Инерциальная навигационная система ( ИНС ; также инерционная система наведения , инерциальный прибор ) — это навигационное устройство, которое использует датчики движения ( акселерометры ), датчики вращения ( гироскопы ) и компьютер для непрерывного расчета путем точного расчета положения, ориентации и скорости . (направление и скорость движения) движущегося объекта без необходимости внешних ссылок. [1] Часто инерционные датчики дополняются барометрическим высотомером , а иногда и магнитными датчиками ( магнитометрами ) и/или устройствами для измерения скорости. ИНС используются на мобильных роботах [2] [3] и на таких транспортных средствах, как корабли , самолеты , подводные лодки , управляемые ракеты и космические корабли . [4] Старые системы INS обычно использовали инерционную платформу в качестве точки крепления к транспортному средству, и эти термины иногда считаются синонимами.
Интегралы во временной области неявно требуют стабильных и точных часов для количественного определения прошедшего времени.
Инерциальная навигация — это автономный метод навигации, в котором измерения, предоставляемые акселерометрами и гироскопами, используются для отслеживания положения и ориентации объекта относительно известной начальной точки, ориентации и скорости. Блоки инерциальных измерений (IMU) обычно содержат три ортогональных гироскопа скорости и три ортогональных акселерометра, измеряющие угловую скорость и линейное ускорение соответственно. Обрабатывая сигналы этих устройств, можно отслеживать положение и ориентацию устройства.
Инерциальная навигационная система включает в себя по меньшей мере компьютер и платформу или модуль, содержащий акселерометры , гироскопы или другие устройства определения движения. Первоначально ИНС получает информацию о своем положении и скорости от другого источника (человека-оператора, спутникового приемника GPS и т. д.) вместе с начальной ориентацией, а затем вычисляет свое собственное обновленное положение и скорость путем интеграции информации, полученной от датчиков движения. Преимущество INS заключается в том, что он не требует внешних ссылок для определения своего положения, ориентации или скорости после его инициализации.
ИНС может обнаружить изменение своего географического положения (например, перемещение на восток или север), изменение его скорости (скорости и направления движения) и изменение его ориентации (вращение вокруг оси). Это делается путем измерения линейного ускорения и угловой скорости, приложенных к системе. Поскольку он не требует внешней ссылки (после инициализации), он невосприимчив к помехам и обману.
Гироскопы измеряют угловое смещение рамки датчика относительно инерциальной системы отсчета . Используя исходную ориентацию системы в инерциальной системе отсчета в качестве начального условия и интегрируя угловое смещение, текущая ориентация системы всегда известна. Это можно рассматривать как способность пассажира в автомобиле с завязанными глазами чувствовать, как машина поворачивает влево и вправо или наклоняется вверх и вниз, когда машина 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 автомобиля в датчике или корпусе кузова, но в направлениях, которые можно измерить только относительно движущейся системы (поскольку акселерометры закреплены на системе и вращаются вместе с системой, но не знают об их собственная ориентация). Это можно рассматривать как способность пассажира с завязанными глазами в автомобиле чувствовать себя прижатым к своему сиденью, когда транспортное средство ускоряется вперед, или тянется вперед при замедлении; и чувствовать себя прижатым к своему сиденью, когда автомобиль ускоряется вверх по холму, или подниматься со своего сиденья, когда автомобиль пересекает гребень холма и начинает спускаться. Основываясь только на этой информации, они знают, как автомобиль ускоряется относительно самого себя; то есть ускоряется ли он вперед, назад, влево, вправо, вверх (к потолку автомобиля) или вниз (к полу автомобиля), измеряется относительно автомобиля, но не направление относительно Земли, поскольку они это сделали не знали, в каком направлении была обращена машина относительно Земли, когда они почувствовали 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 по инерционным ускорениям (с использованием исходной скорости в качестве начальных условий) с использованием правильных кинематических уравнений дает инерционные скорости системы, а повторное интегрирование (с использованием исходного положения 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 может отслеживать как то, как машина поворачивала, так и то, как она ускорялась и замедлялась с тех пор, то они может точно знать текущую ориентацию, положение и скорость автомобиля в любое время.
