Инерциальная навигационная система ( ИНС ; также инерциальная система наведения , инерциальный прибор ) — навигационное устройство, которое использует датчики движения ( акселерометры ), датчики вращения ( гироскопы ) и компьютер для непрерывного расчета путем счисления положения, ориентации и скорости (направления и скорости движения) движущегося объекта без необходимости во внешних ссылках. [1] Часто инерциальные датчики дополняются барометрическим высотомером , а иногда магнитными датчиками ( магнитометрами ) и/или устройствами измерения скорости. ИНС используются на мобильных роботах [2] [3] и на транспортных средствах, таких как корабли , самолеты , подводные лодки , управляемые ракеты и космические аппараты . [4] Более старые системы ИНС обычно использовали инерциальную 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 количественной оценки прошедшего времени.
Инерциальная навигация — это автономная навигационная техника, в которой измерения, предоставляемые акселерометрами и гироскопами, используются для отслеживания положения и ориентации объекта относительно известной начальной точки, ориентации и скорости. Инерциальные измерительные блоки (IMU) обычно содержат три ортогональных гироскопа скорости и три ортогональных акселерометра, измеряющих угловую скорость и линейное ускорение соответственно. Обрабатывая сигналы с этих устройств, можно отслеживать положение и ориентацию устройства.
Инерциальная навигационная система включает в себя как минимум компьютер и платформу или модуль, содержащий акселерометры , гироскопы или другие устройства, определяющие движение. Первоначально ИНС получает данные о своем положении и скорости из другого источника (человек-оператор, спутниковый приемник GPS и т. д.) вместе с начальной ориентацией, а затем вычисляет свое собственное обновленное положение и скорость, интегрируя информацию, полученную от датчиков движения. Преимущество ИНС заключается в том, что она не требует внешних ссылок для определения своего положения, ориентации или скорости после инициализации.
ИНС может обнаружить изменение своего географического положения (например, движение на восток или север), изменение своей скорости (скорости и направления движения) и изменение своей ориентации (вращение вокруг оси). Она делает это, измеряя линейное ускорение и угловую скорость, применяемые к системе. Поскольку ей не требуется внешняя ссылка (после инициализации), она невосприимчива 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 известна в любой момент времени. Это можно представить как способность пассажира с завязанными глазами в автомобиле чувствовать, как автомобиль поворачивает влево и вправо или наклоняется вверх и вниз, когда автомобиль поднимается или спускается с холмов. 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 могут быть измерены только относительно движущейся системы (поскольку акселерометры закреплены на системе и вращаются вместе с ней, но не осознают своей собственной ориентации). Это можно рассматривать как способность пассажира с завязанными глазами в автомобиле чувствовать себя вдавливаемым обратно в сиденье, когда транспортное средство ускоряется вперед или тянется вперед, когда оно замедляется; и чувствовать себя вдавливаемым в сиденье, когда транспортное средство ускоряется в гору, или подниматься с сиденья, когда автомобиль проходит через гребень холма и начинает спускаться. Основываясь только на этой информации, они знают, как транспортное средство ускоряется относительно себя; то есть ускоряется ли оно вперед, назад, влево, вправо, вверх (к потолку автомобиля) или вниз (к полу автомобиля), измеренное относительно автомобиля, но не направление относительно Земли, поскольку они не знали, в каком направлении был обращен автомобиль относительно Земли, когда они чувствовали ускорения.
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 инерциальных ускорений (используя исходную скорость в качестве начальных условий) с использованием правильных кинематических уравнений дает инерциальные скорости системы, а повторное интегрирование (используя исходное положение в качестве начального условия) дает инерциальное положение. В нашем примере, если пассажир с завязанными глазами знал, как направлен автомобиль и какова его скорость до того, как ему завязали глаза, и если он может отслеживать как то, как автомобиль поворачивал, так и то, как он ускорялся и замедлялся с тех пор, то он может точно знать текущую ориентацию, положение и скорость автомобиля в любой момент времени.
Инерциальная навигация используется в широком спектре приложений, включая навигацию самолетов, тактических и стратегических ракет, космических кораблей, подводных лодок и кораблей. Она также встроена в некоторые мобильные телефоны для определения местоположения и отслеживания мобильного телефона. [5] [6] Недавние достижения в области создания микроэлектромеханических систем (MEMS) сделали возможным производство небольших и легких инерциальных навигационных систем. Эти достижения расширили спектр возможных приложений, включив такие области, как захват движения человека и животных .
Инерциальные навигационные системы используются во многих различных движущихся объектах. Однако их стоимость и сложность накладывают ограничения на среды, в которых они практичны для использования.
Для поддержки использования инерциальной технологии наилучшим образом, еще в 1965 году в Германии была создана техническая рабочая группа по инерциальным датчикам, которая объединила пользователей, производителей и исследователей инерциальных датчиков. Эта рабочая группа постоянно развивалась и сегодня известна как DGON ISA Inertial Sensors and Application Symposium, ведущая конференция по инерциальным технологиям на протяжении более 60 лет. Этот симпозиум DGON / IEEE ISA с примерно 200 международными участниками проводится ежегодно в октябре в Германии. Доступны публикации всех конференций DGON ISA за последние более 60 лет.
Все инерциальные навигационные системы страдают от дрейфа интеграции: небольшие ошибки в измерении ускорения и угловой скорости интегрируются в постепенно увеличивающиеся ошибки в скорости, которые усугубляются еще большими ошибками в положении. [7] [8] Поскольку новое положение вычисляется из предыдущего вычисленного положения и измеренного ускорения и угловой скорости, эти ошибки накапливаются примерно пропорционально времени с момента ввода начального положения. Даже лучшие акселерометры со стандартной ошибкой 10 микро-g накапливали бы ошибку в 50 метров (164 фута) в течение 17 минут. [9] Поэтому положение должно периодически корректироваться с помощью ввода из какой-либо другой навигационной системы.
Соответственно, инерциальная навигация обычно используется для дополнения других навигационных систем, обеспечивая более высокую степень точности, чем это возможно при использовании любой отдельной системы. Например, если при наземном использовании инерциально отслеживаемая скорость периодически обновляется до нуля путем остановки, положение будет оставаться точным в течение гораздо более длительного времени, так называемое обновление нулевой скорости . В частности, в аэрокосмической отрасли для определения неточностей ИНС используются другие измерительные системы, например, инерциальные навигационные системы Honeywell LaseRefV используют выходные данные компьютера GPS и воздушных данных для поддержания требуемых навигационных характеристик . Навигационная ошибка возрастает с уменьшением чувствительности используемых датчиков. В настоящее время разрабатываются устройства, объединяющие различные датчики, например, система отсчета положения и курса . Поскольку на навигационную ошибку в основном влияет численное интегрирование угловых скоростей и ускорений, была разработана система отсчета давления для использования одного численного интегрирования измерений угловой скорости.
Теория оценки в целом и фильтрация Калмана в частности [10] предоставляют теоретическую основу для объединения информации с различных датчиков. Одним из наиболее распространенных альтернативных датчиков является спутниковое навигационное радио, такое как GPS , которое может использоваться для всех видов транспортных средств с прямой видимостью неба. Внутренние приложения могут использовать шагомеры , оборудование для измерения расстояния или другие виды датчиков положения . При правильном объединении информации с ИНС и других систем ( GPS ) ошибки в положении и скорости являются стабильными . Кроме того, ИНС может использоваться в качестве краткосрочного резерва, когда сигналы GPS недоступны, например, когда транспортное средство проезжает через туннель.
В 2011 году глушение GPS на гражданском уровне стало правительственной проблемой. [11] Относительная простота глушения 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 с 10 пар гироскопов MEMS и акселерометров (плюс иногда GPS), что снижает позиционную погрешность на две трети для снаряда. Алгоритм может корректировать системные смещения в отдельных датчиках, используя как GPS, так и эвристику, основанную на силе ускорения выстрела. Если один датчик постоянно переоценивает или недооценивает расстояние, система может скорректировать вклад поврежденного датчика в окончательный расчет. [14]
Первоначально инерциальные навигационные системы были разработаны для ракет . Американский пионер 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 объединяли два гироскопа и боковой акселерометр с простым аналоговым компьютером для регулировки азимута ракеты в полете. Аналоговые компьютерные сигналы использовались для управления четырьмя графитовыми рулями в выхлопной трубе ракеты для управления полетом. Система GN&C (Guidance, Navigation, and Control) для V2 предоставила множество инноваций в качестве интегрированной платформы с замкнутым контуром наведения. В конце войны фон Браун организовал сдачу 500 своих лучших ученых-ракетчиков вместе с планами и испытательными машинами американцам. Они прибыли в Форт-Блисс, штат Техас, в 1945 году в соответствии с положениями операции Paperclip , а затем были переведены в Хантсвилл, штат Алабама , в 1950 году [15] , где они работали над программами ракетных исследований армии США.
В начале 1950-х годов правительство США хотело оградить себя от чрезмерной зависимости от немецкой команды в военных приложениях, включая разработку полностью отечественной программы наведения ракет. Лаборатория приборостроения Массачусетского технологического института (позже ставшая Charles Stark Draper Laboratory , Inc.) была выбрана Отделом западных разработок ВВС для обеспечения 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 Division компании AmBosch Arma). Техническим руководителем задания MIT был инженер Джим Флетчер, который позже занимал должность администратора НАСА. Система наведения Atlas должна была представлять собой комбинацию бортовой автономной системы и наземной системы слежения и управления. В конечном итоге в баллистических ракетах по очевидным причинам возобладала автономная система. В исследовании космоса остается смесь этих двух.
Летом 1952 года доктор Ричард Баттин и доктор Дж. Холкомб «Хэл» Лэнинг-младший исследовали вычислительные решения для наведения и провели начальную аналитическую работу по инерциальному наведению Atlas в 1954 году. Другими ключевыми фигурами в Convair были Чарли Боссарт, главный инженер, и Вальтер Швайдецкий, руководитель группы наведения. Швайдецкий работал с фон Брауном в Пенемюнде во время Второй мировой войны.
Первоначальная система наведения Delta оценивала разницу в положении относительно опорной траектории. Расчет скорости, которую необходимо получить (VGO), выполняется для коррекции текущей траектории с целью сведения VGO к нулю. Математика этого подхода была в принципе верна, но была отклонена из-за проблем с точным инерциальным наведением и аналоговой вычислительной мощностью. Проблемы, с которыми столкнулись усилия Delta, были преодолены системой Q (см. Q-наведение ) наведения. Революция системы Q заключалась в том, чтобы связать проблемы наведения ракеты (и связанных с ней уравнений движения) в матрице Q. Матрица Q представляет собой частные производные скорости по вектору положения. Ключевая особенность этого подхода позволяла использовать компоненты векторного перекрестного произведения (v, xdv, /dt) в качестве основных сигналов скорости автопилота — метод, который стал известен как перекрестное наведение . Система Q была представлена на первом Техническом симпозиуме по баллистическим ракетам, состоявшемся в корпорации Ramo-Wooldridge в Лос-Анджелесе 21 и 22 июня 1956 года. Система Q была секретной информацией до 1960-х годов. Производные этого наведения используются для современных ракет.
В феврале 1961 года NASA заключило с MIT контракт на предварительное проектирование системы наведения и навигации для программы Apollo . MIT и Delco Electronics Div. корпорации General Motors получили совместный контракт на проектирование и производство систем наведения и навигации Apollo для командного модуля и лунного модуля. Delco изготовила IMU ( инерциальные измерительные блоки ) для этих систем, Kollsman Instrument Corp. изготовила оптические системы, а компьютер наведения Apollo был построен Raytheon по субподряду. [20] [21]
Для Space Shuttle использовалось управление с открытым контуром для управления Shuttle от старта до отделения твердотопливного ракетного ускорителя (SRB). После отделения SRB основное управление Space Shuttle называется PEG (Powered Explicit Guidance). PEG учитывает как систему Q, так и атрибуты предиктора-корректора оригинальной системы «Delta» (PEG Guidance). Хотя за последние 30 лет было внесено множество обновлений в навигационную систему Shuttle (например, GPS в сборке OI-22), ядро управления системы GN&C Shuttle мало изменилось. В пилотируемой системе необходим человеческий интерфейс для системы управления. Поскольку заказчиком системы являются астронавты, было сформировано много новых команд, которые касаются GN&C, поскольку это основной интерфейс для «управления» транспортным средством.
