Hvad er inertial navigation?
Grundlæggende inertial navigation
De grundlæggende principper for inertial navigation er beslægtede med principperne for andre navigationsmetoder. Den er afhængig af at indhente nøgleinformation, herunder startposition, startorientering, bevægelsesretning og -orientering i hvert øjeblik, og gradvist integrere disse data (analogt med matematiske integrationsoperationer) for præcist at bestemme navigationsparametre, såsom orientering og position.
Sensorernes rolle i inertial navigation
For at indhente den aktuelle orientering (attitude) og positionsinformation for et objekt i bevægelse, anvender inertialnavigationssystemer et sæt kritiske sensorer, primært bestående af accelerometre og gyroskoper. Disse sensorer måler vinkelhastighed og acceleration af bærebølgen i en inertiel referenceramme. Dataene integreres og behandles derefter over tid for at udlede information om hastighed og relativ position. Derefter transformeres denne information til navigationskoordinatsystemet sammen med de indledende positionsdata, hvilket kulminerer i bestemmelsen af bærebølgens aktuelle placering.
Funktionsprincipper for inertialnavigationssystemer
Inertialnavigationssystemer fungerer som selvstændige, interne lukkede navigationssystemer. De er ikke afhængige af eksterne dataopdateringer i realtid for at rette fejl under luftfartsselskabets bevægelse. Som sådan er et enkelt inertialnavigationssystem egnet til navigationsopgaver af kort varighed. Til operationer af længere varighed skal det kombineres med andre navigationsmetoder, såsom satellitbaserede navigationssystemer, for periodisk at rette de akkumulerede interne fejl.
Skjuleligheden af inertiel navigation
I moderne navigationsteknologier, herunder astronomisk navigation, satellitnavigation og radionavigation, fremstår inertial navigation som autonom. Den udsender hverken signaler til det ydre miljø eller er afhængig af himmellegemer eller eksterne signaler. Derfor tilbyder inertial navigationssystemer det højeste niveau af skjulbarhed, hvilket gør dem ideelle til applikationer, der kræver den største fortrolighed.
Officiel definition af inertial navigation
Inertial Navigation System (INS) er et system til estimering af navigationsparametre, der bruger gyroskoper og accelerometre som sensorer. Systemet etablerer et navigationskoordinatsystem baseret på gyroskopernes output, samtidig med at det bruger accelerometrenes output til at beregne bærebølgens hastighed og position i navigationskoordinatsystemet.
Anvendelser af inertial navigation
Inertielteknologi har fundet vidtrækkende anvendelser inden for forskellige områder, herunder rumfart, luftfart, maritim drift, olieudforskning, geodæsi, oceanografiske undersøgelser, geologisk boring, robotteknologi og jernbanesystemer. Med fremkomsten af avancerede inertielsensorer har inertielteknologi udvidet sin anvendelighed til blandt andet bilindustrien og medicinsk elektronisk udstyr. Dette voksende anvendelsesområde understreger den stadig mere centrale rolle, som inertiel navigation spiller i at levere højpræcisionsnavigation og positioneringsmuligheder til en lang række applikationer.
Kernekomponenten i inertiel vejledning:Fiberoptisk gyroskop
Introduktion til fiberoptiske gyroskoper
Inertialnavigationssystemer er i høj grad afhængige af nøjagtigheden og præcisionen af deres kernekomponenter. En sådan komponent, der har forbedret disse systemers muligheder betydeligt, er fiberoptisk gyroskop (FOG). FOG er en kritisk sensor, der spiller en central rolle i måling af bærerens vinkelhastighed med bemærkelsesværdig nøjagtighed.
Betjening af fiberoptisk gyroskop
FOG'er fungerer efter princippet om Sagnac-effekten, som involverer at opdele en laserstråle i to separate baner, så den kan bevæge sig i modsatte retninger langs en spiralformet fiberoptisk løkke. Når bærebølgen, hvor FOG'en er indlejret, roterer, er forskellen i rejsetid mellem de to stråler proportional med vinkelhastigheden af bærebølgens rotation. Denne tidsforsinkelse, kendt som Sagnac-faseskiftet, måles derefter præcist, hvilket gør det muligt for FOG'en at give nøjagtige data om bærebølgens rotation.
