Что такое инерциальная навигация?
Основы инерциальной навигации
Фундаментальные принципы инерциальной навигации схожи с принципами других методов навигации. Она основана на получении ключевой информации, включая начальное положение, начальную ориентацию, направление и ориентацию движения в каждый момент времени, и постепенном интегрировании этих данных (аналогично математическим операциям интегрирования) для точного определения навигационных параметров, таких как ориентация и положение.
Роль датчиков в инерциальной навигации
Для получения информации о текущей ориентации (положении) и местоположении движущегося объекта инерциальные навигационные системы используют набор критически важных датчиков, в основном акселерометров и гироскопов. Эти датчики измеряют угловую скорость и ускорение носителя в инерциальной системе отсчёта. Затем данные интегрируются и обрабатываются с течением времени для получения информации о скорости и относительном положении. Впоследствии эта информация преобразуется в навигационную систему координат вместе с данными об исходном положении, что позволяет определить текущее местоположение носителя.
Принципы работы инерциальных навигационных систем
Инерциальные навигационные системы работают как автономные, замкнутые внутренние навигационные системы. Они не зависят от обновления внешних данных в реальном времени для исправления ошибок во время движения носителя. Таким образом, одна инерциальная навигационная система подходит для краткосрочных навигационных задач. Для длительных операций она должна сочетаться с другими методами навигации, такими как спутниковые навигационные системы, для периодической коррекции накопленных внутренних ошибок.
Скрытность инерциальной навигации
В современных навигационных технологиях, включая астронавигацию, спутниковую навигацию и радионавигацию, инерциальная навигация выделяется своей автономностью. Она не излучает сигналы во внешнюю среду и не зависит от небесных объектов или внешних сигналов. Следовательно, инерциальные навигационные системы обеспечивают максимальную скрытность, что делает их идеальными для приложений, требующих максимальной конфиденциальности.
Официальное определение инерциальной навигации
Инерциальная навигационная система (ИНС) — это система оценки навигационных параметров, использующая гироскопы и акселерометры в качестве датчиков. На основе данных гироскопов система формирует навигационную систему координат, а данные акселерометров — для вычисления скорости и положения носителя в навигационной системе координат.
Применение инерциальной навигации
Инерциальные технологии нашли широкое применение в различных областях, включая аэрокосмическую, авиационную, морскую, нефтегазоразведку, геодезию, океанографические исследования, геологическое бурение, робототехнику и железнодорожные системы. С появлением современных инерциальных датчиков инерциальные технологии нашли применение, в частности, в автомобильной промышленности и медицинских электронных устройствах. Этот расширяющийся спектр применения подчёркивает всё более важную роль инерциальной навигации в обеспечении высокоточных возможностей навигации и позиционирования для множества приложений.
Основной компонент инерциального наведения:Волоконно-оптический гироскоп
Введение в волоконно-оптические гироскопы
Инерциальные навигационные системы в значительной степени зависят от точности и достоверности своих основных компонентов. Одним из таких компонентов, значительно расширивших возможности этих систем, является волоконно-оптический гироскоп (ВОГ). ВОГ — важнейший датчик, играющий ключевую роль в измерении угловой скорости носителя с исключительной точностью.
Работа волоконно-оптического гироскопа
ВОГ работают по принципу эффекта Саньяка, который заключается в разделении лазерного луча на два отдельных пути, позволяя ему распространяться в противоположных направлениях по свернутой оптоволоконной петле. При вращении носителя, в который встроен ВОГ, разница во времени прохождения двух лучей пропорциональна угловой скорости вращения носителя. Эта временная задержка, известная как фазовый сдвиг Саньяка, затем точно измеряется, что позволяет ВОГ предоставлять точные данные о вращении носителя.
Принцип работы волоконно-оптического гироскопа заключается в излучении луча света фотодетектором. Этот луч проходит через разветвитель, входя с одного конца и выходя с другого. Затем он проходит через оптический контур. Два луча света, идущие с разных направлений, входят в контур и, огибая его, образуют когерентную суперпозицию. Возвращающийся свет попадает на светодиод (LED), который используется для измерения его интенсивности. Хотя принцип работы волоконно-оптического гироскопа может показаться простым, наиболее серьёзная проблема заключается в устранении факторов, влияющих на длину оптического пути двух световых лучей. Это одна из наиболее важных проблем, возникающих при разработке волоконно-оптических гироскопов.
