Sistem de navigație inerțială

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Diagrama sistemului de navigație inerțial al unei rachete Saturn V.

Un sistem de navigație inerțială [1] sau un sistem de ghidare inerțială [2] este un dispozitiv de navigație care oferă informații despre poziția, viteza și accelerația unui vehicul dat (inclusiv nave , aeronave , rachete și nave spațiale [2] [3] [4] , dar și roboți [5] [6] ), fără a fi nevoie de referințe externe sau dispozitive de comunicații radio [7] . Cu toate acestea, măsurarea poziției în sistemele inerțiale este inevitabil supusă derivei în timp , necesitând recalibrarea frecventă [8] [9] .

Istorie

Centrul de ghidare inerțială al rachetei S3
O unitate inerțială modernă a unui avion Eurofighter Typhoon

Primele sisteme giroscopice au fost dezvoltate de Leon Foucault , utilizate ulterior de Elmer Sperry pentru a construi un pilot automat rudimentar la începutul secolului al XX-lea [10] . Cu toate acestea, trebuie să așteptăm până în anii 1930 pentru a vedea primele sisteme reale de navigație bazate pe referințe inerțiale. Primele prototipuri ale sistemelor de navigație inerțială, dezvoltate inițial pentru ghidarea rachetelor, au fost construite de pionierul american de rachete Robert Goddard [11] în paralel cu inginerul german Wernher von Braun [10] . Primul sistem proiectat pentru racheta V2 consta din două giroscopuri și un accelerometru care permiteau menținerea rachetei orientată spre azimutul corect [10] . Inițial, primele sisteme constau din sisteme electromecanice și analogice grele care nu permiteau ca sistemele să fie redundante pentru a-și spori fiabilitatea în aplicațiile aerospațiale [12] . Această problemă a fost resimțită în special în dezvoltarea programului Apollo , unde sistemul de navigație a devenit un sistem critic și de care depindea viața astronauților. Acest lucru a dat un impuls puternic primelor încercări de miniaturizare a computerelor pentru a produce primul sistem de navigație inerțială digitală [12] .

Un exemplu celebru de sistem INS pentru avioane comerciale a fost sistemul Delco Carousel , care a furnizat automatizarea parțială a navigației în zilele premergătoare utilizării comune a sistemelor de management al zborului . Caruselul a permis pilotului să intre într-o serie de repere și apoi să conducă aeronava dintr-un punct în altul folosind un sistem de navigație inerțială pentru a-i determina poziția. Unele aeronave au fost echipate cu două sisteme Carusel din motive de siguranță [13] .

Principiul de funcționare

Un sistem de navigație inerțială include cel puțin un computer și o platformă sau modul care conține accelerometre , giroscopuri sau alte dispozitive sensibile la mișcare. Sistemul este prevăzut inițial cu viteza și poziția sa de la o altă sursă (un operator, un receptor de satelit GPS etc.) și după aceea își calculează poziția și viteza actualizate prin integrarea informațiilor primite de la senzorii de mișcare. Avantajul unui sistem inerțial este că nu are nevoie de referințe externe pentru a-i determina poziția, orientarea sau viteza odată ce a fost pornit.

Un sistem inerțial poate detecta o modificare a poziției sale geografice (de exemplu, o mișcare spre nord sau est), o modificare a vitezei sale (viteza, orientarea și direcția de mișcare) și o modificare a orientării sale (rotația în jurul unei axe ). Giroscopurile măsoară viteza unghiulară a sistemului într-un cadru de referință inerțial. Folosind orientarea inițială a sistemului cu privire la referința inerțială ca date inițiale și integrând viteza unghiulară, orientarea curentă a sistemului este cunoscută în orice moment.

Accelerometrele măsoară accelerațiile liniare ale sistemului în referința inerțială, dar în direcțiile relative la sistemul în mișcare în care sunt măsurate (deoarece accelerometrele sunt fixate de sistem și se rotesc cu acesta, totuși nu sunt conștiente de orientarea lor) .

Cu toate acestea, prin urmărirea atât a vitezei unghiulare curente a sistemului, cât și a accelerației sale liniare măsurate curent în raport cu sistemul în mișcare, este posibil să se determine accelerația liniară a sistemului în raport cu referința inerțială. Efectuarea integrării accelerațiilor inerțiale (folosind viteza inițială ca condiție inițială) folosind ecuațiile cinematice corecte produce viteza inerțială a sistemului, iar integrarea ulterioară (folosind poziția inițială ca condiție inițială) produce poziția inerțială.