Инерциальная навигация используется в широком спектре приложений, включая навигацию самолетов, тактических и стратегических ракет, космических кораблей, подводных лодок и кораблей. Он также встроен в некоторые мобильные телефоны для определения местоположения и отслеживания мобильного телефона. [5] [6] Последние достижения в строительстве микроэлектромеханических систем (МЭМС) сделали возможным производство небольших и легких инерциальных навигационных систем. Эти достижения расширили диапазон возможных применений, включив в него такие области, как захват движений людей и животных .
Инерциальные навигационные системы используются на многих различных движущихся объектах. Однако их стоимость и сложность налагают ограничения на условия, в которых их практично использовать.
Все инерциальные навигационные системы страдают от дрейфа интегрирования: небольшие ошибки в измерении ускорения и угловой скорости интегрируются во все более большие ошибки в скорости, которые усугубляются еще большими ошибками в определении местоположения. [7] [8] Поскольку новое положение рассчитывается на основе предыдущего рассчитанного положения и измеренного ускорения и угловой скорости, эти ошибки накапливаются примерно пропорционально времени с момента ввода исходного положения. Даже самые лучшие акселерометры со стандартной ошибкой в 10 микрограмм накапливают погрешность в 50 метров (164 фута) за 17 минут. [9] Следовательно, положение необходимо периодически корректировать с помощью данных 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 какой-либо одной системы. Например, если при наземном использовании скорость, отслеживаемая по инерции, периодически обновляется до нуля при остановке, положение будет оставаться точным в течение гораздо более длительного времени, так называемое обновление нулевой скорости . В частности, в аэрокосмической отрасли для определения неточностей INS используются другие измерительные системы, например, инерциальные навигационные системы Honeywell LaseRefV используют выходные данные GPS и компьютеров с воздушными данными для поддержания требуемых навигационных характеристик . Погрешность навигации возрастает с уменьшением чувствительности используемых датчиков. В настоящее время разрабатываются устройства, объединяющие различные датчики, например, система ориентации и курса . Поскольку на навигационную ошибку в основном влияет численное интегрирование угловых скоростей и ускорений, система отсчета давления была разработана для использования одного численного интегрирования измерений угловой скорости.
Теория оценивания в целом и фильтрация Калмана в частности [10] обеспечивают теоретическую основу для объединения информации от различных датчиков. Одним из наиболее распространенных альтернативных датчиков является радиоспутниковая навигационная система, такая как GPS , которую можно использовать для всех видов транспортных средств с прямой видимостью неба. В помещениях можно использовать шагомеры , оборудование для измерения расстояния или другие виды датчиков положения . Путем правильного объединения информации от ИНС и других систем ( GPS ) ошибки в положении и скорости становятся стабильными . Кроме того, INS можно использовать в качестве кратковременного резерва, когда сигналы GPS недоступны, например, когда транспортное средство проезжает через туннель.
В 2011 году глушение GPS на гражданском уровне стало предметом беспокойства правительства. [11] Относительная легкость подавления этих систем побудила военных уменьшить зависимость навигации от технологии GPS. [12] Поскольку инерциальные навигационные датчики не зависят от радиосигналов в отличие от GPS, их невозможно заглушить. [13] В 2012 году Исследовательская лаборатория армии США сообщила о методе объединения измерений 10 пар MEMS-гироскопов и акселерометров (а также иногда GPS), что снижает ошибку позиционирования снаряда на две трети. Алгоритм может корректировать системные отклонения в отдельных датчиках, используя как GPS, так и эвристику, основанную на силе ускорения выстрела. Если один датчик постоянно завышает или занижает расстояние, система может скорректировать вклад поврежденного датчика в окончательный расчет. [14]
Инерциальные навигационные системы изначально разрабатывались для ракет . Пионер американской ракетной техники Роберт Годдард экспериментировал с элементарными гироскопическими системами. Системы Годдарда представляли большой интерес для современных немецких пионеров, включая Вернера фон Брауна . Системы получили более широкое распространение с появлением космических кораблей , управляемых ракет и коммерческих авиалайнеров .
Ранние немецкие системы наведения V2 времен Второй мировой войны сочетали в себе два гироскопа и боковой акселерометр с простым аналоговым компьютером для регулировки азимута ракеты в полете. Аналоговые компьютерные сигналы использовались для приведения в движение четырех графитовых рулей направления в выхлопе ракеты для управления полетом. Система GN&C (наведение, навигация и контроль) для V2 представила множество инноваций в виде интегрированной платформы с наведением по замкнутому контуру. В конце войны фон Браун организовал передачу американцам 500 своих лучших ученых-ракетчиков, а также чертежи и испытательные машины. Они прибыли в Форт-Блисс, штат Техас, в 1945 году в рамках операции «Скрепка» , а затем в 1950 году были переведены в Хантсвилл, штат Алабама [15] , где работали в программах ракетных исследований армии США.
В начале 1950-х годов правительство США хотело оградить себя от чрезмерной зависимости от немецкой команды в вопросах военного применения, включая разработку полностью отечественной программы наведения ракет. Приборная лаборатория Массачусетского технологического института (позже ставшая Лабораторией Чарльза Старка Дрейпера , Inc.) была выбрана Западным отделом развития ВВС для обеспечения автономной резервной системы наведения для Convair в Сан-Диего для новой межконтинентальной баллистической ракеты Atlas [16]. [17] [18] [19] (Строительство и испытания были завершены подразделением Arma компании AmBosch Arma). Техническим руководителем задания Массачусетского технологического института был инженер Джим Флетчер, который позже стал администратором НАСА. Система наведения «Атлас» должна была представлять собой комбинацию бортовой автономной системы и наземной системы слежения и управления. По понятным причинам автономная система в конечном итоге преобладала в баллистических ракетах. В освоении космоса сохраняется смесь этих двух направлений.
Летом 1952 года доктор Ричард Баттин и доктор Дж. Холкомб «Хэл» Лэнинг-младший исследовали вычислительные решения для наведения и предприняли первоначальную аналитическую работу по инерциальному наведению Атласа в 1954 году. Другими ключевыми фигурами в Convair были Чарли Боссарт, главный инженер, и Вальтер Швайдецкий, руководитель группы управления. Швейдецкий работал с фон Брауном в Пенемюнде во время Второй мировой войны.
Первоначальная система наведения «Дельта» оценивала разницу в положении от эталонной траектории. Расчет скорости, которую необходимо набрать (VGO), производится для корректировки текущей траектории с целью доведения VGO до нуля. Математические расчеты этого подхода были в принципе верными, но от них отказались из-за проблем с точным инерциальным наведением и аналоговыми вычислительными мощностями. Проблемы, с которыми столкнулась компания Delta, были преодолены с помощью системы руководства Q (см. Q-руководство ). Революция системы Q заключалась в том, чтобы связать задачи наведения ракеты (и связанные с ней уравнения движения) в матрицу 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 перекрестным произведением . Q-система была представлена на первом Техническом симпозиуме по баллистическим ракетам, проходившем в корпорации Ramo-Wooldridge в Лос-Анджелесе 21 и 22 июня 1956 года. Q-система была секретной информацией на протяжении 1960-х годов. Выводы из этого наведения используются для современных ракет.
В феврале 1961 года НАСА заключило с Массачусетским технологическим институтом контракт на предварительное проектирование системы наведения и навигации для программы «Аполлон» . Массачусетский технологический институт и подразделение Delco Electronics Div. корпорации General Motors заключили совместный контракт на разработку и производство систем наведения и навигации Apollo для командного модуля и лунного модуля. Delco производила IMU ( единицы инерциальных измерений ) для этих систем, Kollsman Instrument Corp. производила оптические системы, а компьютер управления Apollo был построен компанией Raytheon по субподряду. [20] [21]
Для космического корабля «Шаттл» использовалось наведение с разомкнутым контуром (без обратной связи) для управления шаттлом от старта до отделения твердотопливного ракетного ускорителя (SRB). После отделения SRB основное наведение космического корабля будет называться PEG (Powered Explicit Guidance). PEG учитывает как систему Q, так и атрибуты предиктора-корректора исходной системы «Дельта» (PEG Guidance). Хотя за последние 30 лет в навигационную систему «Шаттла» было внесено множество обновлений (например, GPS в сборке ОИ-22), ядро наведения системы GN&C «Шаттла» мало изменилось. В системе с экипажем для системы наведения необходим человеческий интерфейс. Поскольку заказчиками системы являются астронавты, было сформировано множество новых команд, которые работают с GN&C, поскольку это основной интерфейс для «управления» кораблем.