Princippet bag et fiberoptisk gyroskop involverer at udsende en lysstråle fra en fotodetektor. Denne lysstråle passerer gennem en kobler, kommer ind i den ene ende og ud i den anden. Den bevæger sig derefter gennem en optisk løkke. To lysstråler, der kommer fra forskellige retninger, går ind i løkken og fuldfører en kohærent superposition efter at have cirklet rundt. Det tilbagevendende lys trænger igen ind i en lysdiode (LED), som bruges til at detektere dens intensitet. Selvom princippet bag et fiberoptisk gyroskop kan virke ligetil, ligger den største udfordring i at eliminere faktorer, der påvirker den optiske vejlængde for de to lysstråler. Dette er et af de mest kritiske problemer i udviklingen af fiberoptiske gyroskoper.
1: superluminescerende diode 2: fotodetektordiode
3. lyskildekobler 4.fiberringkobling 5. optisk fiberring
Fordele ved fiberoptiske gyroskoper
FOG'er tilbyder adskillige fordele, der gør dem uvurderlige i inertialnavigationssystemer. De er kendt for deres exceptionelle 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 luftfart og forsvarsapplikationer.
Integration af fiberoptiske gyroskoper i inertial navigation
Inertialnavigationssystemer inkorporerer i stigende grad FOG'er på grund af deres høje præcision og pålidelighed. Disse gyroskoper leverer de afgørende vinkelhastighedsmålinger, der kræves for nøjagtig bestemmelse af orientering og position. Ved at integrere FOG'er i eksisterende inertialnavigationssystemer 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 inertialnavigationssystemer på tværs af forskellige områder. Inden for rumfart og luftfart tilbyder FOG-udstyrede systemer præcise navigationsløsninger til fly, droner og rumfartøjer. De anvendes også i vid udstrækning inden for 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 findes i forskellige strukturelle konfigurationer, hvor den dominerende, der i øjeblikket træder ind i ingeniørverdenen, erlukket-loop polarisationsopretholdende fiberoptisk gyroskopKernen i dette gyroskop erpolariseringsbevarende fiberløkke, bestående af polarisationsbevarende fibre og et præcist designet rammeværk. Konstruktionen af denne løkke involverer en firefoldig symmetrisk viklingsmetode, suppleret med en unik forseglingsgel for at danne en faststoffibersløjfespiral.
Nøglefunktioner vedPolariseringsbevarende fiberoptisk Gyro-spole
▶ Unikt rammedesign:Gyroskopløkkerne har et karakteristisk rammedesign, der nemt kan rumme forskellige typer polariseringsbevarende fibre.
▶Firfoldig symmetrisk viklingsteknik:Den firefoldige symmetriske viklingsteknik minimerer Shupe-effekten og sikrer præcise og pålidelige målinger.
▶Avanceret forseglingsgelmateriale:Brugen af avancerede forseglingsgelmaterialer kombineret med en unik hærdningsteknik forbedrer modstandsdygtigheden over for vibrationer, hvilket gør disse gyroskopsløjfer ideelle til anvendelser i krævende miljøer.
▶ Stabilitet ved høj temperaturkohærens:Gyroskopløkkerne udviser høj temperaturkohærensstabilitet, hvilket sikrer nøjagtighed selv under varierende termiske forhold.
▶Forenklet letvægtsramme:Gyroskopløkkerne er konstrueret med et enkelt, men let struktur, der garanterer høj præcision i behandlingen.
▶ Konsekvent viklingsproces:Viklingsprocessen forbliver stabil og tilpasser sig kravene i forskellige præcisions fiberoptiske gyroskoper.
Reference
Groves, PD (2008). Introduktion til inertial navigation.Tidsskriftet for Navigation, 61(1), 13-28.
El-Sheimy, N., Hou, H., & Niu, X. (2019). Inertielle sensorteknologier til navigationsapplikationer: den nyeste teknologi.Satellitnavigation, 1(1), 1-15.
Woodman, OJ (2007). En introduktion til inertial navigation.Cambridge Universitet, Computerlaboratorium, UCAM-CL-TR-696.
Chatila, R., & Laumond, JP (1985). Positionsreferencer og konsistent verdensmodellering for mobile robotter.I referater fra IEEE's internationale konference om robotteknologi og automatisering i 1985(Bind 2, s. 138-145). IEEE.
Brug for en gratis konsultation?
NOGLE AF MINE PROJEKTER
FANTASTISKE VÆRKER, SOM JEG HAR BIDRAGET TIL. MED STOLTHED!