1：суперлюминесцентный диод 2：фотодетекторный диод
3.соединитель источника света 4.кольцевой соединитель для оптоволокна 5.оптоволоконное кольцо
Преимущества волоконно-оптических гироскопов
ВОГ обладают рядом преимуществ, которые делают их незаменимыми в инерциальных навигационных системах. Они известны своей исключительной точностью, надёжностью и долговечностью. В отличие от механических гироскопов, ВОГ не имеют движущихся частей, что снижает риск износа. Кроме того, они устойчивы к ударам и вибрации, что делает их идеальными для использования в сложных условиях, например, в аэрокосмической и оборонной промышленности.
Интеграция волоконно-оптических гироскопов в инерциальную навигацию
Инерциальные навигационные системы всё чаще используют гироскопы FOG благодаря их высокой точности и надёжности. Эти гироскопы обеспечивают критически важные измерения угловой скорости, необходимые для точного определения ориентации и местоположения. Интеграция FOG в существующие инерциальные навигационные системы позволяет операторам повысить точность навигации, особенно в ситуациях, когда требуется исключительная точность.
Применение волоконно-оптических гироскопов в инерциальной навигации
Внедрение FOG расширило возможности применения инерциальных навигационных систем в различных областях. В аэрокосмической и авиационной промышленности системы, оснащённые FOG, обеспечивают точные навигационные решения для самолётов, беспилотных летательных аппаратов и космических аппаратов. Они также широко используются в морской навигации, геологических исследованиях и современной робототехнике, обеспечивая этим системам повышенную производительность и надёжность.
Различные конструктивные варианты волоконно-оптических гироскопов
Волоконно-оптические гироскопы выпускаются в различных структурных конфигурациях, но в настоящее время наиболее распространенной из них являетсяволоконно-оптический гироскоп с замкнутым контуром поляризации. В основе этого гироскопа лежитволоконная петля, сохраняющая поляризацию, состоящая из сохраняющих поляризацию волокон и точно спроектированного каркаса. Конструкция этой петли выполнена по методу четырёхкратной симметричной намотки, дополненной уникальным герметизирующим гелем, образующим твердотельную волоконную катушку.
Ключевые особенностиСохраняющее поляризацию оптоволокно Gyro Coil
▶Уникальный дизайн фреймворка:Гироскопические петли имеют особую конструкцию каркаса, которая легко вмещает различные типы волокон, сохраняющих поляризацию.
▶Техника четырехкратной симметричной намотки:Технология четырехкратной симметричной намотки минимизирует эффект Шупа, обеспечивая точность и надежность измерений.
▶Усовершенствованный герметизирующий гелевый материал:Использование современных герметизирующих гелевых материалов в сочетании с уникальной технологией отверждения повышает устойчивость к вибрациям, что делает эти гироскопические петли идеальными для применения в сложных условиях.
▶Высокотемпературная стабильность когерентности:Контуры гироскопа демонстрируют высокую стабильность температурной когерентности, гарантируя точность даже в изменяющихся температурных условиях.
▶Упрощенная облегченная структура:Контуры гироскопа спроектированы на основе простой, но легкой конструкции, гарантирующей высокую точность обработки.
▶Последовательный процесс намотки:Процесс намотки остается стабильным, адаптируясь к требованиям различных прецизионных волоконно-оптических гироскопов.
Ссылка
Гроувс, П.Д. (2008). Введение в инерциальную навигацию.Журнал навигации, 61(1), 13-28.
Эль-Шейми, Н., Хоу, Х. и Ниу, Х. (2019). Технологии инерциальных датчиков для навигационных приложений: современное состояние.Спутниковая навигация, 1(1), 1-15.
Вудман, О. Дж. (2007). Введение в инерциальную навигацию.Кембриджский университет, компьютерная лаборатория, UCAM-CL-TR-696.
Шатила, Р. и Лаумонд, Дж. П. (1985). Позиционная привязка и согласованное моделирование мира для мобильных роботов.В материалах Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации 1985 г.(Том 2, стр. 138-145). IEEE.
Нужна бесплатная консультация?
НЕКОТОРЫЕ МОИ ПРОЕКТЫ
УДИВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ, В КОТОРЫЕ Я ВНЕС ВКЛАД. С ГОРДОСТЬЮ!