Toate sistemele de navigație inerțială suferă de deriva de integrare: mici erori în măsurătorile de accelerație și viteză unghiulară sunt integrate în erori de viteză progresiv mai mari, care se compun în erori de poziție și mai mari. Aceasta este o problemă inerentă cu orice sistem de control cu ​​buclă deschisă. Acuratețea unui sistem de navigație de bună calitate este de obicei mai mică de 0,6 mile marine pe oră în poziție și de ordinul a zecimi de grad pe oră în orientare. [ fără sursă ]

Sistemele de navigație inerțială sunt adesea combinate cu sistemele de navigație prin satelit, cum ar fi GPS , prin filtrare digitală: sistemul inerțial furnizează date pe termen scurt, în timp ce sistemul prin satelit corectează erorile de deriva ale sistemului inerțial. Acest tip de integrare se realizează de obicei printr-un filtru Kalman [14] .

Tehnologii de construcție

Fără surse!
Această intrare sau secțiunea privind aviația nu citează sursele necesare sau cele prezente sunt insuficiente.
Puteți îmbunătăți această intrare adăugând citate din surse de încredere în conformitate cu liniile directoare privind utilizarea surselor . Urmați sfaturile de proiectare de referință .

Platforme cardanice stabilizate giroscopic

În unele sisteme, accelerometrele liniare sunt dispuse pe o platformă cardanică stabilizată prin giroscop . Gimbalul este un set de trei inele, fiecare inel cu o pereche de rulmenți, inițial în unghi drept.

Această suspensie permite platformei să se rotească în jurul oricărei axe de rotație (sau, cu alte cuvinte, permite platformei să mențină orientarea pe măsură ce aeronava se rotește în jurul ei). În mod normal, există două giroscoape pe platformă.

Două giroscoape sunt montate pentru a anula precesiunea giroscopică , care este tendința giroscoapelor de a se roti în unghi drept față de direcția unei forțe care li se aplică. Prin montarea a două giroscopuri (cu același moment de inerție și rotire cu aceeași viteză) în unghi drept, precesiile sunt anulate, iar platforma va contracara rotația.

Acest sistem permite măsurarea unghiurilor de rostogolire, de fală și de pas ale aeronavei direct la rulmenții cardanici. Circuite electronice relativ simple pot fi utilizate pentru a integra accelerații liniare, deoarece direcția accelerometrelor liniare rămâne neschimbată.

Marele dezavantaj al acestei scheme este că folosește multe piese mecanice de precizie scumpe. Această schemă are părți în mișcare care se pot uza sau bloca și este vulnerabilă la pierderea unui grad de libertate. PGCS (sistemul primar de ghidare) al navei spațiale Apollo a folosit o platformă giro-stabilizată cu trei axe, care alimenta date către computerul de ghidare Apollo.

Platforme de stabilizare giroscopice cu suspensie de fluid

Pierderea unui grad de libertate datorită fenomenului cunoscut sub numele de blocare a cardanului limitează manevrabilitatea și ar fi benefic să eliminați inelele de alunecare și rulmenții de susținere a cardanului. Prin urmare, unele sisteme folosesc lagăre de fluid sau o cameră plutitoare pentru a monta platforma stabilizată. Aceste sisteme pot avea precizii foarte mari (de exemplu, sfera de referință inerțială avansată ). La fel ca toate platformele stabilizate prin giroscop, acest sistem funcționează bine cu calculatoare relativ lente și cu putere redusă.

Acești lagăre fluide sunt obiecte cu găuri prin care gazul inert presurizat (cum ar fi heliul) sau uleiul se presează pe carcasa sferică a platformei. Respectivii lagăre fluide sunt foarte netede, iar platforma sferică se poate roti liber. În mod normal, există patru surplomburi de sprijin, dispuse într-un aranjament tetraedric pentru a susține platforma.

În mod normal, în sistemele de calitate superioară, senzorii de unghi sunt transformatoare diferențiale liniare ale căror înfășurări sunt realizate pe o placă de format cu bandă de circuit imprimat flexibil. Mai multe astfel de benzi sunt montate pe cercuri ecuatoriale în jurul învelișului sferic al platformei giro-stabilizate. Elementele electronice din afara platformei folosesc transformatoare diferențiale similare pentru a citi diferitele câmpuri magnetice generate de transformatoarele înfășurate în jurul platformei sferice. Ori de câte ori un câmp magnetic își schimbă forma sau se mișcă, acesta va tăia firele înfășurărilor plasate pe benzile transformatoarelor externe. Tăierea fluxului generează un curent electric în înfășurările benzii exterioare, iar electronica poate măsura acel curent pentru a obține unghiurile.

Sistemele ieftine folosesc uneori coduri de bare pentru a detecta orientările și folosesc celulele solare sau transformatoarele simple pentru putere. Unele rachete mici au platforma alimentată de lumina care vine de la motor printr-o fereastră sau prin fibră optică. Un subiect de cercetare este suspendarea platformei prin presiunea gazelor de eșapament. Datele sunt returnate în exterior prin intermediul transformatoarelor, uneori prin LED-uri care comunică cu fotodiodele externe.

Sisteme în configurație Strapdown

Calculatoarele digitale ușoare permit sistemului să elimine cardanele, dând astfel naștere sistemelor Strapdown, denumite astfel deoarece senzorii lor sunt pur și simplu fixați de aeronavă. Acest lucru reduce costurile, elimină starea paralelismului axelor de rotație, elimină necesitatea unor calibrări și crește fiabilitatea prin eliminarea unor părți rotative. Senzorii de viteză unghiulară numiți "girometre" măsoară modul în care variază viteza unghiulară a aeronavei.

Sistemul Strapdown are o gamă de măsurători dinamice de câteva sute de ori mai mari decât cele cerute de un sistem într-o configurație cardanică. Motivul este că trebuie să integreze modificările de atitudine ale aeronavei în jurul axelor de falcă, de pas și de rulare, precum și mișcări semnificative. Sistemele Cardan pot funcționa în mod corect cu o frecvență de 50/60 actualizări pe secundă. Oricum ar fi, sistemele Strapdown se actualizează de obicei de aproximativ 2000 de ori pe secundă. Este necesară o frecvență mai mare pentru a menține măsurătorile unghiulare maxime într-un interval practic pentru girometrele existente: aproximativ 4 miliradieni. Majoritatea girometrelor sunt acum interferometre cu laser.

Algoritmii de actualizare a datelor („cosinusuri de director” sau „ Quaternions ”) care sunt implicați sunt prea complexi pentru a fi executați cu precizie, cu excepția procesorilor digitali. Cu toate acestea, calculatoarele digitale sunt acum atât de ieftine și rapide încât sistemele girometrice pot fi acum utilizate și produse în masă peste tot. Modulul lunar Apollo a folosit un sistem Strapdown în configurarea sa de rezervă.

Sistemele Strapdown sunt în prezent utilizate în mod obișnuit în aplicații comerciale și tactice (aeronave, rachete etc.). Cu toate acestea, acestea nu sunt încă utilizate pe scară largă în aplicații în care este necesară o precizie ridicată (cum ar fi navigația subacvatică sau sistemele de ghidare strategică).

Aliniere în mișcare

Orientarea unui sistem giroscopic poate fi uneori dedusă doar din datele de poziție stocate (de exemplu, GPS). Acesta este, în special, cazul avioanelor și al autovehiculelor, unde vectorul viteză implică de obicei orientarea corpului vehiculului.

Un exemplu este un sistem de aliniere în mișcare GPS Honeywell pentru sisteme de navigație inerțială cu bandă de aviație civilă. În acest sistem există un proces de inițializare în care inițializarea are loc în timp ce aeronava este în mișcare, atât la sol, cât și în aer. Acest lucru se face utilizând GPS și un test de integritate a datelor stocate, astfel încât să fie îndeplinite cerințele de integritate a datelor de afaceri. Procesul a fost certificat de FAA ca fiind potrivit pentru recuperarea performanței pure a sistemului de navigație inerțială, echivalent cu procedurile de aliniere în condiții staționare, pentru durate de zbor ale aeronavelor civile de până la 18 ore. Este evitată necesitatea de a avea baterii dedicate giroscopului la bord.

Giroscop vibrant

Sistemele de navigație mai puțin costisitoare, concepute pentru a fi utilizate în automobile, pot utiliza giroscopuri cu structură vibrantă pentru a detecta schimbările de orientare, iar traductorul contorului de kilometraj pentru a măsura cât de departe a parcurs vehiculul. Acest tip de sistem este mult mai puțin precis decât sistemele de navigație inerțială pentru scopuri superioare, dar este adecvat pentru aplicațiile tipice ale vehiculelor în care GPS-ul este sistemul principal de navigație, iar navigația estimată este necesară doar pentru a umple golurile din acoperiș. blocați semnale prin satelit.

Giroscop cu rezonator emisferic (giroscop de sticlă cu balon)

Dacă o undă staționară este indusă într-o cavitate rezonantă globulară, de exemplu într-o sticlă de rom cu tijă scurtă (adică într-un balon ) și apoi sticla este înclinată, undele staționare tind să persiste în același plan de mișcare, ele nu se vor înclina complet cu recipientul. Acest artificiu este folosit pentru măsurarea unghiurilor. În locul unui balon de rom, sistemul folosește sfere goale de materiale piezoelectrice, cum ar fi cuarțul obținut prin prelucrarea mașinii. Electrozii de pornire și de percepție ai undelor sunt obținuți prin evaporare în cuarț.

Acest sistem nu are practic părți în mișcare și este foarte precis. Cu toate acestea, este relativ foarte scump datorită costului de măcinare și lustruire a sferelor goale de cuarț.

Deși au fost construite sisteme de succes, iar cinematica sistemelor HRG pare capabilă de o precizie mai mare, astfel de sisteme nu au avut prea mult succes.

Sistemul clasic este DELCO 130Y [15] [16] sistem de giroscop emisferic rezonant, dezvoltat în jurul anului 1986.

Senzori de viteză unghiulară de cuarț

Un senzor de cuarț

Acest sistem este de obicei integrat într-un microcircuit de siliciu. Are două furci de acordare din cuarț, dispuse „mâner cu mâner” astfel încât forțele să fie anulate. Electrozii din aluminiu s-au evaporat în diapazonele și în microcircuitul subiacent stimulează și detectează mișcarea în același timp. Sistemul este economic și ușor de construit. Deoarece cuarțul este stabil dimensional, sistemul poate fi precis.

Când furcile de reglare sunt rotite în jurul axei mânerelor, vibrația vârfurilor tinde să continue în același plan de mișcare. Această mișcare trebuie contracarată de forțe electrostatice de la electrozi sub vârfuri. Măsurând capacitatea dintre cele două colțuri ale unui diapazon, sistemul poate determina rata de deplasare unghiulară.

Stadiul actual al tehnologiei non-militare poate produce mici senzori în stare solidă care pot măsura mișcările corpului uman. Aceste dispozitive nu au piese în mișcare și cântăresc în jur de 50g

Dispozitivele în stare solidă care utilizează aceleași principii fizice sunt utilizate pentru stabilizarea imaginilor realizate cu camere video mici. Acestea pot fi extrem de mici (5 mm) și sunt produse cu tehnologii MEMS (sisteme MicroElectroMechanical).

Giroscop cu laser

Giroscopii laser au fost necesare pentru a elimina rulmenții din giroscopi, și astfel bastionul suprem al prelucrării de precizie și a pieselor mobile.

Un giroscop laser împarte un fascicul de lumină laser în două fascicule în direcții opuse prin canale înguste într-o cale optică închisă în jurul perimetrului triunghiular al unui bloc de sticlă cervit stabilă la temperatură cu oglinzi reflectorizante plasate în fiecare colț. Când giroscopul se rotește la o anumită viteză unghiulară, distanța parcursă de fiecare rază devine diferită, iar cea mai scurtă cale este cea opusă rotației. Schimbarea fazei între cele două fascicule poate fi măsurată cu un interferometru și este proporțională cu viteza de rotație ( efect Sagnac ).

În practică, la viteze de rotație reduse, frecvența de ieșire poate scădea la zero ca urmare a difuzării înapoi, rezultând sincronizarea și blocarea fasciculelor. Acest lucru este cunoscut sub numele de „blocare cu laser”. Rezultatul este că nu mai există variații ale franjurilor de interferență și, prin urmare, nu există modificări ale măsurării.

Pentru a debloca fasciculele de lumină contrarotante, giroscopii laser au fie căi de lumină independente pentru cele două direcții (de obicei în giroscopii cu fibră optică), fie giroscopul laser este montat pe un motor piezoelectric vibrator care vibrează inelul laser înainte și înapoi rapid în jurul axa de intrare în regiunea de cuplare pentru decuplarea razelor de lumină.

Vibratorul este cel mai precis, deoarece ambele raze folosesc aceeași cale. Giroscopele laser rețin astfel unele părți în mișcare, dar nu se mișcă prea mult.

Accelerometre pendulare

Principiul de funcționare al accelerometrului cu buclă deschisă. O accelerație ascendentă determină o deplasare în jos a masei.

Un accelerometru cu buclă deschisă constă dintr-o masă atașată unui arc. Masa este constrânsă să se deplaseze numai în conformitate cu arcul. Accelerația determină devierea masei și se măsoară abaterea distanței. Accelerația este derivată din valorile abaterii distanței, a masei și a constantei arcului. De asemenea, sistemul trebuie să fie amortizat pentru a preveni oscilația.

Un accelerometru cu buclă închisă obține performanțe mai bune prin utilizarea unei bucle retroactive pentru a elimina devierea, menținând astfel masa practic staționară. Ori de câte ori masa deviază, inelul contrareactiv face ca o bobină electrică să aplice o forță negativă egală asupra masei, anulând mișcarea. Accelerarea este derivată din cantitatea de forță negativă aplicată. Deoarece masa se mișcă cu greu, cerințele privind liniaritatea arcului și amortizarea sistemului sunt mult reduse. În plus, acest accelerometru oferă lățime de bandă crescută dincolo de frecvența naturală a elementului senzor.

Ambele tipuri de accelerometre au fost produse cu aceeași tehnică ca și circuitele integrate pe bază de siliciu.


Sistemul de navigație inerțială în aeronave

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Unitatea de măsură inerțială .
Comparația preciziei unei unități de măsură inerțială în raport cu alte mijloace radio .

Unitatea computerizată care îndeplinește acest rol la bordul aeronavelor se numește unitate de măsurare inerțială . Până la apariția GPS-ului , sistemele inerțiale reprezentau în trecut singura metodă de navigație aeriană în absența mijloacelor radio și încă rămân o componentă esențială a avionicii [17] . De fapt, în timp ce GPS-ul garantează o precizie optimă a poziției și nu este în derivă, timpul de răspuns extrem de scurt al unității inerțiale este necesar pentru a furniza informații despre viteză și accelerație [18] [19] .

Sistemele de navigație inerțială încorporează accelerometre liniare și unghiulare (pentru a măsura schimbările de poziție); unele includ elemente giroscopice (pentru a menține o referință unghiulară absolută). Accelerometrele unghiulare măsoară rotația aeronavei în spațiu. În general, există cel puțin un senzor pentru fiecare dintre cele trei axe: axa de înclinare (arcuire ridicată / inferioară), axa de falcă (arcuire la dreapta sau la stânga) și axa de rulare (oscilație în jurul propriei axe orizontale). Accelerometrele liniare măsoară modul în care se deplasează aeronava în spațiu. Deoarece se poate deplasa de-a lungul a trei axe (în sus și în jos, la stânga și la dreapta și înainte și înapoi) există un accelerometru liniar pentru fiecare dintre cele trei axe.

Un calculator în timp real calculează continuu poziția curentă a aeronavei. În primul rând, pentru fiecare dintre cele șase grade de libertate (x, y, ze θx, θy și θz), integrează accelerațiile percepute în timp pentru a deduce viteza curentă. Apoi integrează viteza pentru a deduce poziția curentă.

Un sistem de navigație inerțial conceput să funcționeze în apropierea suprafeței Pământului trebuie să încorporeze Pendulul lui Schuler , pentru ca platforma sa să poată continua să se îndrepte spre centrul pământului în timp ce aeronava se deplasează dintr-un loc în altul.

Notă

  1. ^ Salvatore Brischetto, Elements of Aeronautical Security , Esculapio Publishing Company, 2019, ISBN 978-88-9385-135-0 .
  2. ^ a b ( EN ) Sistem de ghidare inerțială , pe britannica.com , Encyclopaedia Britannica. