Hvad er inertial navigation?
Grundlæggende om inertial navigation
De grundlæggende principper for inerti-navigation er beslægtet med dem for andre navigationsmetoder. Den er afhængig af at indhente nøgleinformation, herunder den oprindelige position, den indledende orientering, retningen og orienteringen af bevægelse i hvert øjeblik, og progressiv integration af disse data (analogt med matematiske integrationsoperationer) for præcist at bestemme navigationsparametre, såsom orientering og position.
Sensorernes rolle i inerti-navigation
For at opnå den aktuelle orientering (holdning) og positionsinformation for et objekt i bevægelse, anvender inerti-navigationssystemer et sæt kritiske sensorer, primært bestående af accelerometre og gyroskoper. Disse sensorer måler vinkelhastighed og acceleration af bæreren i en inertiereferenceramme. Dataene integreres derefter og behandles over tid for at udlede information om hastighed og relativ position. Efterfølgende omdannes denne information til navigationskoordinatsystemet i forbindelse med de indledende positionsdata, hvilket kulminerer med bestemmelsen af den aktuelle position for transportøren.
Driftsprincipper for inertiale navigationssystemer
Inerti-navigationssystemer fungerer som selvstændige, interne lukkede navigationssystemer. De er ikke afhængige af eksterne dataopdateringer i realtid for at rette fejl under transportørens bevægelse. Som sådan er et enkelt inertinavigationssystem velegnet til kortvarige navigationsopgaver. Ved langvarige operationer skal den kombineres med andre navigationsmetoder, såsom satellitbaserede navigationssystemer, for periodisk at korrigere de akkumulerede interne fejl.
Skjulbarheden af inertial navigation
I moderne navigationsteknologier, herunder himmelnavigation, satellitnavigation og radionavigation, skiller inerti-navigation sig ud som autonom. Den udsender hverken signaler til det ydre miljø eller afhænger af himmellegemer eller eksterne signaler. Følgelig tilbyder inerti-navigationssystemer det højeste niveau af skjulthed, hvilket gør dem ideelle til applikationer, der kræver den største fortrolighed.
Officiel definition af inertial navigation
Inertial Navigation System (INS) er et navigationsparameterestimeringssystem, der anvender gyroskoper og accelerometre som sensorer. Systemet, baseret på output fra gyroskoper, etablerer et navigationskoordinatsystem, mens det udnytter outputtet fra accelerometre til at beregne hastigheden og positionen af transportøren i navigationskoordinatsystemet.
Anvendelser af inertial navigation
Inertiteknologi har fundet vidtgående anvendelser inden for forskellige områder, herunder rumfart, luftfart, maritim, olieudforskning, geodæsi, oceanografiske undersøgelser, geologisk boring, robotteknologi og jernbanesystemer. Med fremkomsten af avancerede inertisensorer har inertiteknologi udvidet sin anvendelighed til blandt andet bilindustrien og medicinsk elektronisk udstyr. Dette udvidede anvendelsesområde understreger den stadig mere afgørende rolle, som inerti-navigation spiller i at levere højpræcisionsnavigations- og positioneringsfunktioner til en lang række applikationer.
Kernekomponenten i inertivejledning:Fiberoptisk gyroskop
Introduktion til fiberoptiske gyroskoper
Inerti-navigationssystemer er stærkt afhængige af nøjagtigheden og præcisionen af deres kernekomponenter. En sådan komponent, der markant har forbedret disse systemers muligheder, er Fiber Optic Gyroscope (FOG). FOG er en kritisk sensor, der spiller en central rolle i måling af transportørens vinkelhastighed med bemærkelsesværdig nøjagtighed.
Operation af fiberoptisk gyroskop
FOG'er fungerer efter princippet om Sagnac-effekt, som involverer opdeling af en laserstråle i to separate baner, så den kan rejse i modsatte retninger langs en oprullet fiberoptisk sløjfe. Når bæreren, indlejret med FOG'en, roterer, er forskellen i rejsetid mellem de to bjælker proportional med vinkelhastigheden af bærerens rotation. Denne tidsforsinkelse, kendt som Sagnac-faseforskydningen, måles derefter præcist, hvilket gør det muligt for FOG at levere nøjagtige data vedrørende bærerens rotation.
Princippet om et fiberoptisk gyroskop involverer at udsende en lysstråle fra en fotodetektor. Denne lysstråle passerer gennem en kobler, kommer ind fra den ene ende og ud fra en anden. Den bevæger sig derefter gennem en optisk sløjfe. To lysstråler, der kommer fra forskellige retninger, går ind i sløjfen og fuldender en sammenhængende superposition efter at have cirklet rundt. Det tilbagevendende lys går igen ind i en lysdiode (LED), som bruges til at registrere dens intensitet. Selvom princippet om et fiberoptisk gyroskop kan virke ligetil, ligger den største udfordring i at eliminere faktorer, der påvirker den optiske vejlængde af de to lysstråler. Dette er et af de mest kritiske problemer, man står over for i udviklingen af fiberoptiske gyroskoper.
1: superluminescerende diode 2: fotodetektor diode
3.lyskildekobling 4.fiberringkobling 5.optisk fiberring
Fordele ved fiberoptiske gyroskoper
FOG'er tilbyder flere fordele, der gør dem uvurderlige i inerti-navigationssystemer. De er kendt for deres enestående nøjagtighed, pålidelighed og holdbarhed. I modsætning til mekaniske gyroer har FOG'er ingen bevægelige dele, hvilket reducerer risikoen for slitage. Derudover er de modstandsdygtige over for stød og vibrationer, hvilket gør dem ideelle til krævende miljøer såsom rumfart og forsvarsapplikationer.
Integration af fiberoptiske gyroskoper i inertial navigation
Inerti-navigationssystemer inkorporerer i stigende grad FOG'er på grund af deres høje præcision og pålidelighed. Disse gyroskoper giver de afgørende vinkelhastighedsmålinger, der kræves til nøjagtig bestemmelse af orientering og position. Ved at integrere FOG'er i de eksisterende inerti-navigationssystemer kan operatører drage fordel af forbedret navigationsnøjagtighed, især i situationer, hvor ekstrem præcision er nødvendig.
Anvendelser af fiberoptiske gyroskoper i inertial navigation
Inkluderingen af FOG'er har udvidet anvendelserne af inertinavigationssystemer på tværs af forskellige domæner. Inden for rumfart og luftfart tilbyder FOG-udstyrede systemer præcise navigationsløsninger til fly, droner og rumfartøjer. De bruges også i vid udstrækning i maritim navigation, geologiske undersøgelser og avanceret robotteknologi, hvilket gør det muligt for disse systemer at fungere med forbedret ydeevne og pålidelighed.
Forskellige strukturelle varianter af fiberoptiske gyroskoper
Fiberoptiske gyroskoper kommer i forskellige strukturelle konfigurationer, hvor den fremherskende, der i øjeblikket går ind på ingeniørområdet, erlukket sløjfe polarisationsvedligeholdende fiberoptisk gyroskop. Kernen i dette gyroskop erpolarisationsvedligeholdende fibersløjfe, omfattende polarisationsvedligeholdende fibre og et præcist designet rammeværk. Konstruktionen af denne løkke involverer en firedobbelt symmetrisk viklingsmetode, suppleret med en unik forseglingsgel for at danne en solid-state fiberløkkespole.
Nøglefunktioner vedPolarisationsvedligeholdende fiberoptik Gyro Coil
▶Unikt rammedesign:Gyroskopløkkerne har et karakteristisk rammedesign, der nemt kan rumme forskellige typer polarisationsvedligeholdende fibre.
▶Firefold symmetrisk viklingsteknik:Den firedobbelte symmetriske viklingsteknik minimerer Shupe-effekten, hvilket sikrer præcise og pålidelige målinger.
▶Avanceret forseglingsgelmateriale:Anvendelsen af avancerede forseglingsgelmaterialer kombineret med en unik hærdningsteknik øger modstandsdygtigheden over for vibrationer, hvilket gør disse gyroskopløkker ideelle til applikationer i krævende miljøer.
▶ Høj temperatur kohærens stabilitet:Gyroskopsløjferne udviser høj temperaturkohærens stabilitet, hvilket sikrer nøjagtighed selv under varierende termiske forhold.
▶Forenklet letvægtsramme:Gyroskopsløjferne er konstrueret med en ligetil, men alligevel let ramme, der garanterer høj behandlingspræcision.
▶Konsekvent viklingsproces:Viklingsprocessen forbliver stabil og tilpasser sig kravene til forskellige præcisions fiberoptiske gyroskoper.
Reference
Groves, PD (2008). Introduktion til inertial navigation.The Journal of Navigation, 61(1), 13-28.
El-Sheimy, N., Hou, H., & Niu, X. (2019). Inertisensorteknologier til navigationsapplikationer: topmoderne.Satellitnavigation, 1(1), 1-15.
Woodman, OJ (2007). En introduktion til inerti-navigation.University of Cambridge, Computer Laboratory, UCAM-CL-TR-696.
Chatila, R., & Laumond, JP (1985). Positionsreference og konsekvent verdensmodellering for mobile robotter.I Proceedings of the 1985 IEEE International Conference on Robotics and Automation(Bind 2, s. 138-145). IEEE.
Har du brug for en gratis konsultation?
NOGLE AF MINE PROJEKTER
FANTASTISKE VÆRKER, SOM JEG HAR BIDRET TIL. STOLT!