Одним из примеров популярной ИНС для коммерческих самолетов была Delco Carousel , которая обеспечивала частичную автоматизацию навигации в те дни, когда полные системы управления полетом еще не стали обычным явлением. Карусель позволяла пилотам вводить 9 точек маршрута за раз, а затем направляла самолет от одной точки маршрута к другой, используя ИНС для определения положения и скорости самолета. Корпорация Boeing заключила субподряд с Delco Electronics Div. of General Motors для проектирования и создания первых серийных систем Carousel для ранних моделей (-100, -200 и -300) самолета 747. В 747 использовались три системы Carousel, работающие совместно для обеспечения надежности. Система Carousel и ее производные впоследствии были приняты для использования во многих других коммерческих и военных самолетах. USAF C-141 был первым военным самолетом, использовавшим Carousel в конфигурации двойной системы, за ним последовал C-5A, который использовал конфигурацию тройной INS, похожую на 747. Флот KC-135A был оснащен одной системой Carousel IV-E, которая могла работать как автономная INS или могла дополняться доплеровским радаром AN/APN-81 или AN/APN-218 . Некоторые варианты C-135 для специальных миссий были оснащены двойной Carousel IV-E INS. Характеристика ARINC 704 определяет INS, используемую в коммерческих воздушных перевозках.
ИНС содержат инерциальные измерительные блоки (ИИБ), которые имеют угловые и линейные акселерометры (для изменения положения); некоторые ИИБ включают гироскопический элемент (для поддержания абсолютной угловой отсчетной точки).
Угловые акселерометры измеряют, как транспортное средство вращается в пространстве. Обычно имеется по крайней мере один датчик для каждой из трех осей: тангаж (нос вверх и вниз), рыскание (нос влево и вправо) и крен (по часовой стрелке или против часовой стрелки от кабины).
Линейные акселерометры измеряют негравитационные ускорения [22] транспортного средства. Поскольку оно может двигаться по трем осям (вверх и вниз, влево и вправо, вперед и назад), для каждой оси имеется линейный акселерометр.
Компьютер непрерывно вычисляет текущее положение транспортного средства. Сначала для каждой из шести степеней свободы (x,y,z и θ x , θ y и θ z ) он интегрирует по времени измеренное ускорение вместе с оценкой силы тяжести, чтобы вычислить текущую скорость. Затем он интегрирует скорость, чтобы вычислить текущее положение.
Инерциальное наведение трудно без компьютеров. Желание использовать инерциальное наведение в ракете Minuteman и проекте Apollo привело к ранним попыткам миниатюризации компьютеров.
Инерциальные системы наведения теперь обычно объединяются со спутниковыми навигационными системами через цифровую систему фильтрации. Инерциальная система предоставляет краткосрочные данные, в то время как спутниковая система исправляет накопленные ошибки инерциальной системы.
Инерциальная система наведения, которая будет работать вблизи поверхности Земли, должна включать настройку Шулера , чтобы ее платформа продолжала указывать на центр Земли при перемещении транспортного средства с места на место.
Некоторые системы размещают линейные акселерометры на карданной гиростабилизированной платформе. Карданы представляют собой набор из трех колец, каждое с парой подшипников, изначально расположенных 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). На платформе (обычно) есть два гироскопа .
Два гироскопа используются для отмены гироскопической прецессии , тенденции гироскопа к скручиванию 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. [ необходима цитата ]
Эта система позволяет измерять углы крена, тангажа и рыскания транспортного средства непосредственно на подшипниках карданных подвесов. Для сложения линейных ускорений можно использовать относительно простые электронные схемы, поскольку направления линейных акселерометров не меняются.