Одним из примеров популярной INS для коммерческих самолетов была Delco Carousel , которая обеспечивала частичную автоматизацию навигации еще до того, как полные системы управления полетом стали обычным явлением. Карусель позволяла пилотам вводить 9 путевых точек одновременно, а затем направляла самолет от одной путевой точки к другой, используя ИНС для определения положения и скорости самолета. Корпорация Boeing заключила субподряд с Delco Electronics Div. General Motors спроектировала и изготовила первые серийные карусельные системы для ранних моделей (-100, -200 и -300) самолетов 747. В Боинге 747 использовались три системы Carousel, работающие согласованно в целях надежности. Система «Карусель» и ее производные впоследствии были приняты для использования во многих других коммерческих и военных самолетах. ВВС США C-141 был первым военным самолетом, использовавшим Carousel в конфигурации с двойной системой, за ним последовал C-5A, который использовал тройную конфигурацию INS, аналогичную 747. Парк KC-135A был оснащен одной Carousel IV. -E система, которая может работать как автономная ИНС или может поддерживаться доплеровским радаром AN/APN-81 или AN/APN-218 . Некоторые варианты C-135 для специальных задач были оснащены двумя INS Carousel IV-E. Характеристика ARINC 704 определяет INS, используемые в коммерческом воздушном транспорте.
ИНС содержат блоки инерциальных измерений (IMU), которые имеют угловой и линейный акселерометры (для изменения положения); некоторые IMU включают гироскопический элемент (для поддержания абсолютной угловой привязки).
Угловые акселерометры измеряют, как автомобиль вращается в пространстве. Обычно имеется как минимум 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 [22] транспортного средства. Поскольку он может двигаться по трем осям (вверх и вниз, влево и вправо, вперед и назад), для каждой оси имеется линейный акселерометр.
Компьютер постоянно рассчитывает текущее положение автомобиля. Во-первых, для каждой из шести степеней свободы (x,y,z и θx , θy и θz ) он интегрирует с течением времени измеренное ускорение вместе с оценкой силы тяжести для расчета текущей скорости. Затем он интегрирует скорость для расчета текущего положения.
Инерциальное наведение без компьютеров затруднено. Желание использовать инерциальное наведение в ракете «Минитмен» и проекте «Аполлон» привело к первым попыткам миниатюризировать компьютеры.
Инерциальные системы наведения сейчас обычно объединяются с системами спутниковой навигации посредством цифровой системы фильтрации. Инерциальная система предоставляет краткосрочные данные, а спутниковая система исправляет накопленные ошибки инерциальной системы.
Инерциальная система наведения, которая будет работать вблизи поверхности Земли, должна включать настройку Шулера так, чтобы ее платформа продолжала указывать на центр Земли, когда транспортное средство перемещается с места на место.
В некоторых системах линейные акселерометры размещаются на шарнирной гиростабилизированной платформе. Подвесы представляют собой набор из трех колец, каждое из которых имеет пару подшипников, изначально расположенных под прямым углом . Они позволяют платформе вращаться вокруг любой оси вращения (или, скорее, позволяют платформе сохранять одну и ту же ориентацию, пока автомобиль вращается вокруг нее). На платформе (обычно) есть два гироскопа .
Два гироскопа используются для подавления гироскопической прецессии , тенденции гироскопа скручиваться под прямым углом к входному крутящему моменту. Если установить пару гироскопов (с одинаковой инерцией вращения и вращающихся с одинаковой скоростью в противоположных направлениях) под прямым углом, прецессии будут отменены, и платформа будет сопротивляться скручиванию. [ нужна цитата ]
Эта система позволяет измерять углы крена, тангажа и рыскания автомобиля непосредственно на подшипниках подвесов. Для сложения линейных ускорений можно использовать относительно простые электронные схемы, поскольку направления линейных акселерометров не изменяются.
Большим недостатком этой схемы является то, что в ней используется много дорогих прецизионных механических деталей. Он также имеет движущиеся части , которые могут изнашиваться или заклинивать, а также уязвимы для блокировки подвеса . Основная система наведения космического корабля «Аполлон» использовала трехосную гиростабилизированную платформу, передающую данные в управляющий компьютер «Аполлона» . Маневры нужно было тщательно планировать, чтобы избежать блокировки подвеса.
Блокировка подвеса ограничивает маневрирование, поэтому было бы полезно отказаться от контактных колец и подшипников подвесов. Поэтому в некоторых системах для установки гиростабилизированной платформы используются жидкостные подшипники или флотационная камера. Эти системы могут иметь очень высокую точность (например, Advanced Inertial Reference Sphere ). Как и все гиростабилизированные платформы, эта система хорошо работает с относительно медленными и маломощными компьютерами.
Жидкостные подшипники представляют собой подушки с отверстиями, через которые инертный газ под давлением (например, гелий) или масло давит на сферическую оболочку платформы. Жидкостные подшипники очень скользкие, а сферическая платформа может свободно вращаться. Обычно имеется четыре опорные подушки, установленные в четырехгранном порядке для поддержки платформы.
В системах премиум-класса датчики угла обычно представляют собой специализированные трансформаторные катушки, выполненные в виде ленты на гибкой печатной плате . Несколько лент катушек установлены по большим кругам вокруг сферической оболочки гиростабилизированной платформы. Электроника снаружи платформы использует аналогичные ленточные трансформаторы для считывания переменных магнитных полей, создаваемых трансформаторами, обернутыми вокруг сферической платформы. Всякий раз, когда магнитное поле меняет форму или перемещается, оно перерезает провода катушек на внешних полосах трансформатора. При резке во внешних катушках в форме полосок генерируется электрический ток, и электроника может измерять этот ток для определения углов.
Дешевые системы иногда используют штрих-коды для определения ориентации и используют солнечные батареи или одиночный трансформатор для питания платформы. Некоторые небольшие ракеты питают платформу светом из окна или оптическими волокнами, идущими к двигателю. Тема исследования – подвешивание платформы давлением выхлопных газов. Данные возвращаются во внешний мир через трансформаторы или иногда светодиоды, взаимодействующие с внешними фотодиодами .
Легкие цифровые компьютеры позволяют системе отказаться от подвесов, создавая бесплатформенные системы, называемые так потому, что их датчики просто привязываются к транспортному средству. Это снижает стоимость, устраняет блокировку подвеса , устраняет необходимость в некоторых калибровках и повышает надежность за счет исключения некоторых движущихся частей. Датчики угловой скорости, называемые гироскопами, измеряют угловую скорость транспортного средства.
Бесплатформенной системе необходим динамический диапазон измерений в несколько сотен раз больше, чем требуется системе на подвесном подвесе. То есть он должен учитывать изменения положения транспортного средства по тангажу, крену и рысканию, а также резкие движения. Карданные системы обычно хорошо справляются с частотой обновления 50–60 Гц. Однако бесплатформенные системы обычно обновляют частоту около 2000 Гц. Более высокая скорость необходима для того, чтобы навигационная система могла точно интегрировать угловую скорость в положение.
Алгоритмы обновления данных ( направленные косинусы или кватернионы ) слишком сложны, чтобы их можно было точно выполнить, кроме цифровой электроники. Однако цифровые компьютеры сейчас настолько недороги и быстры, что системы гироскопов теперь можно практически использовать и производить массово. Лунный модуль «Аполлон» использовал бесплатформенную систему в своей резервной системе управления прерыванием полета (AGS).
Бесплатформенные системы в настоящее время широко используются в коммерческих и военных целях (самолеты, корабли, ROV , ракеты и т. д.). Современные бесплатформенные системы основаны на кольцевых лазерных гироскопах , волоконно-оптических гирокопах или гироскопах с полусферическим резонатором . Они используют цифровую электронику и передовые методы цифровой фильтрации, такие как фильтр Калмана .
Ориентацию системы гироскопа иногда можно определить просто по истории ее положения (например, GPS). Так обстоит дело, в частности, с самолетами и автомобилями, где вектор скорости обычно подразумевает ориентацию корпуса транспортного средства.
Например, Align in Motion компании Honeywell [23] представляет собой процесс инициализации, при котором инициализация происходит во время движения самолета, в воздухе или на земле. Это достигается с помощью GPS и инерционного теста на достоверность, что позволяет удовлетворить требования к целостности коммерческих данных. Этот процесс был сертифицирован ФАУ для восстановления чистоты характеристик INS, эквивалентных стационарным процедурам выравнивания для гражданских полетов продолжительностью до 18 часов. Это позволяет избежать необходимости использования батарей гироскопа на самолетах.
Менее дорогие навигационные системы, предназначенные для использования в автомобилях, могут использовать гироскоп с вибрирующей структурой для определения изменений курса и датчик одометра для измерения расстояния, пройденного по пути транспортного средства. Этот тип системы гораздо менее точен, чем INS более высокого класса, но он достаточен для типичного автомобильного применения, где GPS является основной навигационной системой, а точный расчет необходим только для заполнения пробелов в покрытии GPS, когда здания или местность блокируют спутник. сигналы.
Если в полусферической резонансной структуре индуцируется стоячая волна, а затем резонансная структура вращается, то сферическая гармоническая стоячая волна поворачивается на угол, отличный от угла 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 плавленого кварца из-за его превосходных механических свойств. 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 неограниченную скорость), либо в режиме силовой перебалансировки, который удерживает стоячую волну в фиксированной ориентации относительно корпуса гироскопа (что дает им гораздо большую точность).
Эта система почти не имеет движущихся частей и очень точна. Однако он по-прежнему относительно дорог из-за стоимости прецизионно отшлифованных и полированных полых кварцевых полусфер. Northrop Grumman в настоящее время производит IMU ( инерциальные измерительные блоки ) для космических аппаратов, использующих HRG. Эти IMU продемонстрировали чрезвычайно высокую надежность с момента их первого использования в 1996 году. [24] Safran производит большое количество инерциальных систем на базе HRG , предназначенных для широкого спектра применений. [25]
К таким продуктам относятся «камертон-гироскопы». Здесь гироскоп выполнен в виде камертона с электронным управлением, часто изготовленного из цельного куска кварца или кремния. Такие гироскопы работают в соответствии с динамической теорией, согласно которой при приложении угловой скорости к перемещающемуся телу создается сила Кориолиса .
Эта система обычно встроена в кремниевый чип. Он оснащен двумя кварцевыми камертонами со сбалансированной массой, расположенными «рукоятка к рукоятке», поэтому силы компенсируются. Алюминиевые электроды, напыленные на вилки, и лежащий в их основе чип одновременно управляют движением и воспринимают его. Система технологична и недорога. Поскольку кварц размерно стабилен, система может быть точной.
Поскольку вилки вращаются вокруг оси рукоятки, вибрация зубцов имеет тенденцию продолжаться в той же плоскости движения. Этому движению должны противодействовать электростатические силы, создаваемые электродами под зубьями. Измеряя разницу в емкости между двумя зубцами вилки, система может определить скорость углового движения.
Современные невоенные технологии (по состоянию на 2005 год [обновлять]) позволяют 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 стабилизации изображения в небольших фотоаппаратах или видеокамерах. Они могут быть очень маленькими, около 5 миллиметров (0,20 дюйма), и созданы с использованием технологий микроэлектромеханических систем (MEMS). [26]
Датчики, основанные на принципах магнитогидродинамики , могут использоваться для измерения угловых скоростей.
МЭМС-гироскопы обычно полагаются на эффект Кориолиса для измерения угловой скорости. Он состоит из резонирующей прочной массы, заключенной в кремний. Гироскоп, в отличие от акселерометра, является активным датчиком. Пробная масса перемещается взад и вперед с помощью приводных гребенок. 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. [27]
Кольцевой лазерный гироскоп (РЛГ) разделяет луч лазерного света на два луча в противоположных направлениях через узкие туннели по замкнутому круговому оптическому пути по периметру треугольного блока из термостабильного стекла Cervit с отражающими зеркалами, расположенными в каждом углу. Когда гироскоп вращается с некоторой угловой скоростью, расстояние, пройденное каждым лучом, будет разным — более короткий путь противоположен вращению. Фазовый сдвиг 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 обратного рассеяния , вызывающего синхронизацию и блокировку лучей. Это известно как блокировка или лазерная блокировка . В результате интерференционная картина не меняется, а значит, и измерения не изменяются.
Чтобы разблокировать световые лучи, вращающиеся в противоположных направлениях, лазерные гироскопы либо имеют независимые световые пути для двух направлений (обычно в оптоволоконных гироскопах), либо лазерный гироскоп устанавливается на пьезоэлектрический двигатель дизеринга, который быстро вибрирует лазерное кольцо вперед и назад. вокруг своей входной оси через область захвата, чтобы разделить световые волны.
Шейкер является наиболее точным, поскольку оба световых луча используют один и тот же путь. Таким образом, лазерные гироскопы сохраняют движущиеся части, но движутся не так далеко.
Более поздний вариант оптического гироскопа, волоконно-оптический гироскоп (FOG), использует внешний лазер и два луча, идущие в противоположных направлениях (встречно распространяющиеся) в длинных катушках (несколько километров) волоконно-оптической нити с разностью фаз сравнение двух лучей после их прохождения через катушки волокна.
Основной механизм - монохроматический лазерный свет, распространяющийся по противоположным путям, и эффект Саньяка - один и тот же в FOG и RLG, но технические детали в FOG существенно отличаются по сравнению с более ранними лазерными гироскопами.
Точная намотка оптоволоконной катушки необходима для обеспечения максимально возможного сходства путей света в противоположных направлениях. ВОГ требует более сложной калибровки, чем лазерный кольцевой гироскоп, что делает разработку и производство ВОГ более технически сложным, чем для RLG. Однако FOG не страдают от лазерной блокировки на низких скоростях и не должны содержать каких-либо движущихся частей, что увеличивает максимальную потенциальную точность и срок службы FOG по сравнению с эквивалентным RLG.
Базовый акселерометр с разомкнутым контуром состоит из массы, прикрепленной к пружине. Масса вынуждена двигаться только в соответствии с пружиной. Ускорение вызывает отклонение массы, и измеряется расстояние смещения. Ускорение определяется 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 компенсации отклонения, тем самым удерживая массу почти неподвижной. Всякий раз, когда масса отклоняется, петля обратной связи заставляет электрическую катушку прикладывать к массе столь же отрицательную силу, прекращая движение. Ускорение определяется величиной приложенной отрицательной силы. Поскольку масса почти не движется, влияние нелинейностей пружины и системы демпфирования значительно снижается. Кроме того, этот акселерометр обеспечивает расширенную полосу пропускания за пределы собственной частоты чувствительного элемента.
Оба типа акселерометров производятся как интегрированные микромашины на кремниевых чипах.
Отдел микросистемных технологий DARPA (MTO) работает над программой Micro-PNT (Микротехнология для позиционирования, навигации и синхронизации) для разработки чипов устройства измерения времени и инерции (TIMU), которые обеспечивают отслеживание абсолютного положения на одном чипе без GPS-навигация. [28] [29] [30]
В Micro-PNT добавлен высокоточный главный тактовый генератор [31] , интегрированный в микросхему IMU (блок измерения инерции), что делает его микросхемой блока измерения времени и инерции. 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 объединять его с синхронизированными часами. [28] [29]
В одной из форм навигационная система уравнений получает линейные и угловые измерения из инерциальной системы координат и системы координат тела соответственно и вычисляет окончательное положение и положение в системе отсчета NED .
Где f — удельная сила, — угловая скорость, a — ускорение, R — положение, а V — скорость, это угловая скорость Земли, g — ускорение свободного падения, а h — параметры местоположения NED. Кроме того, супер/индексы E, I и B представляют переменные в системе отсчета, сосредоточенной на Земле, инерциальной или телесной, соответственно, а C представляет собой преобразование систем отсчета. [ нужна цитата ]
