гироскопическая прецессия, тенденция гироскопа скручиваться под прямым углом к ​​входному крутящему моменту. При установке пары гироскопов (с одинаковой инерцией вращения и вращающихся с одинаковой скоростью в противоположных направлениях) под прямым углом прецессии отменяются, и платформа будет сопротивляться скручиванию.[нужна цитата ]

Эта система позволяет измерять углы крена, тангажа и рыскания автомобиля непосредственно на опорах карданных подвесов. Для суммирования линейных ускорений можно использовать относительно простые электронные схемы, поскольку направления линейных акселерометров не меняются.

Большим недостатком этой схемы является то, что в ней используется много дорогих прецизионных механических деталей. Он также имеет движущиеся части которые могут изнашиваться или заклиниваться и уязвимы для карданный замок. В система первичного наведения из Космический корабль Аполлон использовал трехосную гиростабилизированную платформу, передавая данные в Компьютер наведения Apollo. Маневры нужно было тщательно планировать, чтобы избежать блокировки кардана.

Гиростабилизированные платформы на гидравлической подвеске

Блокировка карданного подвеса ограничивает маневрирование, поэтому было бы полезно устранить контактные кольца и подшипники кардана. Поэтому в некоторых системах для установки гиростабилизированной платформы используются жидкостные подшипники или флотационная камера. Эти системы могут иметь очень высокую точность (например, Расширенная инерциальная эталонная сфера ). Как и все гиростабилизированные платформы, эта система хорошо работает с относительно медленными маломощными компьютерами.

Жидкостные подшипники представляют собой подушки с отверстиями, через которые сжатый инертный газ (например, гелий) или масло прижимается к сферической оболочке платформы. Жидкостные подшипники очень скользкие, а сферическая платформа может свободно вращаться. Обычно имеется четыре опорные подушки, установленные по четырехгранной схеме для поддержки платформы.

В системах премиум-класса угловые датчики обычно специализированные. трансформатор катушки выполнены в виде полосы на гибкой печатная плата. На нем установлено несколько лент катушек. большие круги вокруг сферической оболочки гиростабилизированной платформы. Электроника за пределами платформы использует аналогичные полосовые трансформаторы для считывания переменных магнитных полей, создаваемых трансформаторами, обернутыми вокруг сферической платформы. Каждый раз, когда магнитное поле меняет форму или движется, оно перерезает провода катушек на внешних полосках трансформатора. Резка генерирует электрический ток во внешних полосовых катушках, и электроника может измерять этот ток для определения углов.

В дешевых системах иногда используют штрих-коды чувствовать ориентации и использовать солнечные батареи или один трансформатор для питания платформы. Некоторые небольшие ракеты питали платформу светом из окна или оптоволоконным кабелем, идущим к двигателю. Тема исследования - подвесить платформу давлением выхлопных газов. Данные возвращаются во внешний мир через трансформаторы или иногда Светодиоды общение с внешними фотодиоды.

Бесплатформенные системы

Легкие цифровые компьютеры позволяют системе устранять подвесы, создавая страпон системы, названные так потому, что их датчики просто привязаны к автомобилю. Это снижает стоимость, исключает карданный замок, устраняет необходимость в некоторых калибровках и повышает надежность за счет устранения некоторых движущихся частей. Датчики угловой скорости называются скорость гироскопов измерить угловую скорость автомобиля.

Бесплатформенной системе требуется динамический диапазон измерений в несколько сотен раз больше, чем требуется для подвесной системы. То есть он должен учитывать изменения положения транспортного средства по тангажу, крену и рысканью, а также грубые движения. Системы с подвесом обычно хорошо работают с частотой обновления 50–60 Гц. Однако бесплатформенные системы обычно обновляют около 2000 Гц. Более высокая скорость необходима для того, чтобы навигационная система могла точно интегрировать угловую скорость в ориентацию.

Алгоритмы обновления данных (направляющие косинусы или кватернионы ) слишком сложны, чтобы их можно было точно выполнить, кроме как с помощью цифровой электроники. Однако, цифровые компьютеры стали настолько недорогими и быстрыми, что гироскопические системы теперь можно практически использовать и производить серийно. Аполлон лунный модуль использовал бесплатформенную систему в резерве Отмена системы навигации (AGS).

Бесплатформенные системы в настоящее время широко используются в коммерческих и военных приложениях (самолеты, корабли, ТПА, ракеты, так далее.). Современные бесплатформенные системы основаны на Кольцевые лазерные гироскопы, Волоконно-оптические гироскопы или Гироскопы с полусферическим резонатором. Они используют цифровую электронику и передовые методы цифровой фильтрации, такие как Фильтр Калмана.

Выравнивание на основе движения

Ориентацию гироскопической системы иногда также можно определить просто из истории ее положения (например, GPS). В частности, это касается самолетов и автомобилей, где вектор скорости обычно подразумевает ориентацию кузова транспортного средства.

Например, Honeywell с Выровнять в движении[21] это процесс инициализации, при котором инициализация происходит во время движения ЛА, в воздухе или на земле. Это достигается с помощью GPS и инерционный тест на разумность, позволяющий удовлетворить требования целостности коммерческих данных. Этот процесс был сертифицирован FAA для восстановления чистых характеристик INS, эквивалентных процедурам стационарного выравнивания, для гражданских полетов продолжительностью до 18 часов. Он позволяет избежать необходимости в аккумуляторах гироскопа на борту самолета.

Вибрационные гироскопы

Основная статья: вибрирующий гироскоп

Менее дорогие навигационные системы, предназначенные для использования в автомобилях, могут использовать вибрирующий гироскоп для определения изменений курса и снятия показаний одометра для измерения пройденного расстояния по трассе транспортного средства. Этот тип системы гораздо менее точен, чем INS более высокого уровня, но он подходит для типичного автомобильного применения, где GPS является основной навигационной системой и счисление требуется только для заполнения пробелов в покрытии GPS, когда здания или местность блокируют спутниковые сигналы.

Гироскопы с полусферическими резонаторами (винные или грибные гироскопы)

Основная статья: Полусферический резонаторный гироскоп

Если стоячая волна индуцируется в полусферической резонансной структуре, а затем резонансная структура вращается, стоячая сферическая гармоническая волна вращается на угол, отличный от кварцевой резонаторной структуры, из-за силы Кориолиса. Движение внешнего корпуса относительно структуры стоячей волны пропорционально общему углу поворота и может быть обнаружено соответствующей электроникой. Резонаторы системы изготовлены из плавленый кварц благодаря отличным механическим свойствам. Электроды, которые возбуждают и воспринимают стоячие волны, наносятся непосредственно на отдельные кварцевые структуры, окружающие резонатор. Эти гироскопы могут работать либо в режиме полного угла (что дает им практически неограниченные возможности скорости), либо в режиме перебалансировки сил, который удерживает стоячую волну в фиксированной ориентации по отношению к корпусу гироскопа (что дает им гораздо лучшую точность).

Эта система почти не имеет движущихся частей и очень точна. Однако это все еще относительно дорого из-за стоимости прецизионных и полированных полых кварцевых полусфер. Northrop Grumman в настоящее время производит IMU (инерциальные единицы измерения ) для космических аппаратов, использующих ГРГ. Эти IMU продемонстрировали чрезвычайно высокую надежность с момента их первого использования в 1996 году.[22] Safran производит большое количество HRG инерционные системы, предназначенные для широкого спектра приложений.[23]

Датчики скорости кварцевые

Кварцевый датчик скорости внутри E-Sky модель вертолета

Эти продукты включают «гироскопы с камертонами». Здесь гироскоп выполнен в виде камертона с электронным управлением, который часто изготавливается из цельного куска кварца или кремния. Такие гироскопы работают в соответствии с динамической теорией, согласно которой при приложении угловой скорости к перемещающемуся телу Сила Кориолиса генерируется.

Эта система обычно встроена в кремниевый чип. У него есть два кварцевых камертона с балансировкой по массе, расположенные «ручка к ручке», поэтому силы нейтрализуются. Алюминиевые электроды, испаренные на вилки и находящуюся под ними микросхему, как управляют, так и воспринимают движение. Система отличается технологичностью и недорого. Поскольку кварц имеет стабильные размеры, система может быть точной.

Поскольку вилы скручиваются вокруг оси рукоятки, вибрация зубцов имеет тенденцию продолжаться в той же плоскости движения. Этому движению должны препятствовать электростатические силы электродов под зубьями.Измеряя разницу в емкости между двумя зубцами вилки, система может определить скорость углового движения.

Современное состояние невоенных технологий (по состоянию на 2005 г.) может создавать небольшие твердотельные датчики, которые могут измерять движения человеческого тела. Эти устройства не имеют движущихся частей и весят около 50 граммов (2 унции).

Твердотельные устройства, использующие те же физические принципы, используются для стабилизация изображения в небольших фотоаппаратах или видеокамерах. Они могут быть очень маленькими, около 5 миллиметров (0,20 дюйма) и построены из микроэлектромеханические системы (MEMS) технологии.[24]

Датчик MHD

Основная статья: Датчик MHD

Датчики на основе магнитогидродинамические принципы может использоваться для измерения угловых скоростей.

Гироскоп MEMS

Основная статья: Гироскоп MEMS

Гироскопы MEMS обычно используют эффект Кориолиса для измерения угловой скорости. Он состоит из резонирующей контрольной массы, установленной в кремнии. Гироскоп, в отличие от акселерометра, является активным датчиком. Пробную массу толкают взад и вперед гребнями. Вращение гироскопа создает силу Кориолиса, действующую на массу, что приводит к движению в другом направлении. Движение в этом направлении измеряется электродами и представляет собой скорость поворота.[25]

Кольцевые лазерные гироскопы (RLG)

Основная статья: Кольцевой лазерный гироскоп

А кольцо лазерный гироскоп раскалывает пучок лазер свет на два луча в противоположных направлениях через узкие туннели по замкнутому круговому оптическому пути по периметру треугольного блока термостабильного Cervit стекло с отражающими зеркалами в каждом углу. Когда гироскоп вращается с некоторой угловой скоростью, расстояние, проходимое каждым лучом, становится разным - более короткий путь противоположен вращению. Сдвиг фазы между двумя лучами может быть измерен интерферометром и пропорционален скорости вращения (Эффект Саньяка ).

На практике при низких скоростях вращения выходная частота может упасть до нуля в результате обратное рассеяние заставляя лучи синхронизироваться и блокироваться вместе. Это известно как запирание, или же лазерный замок. В результате картина интерференции не меняется, и, следовательно, измерения не изменяются.

Чтобы разблокировать встречно вращающиеся световые лучи, лазерные гироскопы либо имеют независимые световые пути для двух направлений (обычно в волоконно-оптических гироскопах), либо лазерный гироскоп устанавливается на пьезоэлектрическом двигателе дизеринга, который быстро вибрирует лазерное кольцо вперед и назад. вокруг своей входной оси через зону фиксации, чтобы развязать световые волны.

Шейкер является наиболее точным, потому что оба световых луча используют один и тот же путь. Таким образом, лазерные гироскопы сохраняют движущиеся части, но не перемещаются так далеко.

Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ)

Основная статья: Волоконно-оптический гироскоп

Более поздний вариант оптического гироскопа, волоконно-оптический гироскоп, использует внешний лазер и два луча, идущие в противоположных направлениях (встречные) в длинных катушках (несколько километров) волоконно-оптической нити, при этом разность фаз двух лучей сравнивается после их прохождения через катушки волокна.

Основной механизм, монохроматический лазерный свет, движущийся в противоположных направлениях, и Эффект Саньяка, то же самое в ВОГ и РЛГ, но технические детали существенно отличаются в ВОГ по сравнению с более ранними лазерными гироскопами.

Точная намотка волоконно-оптической катушки требуется для обеспечения максимально возможного сходства путей прохождения света в противоположных направлениях. FOG требует более сложной калибровки, чем лазерный кольцевой гироскоп, что делает разработку и производство FOG более сложной технической задачей, чем для RLG. Тем не менее, FOG не страдает от лазерной блокировки на низких скоростях и не нуждается в каких-либо движущихся частях, что увеличивает максимальную потенциальную точность и срок службы FOG по сравнению с эквивалентным RLG.

Маятниковые акселерометры

Принцип открытого цикла акселерометр. Ускорение в направлении вверх заставляет массу отклоняться вниз.

Базовый акселерометр с разомкнутым контуром состоит из груза, прикрепленного к пружине. Масса вынуждена двигаться только вдоль пружины. Ускорение вызывает отклонение массы, и измеряется расстояние смещения. Ускорение рассчитывается на основе значений расстояния отклонения, массы и жесткости пружины. Система также должна быть демпфирована, чтобы избежать колебаний. Акселерометр с замкнутым контуром обеспечивает более высокую производительность за счет использования контура обратной связи для устранения отклонения, таким образом сохраняя массу почти неподвижной. Всякий раз, когда масса отклоняется, контур обратной связи заставляет электрическую катушку прикладывать к массе столь же отрицательную силу, отменяя движение. Ускорение зависит от приложенной отрицательной силы. Поскольку масса практически не перемещается, влияние нелинейностей пружины и демпфирующей системы значительно снижается. Кроме того, этот акселерометр обеспечивает расширенную полосу пропускания, превышающую собственную частоту чувствительного элемента.

Оба типа акселерометров были изготовлены в виде интегрированного микромеханизма на кремниевых микросхемах.

Датчики TIMU (Time & Inertial Measurement Unit)

DARPA Отдел Microsystems Technology Office (MTO) работает над программой Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) для разработки микросхем тайминга и инерциального измерительного устройства (TIMU), которые отслеживают абсолютное положение на одном чипе без GPS. -система навигации.[26][27][28]

Micro-PNT добавляет высокоточные главные часы синхронизации[29] интегрирован в микросхему IMU (инерциальный измерительный блок), что делает его микросхемой синхронизирующего и инерциального измерительного блока. Чип TIMU объединяет 3-осевой гироскоп, 3-осевой акселерометр и 3-осевой магнитометр вместе с высокоточными главными часами синхронизации, так что он может одновременно измерять отслеживаемое движение и комбинировать его с синхронизацией по синхронизированным часам.[26][27]

Метод

В одной форме навигационная система уравнений получает линейные и угловые измерения от инерциальной системы и системы координат тела соответственно и вычисляет окончательное положение и положение в системе координат. NED точка зрения.

Блок-схема INS Equations.JPG

Где: f - удельная сила, - угловая скорость, а - ускорение, R - положение, и V - скорость, - угловая скорость Земли, g - ускорение свободного падения, и h - параметры местоположения NED. Кроме того, надстрочные / подстрочные индексы E, I и B представляют переменные в центрированной по отношению к Земле, инерциальной или телесной системе отсчета, соответственно, а C - преобразование опорных систем.[30]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Основные принципы инерциальной навигации, семинар по инерциальным навигационным системам» (PDF). AeroStudents.com. Технологический университет Тампере, стр. 5. Получено 17 апреля 2018.
  2. ^ Бруно Сицилиано; Усама Хатиб (20 мая 2008 г.). Справочник Springer по робототехнике. Springer Science & Business Media. ISBN  978-3-540-23957-4.
  3. ^ Джеральд Кук (14 октября 2011 г.). Мобильные роботы: навигация, управление и дистанционное зондирование. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-1-118-02904-6.
  4. ^ Ван Мохд Яакоб Ван Беджури, Мохд Муртадха Мохамад, Хадри Омар, Фархана Сайед Омар и Нурфара Айн Лимин (2019). Надежная передискретизация специальных стратегий для мобильных инерциальных навигационных систем. Международный журнал инновационных технологий и изучения инженерии. Vol. 9 (2), стр. 3196-3024,Смотрите публикацию здесь
  5. ^ Ван Мохд Яакоб Ван Беджури, Мохд Муртадха Мохамад, Раджа Захила Раджа Мохд Радзи, Шейх Хуссейн Шейх Саллех (2019). Улучшенная схема передискретизации для фильтрации частиц в инерциальной навигационной системе. Конспект лекций по информатике. Vol. 11432, стр. 555-563,Смотрите публикацию здесь
  6. ^ Сандип Кумар Шукла; Жан-Пьер Тальпен (5 августа 2010 г.). Синтез встроенного программного обеспечения: основы и методологии обеспечения правильности путем построения. Springer Science & Business Media. п. 62. ISBN  978-1-4419-6400-7.
  7. ^ Анализ инерциальных навигационных систем, Кеннет Р. Бриттинг, Wiley-Interscience, 1971.
  8. ^ Вычислено путем преобразования S = 1 / 2.a.t ^ 2 в t = √ (2s / a), где s = расстояние в метрах, a - ускорение (здесь 9,8 умноженное на g), а t - время в секундах.
  9. ^ Прикладная оптимальная оценка, Артур Гелб (редактор), M.I.T. Пресс, 1974.
  10. ^ "GPS.gov: Информация о подавлении сигнала GPS". www.gps.gov. Получено 2018-07-30.
  11. ^ а б c Фэрфакс, Луиза; Фрескони, Франк (апрель 2012 г.). «Оценка местоположения снарядов с использованием недорогих датчиков и динамики полета» (PDF).
  12. ^ «Защита военных GPS от уязвимостей спуфинга и помех - встроенные военные системы». mil-embedded.com. Получено 2018-07-30.
  13. ^ а б «Новые датчики управляемых боеприпасов - больше, чем сумма их частей». www.army.mil. Получено 2018-07-30.
  14. ^ "Биографии Спутника - Вернер фон Браун (1912–1977)". history.nasa.gov. В архиве из оригинала от 28 марта 2009 г.
  15. ^ «Введение - Engineering360». Globalspec.com. В архиве из оригинала от 20.06.2010.
  16. ^ Баттин, Р. Х. (1982). «Эволюция космического наведения - личный рассказ». Журнал динамики управления наведением. 5 (2): 97. Bibcode:1982JGCD .... 5 ... 97B. Дои:10.2514/3.19761.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  17. ^ Нойфельд, Джейкоб. «Технологический толчок». history.navy.mil. Архивировано из оригинал на 2012-12-12. Получено 9 июля 2017.
  18. ^ Маккензи, Дональд А. (1993). Изобретая точность: историческая социология наведения ядерных ракет. MIT Press. п.22. ISBN  978-0-262-63147-1.
  19. ^ К. С. Дрейпер; У. Ригли; Г. Хоаг; Р. Х. Баттин; Дж. Э. Миллер; Д. А. Косо; Доктор А. Л. Хопкинс; Д-р В. Э. Вандер Вельде (июнь 1965 г.). "Руководство и навигация Аполлона" (PDF). Web.mit.edu. В архиве (PDF) из оригинала 11 июня 2016 г.. Получено 9 июля 2017.
  20. ^ Справочник Эшбаха по основам инженерии Овидия В. Эшбаха, Байрон стр. 9
  21. ^ Weed, D .; Broderick, J .; Любовь, Дж .; Рыно, Т. (2004). «GPS Align In Motion гражданской бесплатформенной ИНС». ПЛАНЫ 2004. Симпозиум по определению местоположения и навигации (IEEE Cat. No. 04CH37556). ПЛАНЫ 2004. Симпозиум по определению местоположения и навигации (IEEE Cat. No. 04CH37556). С. 184–192. Дои:10.1109 / PLANS.2004.1308992. ISBN  0-7803-8416-4. S2CID  28811547.
  22. ^ "Гироскоп с полусферическим резонатором: от рюмки до планет, Дэвид М. Розелле" (PDF). Northropgrumman.com. В архиве (PDF) из оригинала от 21.09.2013.
  23. ^ Дефайя, Ал (4 мая 2017 г.). «Аль-Дефайя - Safran регистрирует 3000 заказов на навигационные системы на базе HRG». Defaiya.com. Получено 19 августа 2017.
  24. ^ «Кварцевые гироскопические датчики Epson Toyocom - как они работают и что нас ждет». Findmems.com. В архиве из оригинала от 16.01.2014.
  25. ^ «Гироскопы». Xsens 3D отслеживание движения. Получено 2019-01-22.
  26. ^ а б «Микротехнология позиционирования, навигации и хронометража (Micro-PNT)». darpa.mil. В архиве из оригинала 5 мая 2017 г.. Получено 9 июля 2017.
  27. ^ а б Чрезвычайная миниатюризация: семь устройств, один чип для навигации без GPS В архиве 2017-03-07 в Wayback Machine
  28. ^ «Методы микротехнологии, которые помогут провести день без GPS». darpa.mil. Архивировано из оригинал 30 июня 2013 г.. Получено 9 июля 2017.
  29. ^ «Микро-ПНТ - Часы». darpa.mil. В архиве из оригинала 17 мая 2017 г.. Получено 9 июля 2017.
  30. ^ Стовалл, Шеррил Х. (сентябрь 1997 г.). «Базовая инерциальная навигация» (PDF). globalsecurity.org. В архиве (PDF) из оригинала от 6 августа 2016 г.. Получено 9 июля 2017.

дальнейшее чтение

  • Занетти, Ренато; д'Суза, Кристофер (2020), «Инерциальная навигация», Энциклопедия систем и управления, стр. 1–7, Дои:10.1007/978-1-4471-5102-9_100036-1, ISBN  978-1-4471-5102-9
  • А.Д. Кинг (1998). «Инерциальная навигация - сорок лет эволюции» (PDF). Обзор GEC. General Electric Company plc. 13 (3): 140–149.
  • Э. против Хайнюбера (iMAR Navigation) (2011 г.). «Разработка автономной системы отсчета положения самолета со средними точными гироскопами для более высоких требований к характеристикам». Инерционные датчики и системы - Симпозиум по гироскопическим технологиям, Карлсруэ / Германия. iMAR Navigation / DGON. 2011.

внешняя ссылка