Большим недостатком этой схемы является то, что она использует много дорогих прецизионных механических деталей. Она также имеет подвижные части , которые могут изнашиваться или заклинивать, и уязвима для блокировки карданного подвеса . Основная система наведения космического корабля Apollo использовала трехосную гиростабилизированную платформу, передавая данные в компьютер управления Apollo . Маневры должны были быть тщательно спланированы, чтобы избежать блокировки карданного подвеса.
Блокировка карданного подвеса ограничивает маневрирование, и было бы полезно исключить скользящие кольца и подшипники карданного подвеса. Поэтому некоторые системы используют жидкостные подшипники или камеру плавучести для установки гиростабилизированной платформы. Эти системы могут иметь очень высокую точность (например, Advanced Inertial Reference Sphere ). 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 давят на сферическую оболочку платформы. Жидкостные подшипники очень скользкие, и сферическая платформа может свободно вращаться. Обычно имеется четыре опорных подушки, смонтированных в тетраэдрическом расположении для поддержки платформы.
В системах премиум-класса угловые датчики обычно представляют собой специализированные трансформаторные катушки, выполненные в виде полосы на гибкой печатной плате . Несколько катушечных полос установлены на больших окружностях вокруг сферической оболочки гиростабилизированной платформы. Электроника вне платформы использует аналогичные полосковые трансформаторы для считывания изменяющихся магнитных полей, создаваемых трансформаторами, обернутыми вокруг сферической платформы. Всякий раз, когда магнитное поле меняет форму или перемещается, оно разрезает провода катушек на внешних полосах трансформатора. Разрезание генерирует электрический ток во внешних полосковых катушках, и электроника может измерять этот ток для получения углов.
Дешевые системы иногда используют штрихкоды для определения ориентации и используют солнечные батареи или один трансформатор для питания платформы. Некоторые небольшие ракеты питали платформу светом из окна или оптоволокном к двигателю. Тема исследования — подвешивание платформы с помощью давления от выхлопных газов. Данные возвращаются во внешний мир через трансформаторы или иногда светодиоды, взаимодействующие с внешними фотодиодами .
Легкие цифровые компьютеры позволяют системе исключить карданные подвесы, создавая бескарданные системы, так называемые, потому что их датчики просто пристегиваются к транспортному средству. Это снижает стоимость, исключает блокировку карданного подвеса , устраняет необходимость в некоторых калибровках и повышает надежность за счет исключения некоторых подвижных частей. Датчики угловой скорости, называемые гироскопами скорости, измеряют угловую скорость транспортного средства.
Бесплатформенная система требует динамического диапазона измерений в несколько сотен раз больше, чем требуется для карданной системы. То есть она должна интегрировать изменения положения транспортного средства по тангажу, крену и рысканию, а также грубые перемещения. Карданные системы обычно могут хорошо работать с частотой обновления 50–60 Гц. Однако бесплатформенные системы обычно обновляются с частотой около 2000 Гц. Более высокая частота необходима для того, чтобы навигационная система могла точно интегрировать угловую скорость в положение.
Используемые алгоритмы обновления данных ( направляющие косинусы или кватернионы ) слишком сложны, чтобы их можно было точно выполнить без цифровой электроники. Однако цифровые компьютеры теперь настолько недороги и быстры, что системы гироскопов скорости теперь можно использовать на практике и производить массово. Лунный модуль Apollo использовал бесплатформенную систему в своей резервной системе управления отменой (AGS).
В настоящее время бесплатформенные системы широко используются в коммерческих и военных приложениях (самолеты, корабли, ROV , ракеты и т. д.). Современные бесплатформенные системы основаны на кольцевых лазерных гироскопах , оптоволоконных гироскопах или гироскопах с полусферическим резонатором . Они используют цифровую электронику и передовые методы цифровой фильтрации, такие как фильтр Калмана .
Ориентация гироскопической системы иногда может быть выведена просто из истории ее положения (например, GPS). Это, в частности, касается самолетов и автомобилей, где вектор скорости обычно подразумевает ориентацию корпуса транспортного средства.
Например, Align in Motion от Honeywell [23] — это процесс инициализации, при котором инициализация происходит во время движения самолета, в воздухе или на земле. Это достигается с помощью GPS и инерциального теста на разумность, что позволяет удовлетворить коммерческие требования к целостности данных. Этот процесс был сертифицирован FAA для восстановления чистой производительности INS, эквивалентной стационарным процедурам выравнивания для гражданских полетов продолжительностью до 18 часов. Он устраняет необходимость в батареях гироскопа на самолете.
Менее дорогие навигационные системы, предназначенные для использования в автомобилях, могут использовать гироскоп с вибрирующей структурой для обнаружения изменений в курсе и датчик одометра для измерения пройденного расстояния по пути транспортного средства. Этот тип системы намного менее точен, чем более совершенная INS, но он подходит для типичного автомобильного приложения, где GPS является основной навигационной системой, а точный расчет пути требуется только для заполнения пробелов в покрытии GPS, когда здания или рельеф блокируют сигналы спутника.
Если стоячая волна индуцируется в полусферической резонансной структуре, а затем резонансная структура вращается, сферическая гармоническая стоячая волна вращается на угол, отличный от угла кварцевого резонатора из-за силы Кориолиса. Движение внешнего корпуса относительно картины стоячей волны пропорционально общему углу поворота и может быть воспринято соответствующей электроникой. Системные резонаторы изготавливаются из плавленого кварца из-за его превосходных механических свойств. Электроды, которые возбуждают и воспринимают стоячие волны, наносятся непосредственно на отдельные кварцевые структуры, которые окружают резонатор. Эти гироскопы могут работать либо в режиме полного угла (что дает им почти 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 она все еще относительно дорога из-за стоимости прецизионных шлифованных 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 навигационных систем на основе HRG , предназначенных для широкого спектра применений. [25]
К таким продуктам относятся «гироскопы с камертоном». Здесь гироскоп сконструирован как электронно-управляемый камертон, часто изготавливаемый из цельного куска кварца или кремния. Такие гироскопы работают в соответствии с динамической теорией, согласно которой при приложении угловой скорости к перемещающемуся телу возникает сила Кориолиса .
Эта система обычно интегрируется на кремниевом чипе. Она имеет два кварцевых камертона с уравновешенной массой, расположенных «ручкой к ручке», так что силы компенсируются. Алюминиевые электроды, напыленные на вилки, и базовый чип одновременно и приводят в движение, и воспринимают движение. Система является как технологичной, так и недорогой. Поскольку кварц имеет стабильные размеры, система может быть точной.
Поскольку вилки скручиваются вокруг оси ручки, вибрация зубцов имеет тенденцию продолжаться в той же плоскости движения. Это движение должно встречать сопротивление со стороны электростатических сил от электродов под зубцами. Измеряя разницу в емкости между двумя зубцами вилки, система может определить скорость углового движения.
Современные невоенные технологии (по состоянию на 2005 год [update]) 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 камерах или камкордерах. Они могут быть чрезвычайно маленькими, около 5 миллиметров (0,20 дюйма) и построены с использованием технологий микроэлектромеханических систем (MEMS). [26]
Датчики, работающие на магнитогидродинамических принципах, могут использоваться для измерения угловых скоростей.
Гироскопы MEMS обычно используют эффект Кориолиса для измерения угловой скорости. Он состоит из резонирующей инерционной массы, установленной в кремнии. Гироскоп, в отличие от акселерометра, является активным датчиком. Инерционная масса толкается вперед и назад приводными гребнями. Вращение гироскопа создает силу Кориолиса, которая действует на массу, что приводит к движению в другом направлении. Движение в этом направлении измеряется электродами и представляет собой скорость поворота. [27]
Кольцевой лазерный гироскоп (RLG) разделяет луч лазерного света на два луча в противоположных направлениях через узкие туннели в замкнутом круговом оптическом пути по периметру треугольного блока из термостойкого стекла Cervit с отражающими зеркалами, размещенными в каждом углу. Когда гироскоп вращается с некоторой угловой скоростью, расстояние, пройденное каждым лучом, будет отличаться — более короткий путь будет 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, заставляющего лучи синхронизироваться и блокироваться вместе. Это известно как lock-in или laser-lock . Результатом является отсутствие изменений в интерференционной картине и, следовательно, отсутствие изменений в измерении.
Чтобы разблокировать встречно вращающиеся световые лучи, лазерные гироскопы либо имеют независимые пути света для двух направлений (обычно в волоконно-оптических гироскопах), либо лазерный гироскоп установлен на пьезоэлектрическом вибродвигателе, который быстро вибрирует лазерным кольцом вперед и назад вокруг его входной оси через область захвата для разделения световых волн.
Шейкер наиболее точен, потому что оба световых луча используют абсолютно один и тот же путь. Таким образом, лазерные гироскопы сохраняют подвижные части, но они не перемещаются так далеко.
Более поздняя разновидность оптического гироскопа, волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), использует внешний лазер и два луча, идущих в противоположных направлениях (встречных) 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, распространяющийся в противоположных направлениях, и эффект Саньяка — одинаков в ВОГ и РГ, но технические детали ВОГ существенно отличаются по сравнению с более ранними лазерными гироскопами.
Точная намотка волоконно-оптической катушки необходима для обеспечения максимально возможного сходства путей, пройденных светом в противоположных направлениях. FOG требует более сложных калибровок, чем лазерный кольцевой гироскоп, что делает разработку и производство FOG более технически сложными, чем для RLG. Однако FOG не страдают от блокировки лазера на низких скоростях и не должны содержать никаких движущихся частей, что увеличивает максимальную потенциальную точность и срок службы FOG по сравнению с эквивалентным RLG.
Базовый акселерометр с открытым контуром состоит из массы, прикрепленной к пружине. Масса ограничена движением только в соответствии с пружиной. Ускорение вызывает отклонение массы, и измеряется расстояние смещения. Ускорение выводится из значений расстояния отклонения, массы и жесткости пружины. Система также должна быть демпфирована, чтобы избежать колебаний. Акселерометр с закрытым контуром достигает более высокой производительности, используя контур обратной связи для отмены отклонения, тем самым сохраняя массу почти неподвижной. Всякий раз, когда масса отклоняется, контур обратной связи заставляет электрическую катушку прилагать такую же отрицательную силу к массе, отменяя движение. Ускорение выводится из величины приложенной отрицательной силы. Поскольку масса едва движется, эффекты нелинейности пружины и демпфирующей системы значительно уменьшаются. Кроме того, этот акселерометр обеспечивает увеличенную полосу пропускания за пределами собственной частоты чувствительного элемента.
Оба типа акселерометров изготавливаются в виде интегрированных микроустройств на кремниевых чипах.
Отделение микросистемных технологий (MTO) DARPA работает над программой Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) для разработки чипов блока измерения времени и инерциальных измерений (TIMU), которые отслеживают абсолютное положение на одном чипе без навигации с помощью GPS. [ 28] [29] [30]
Micro-PNT добавляет высокоточные главные часы синхронизации [31], интегрированные в чип IMU (Inertial Measurement Unit), что делает его чипом Timing & Inertial Measurement Unit. 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 синхронизацией от синхронизированных часов. [28] [29]
В одной из форм навигационная система уравнений получает линейные и угловые измерения из инерциальной и телесной систем соответственно и вычисляет окончательное положение и положение в системе отсчета NED .
Где f — удельная сила, — угловая скорость, a — ускорение, R — положение, V — скорость, — угловая скорость Земли, g — ускорение силы тяжести, а h — параметры местоположения NED. Кроме того, верхние/нижние индексы E, I и B представляют переменные в системе отсчета с центром в Земле, инерциальной или телесной, соответственно, а C — преобразование систем отсчета. [ необходима ссылка ]
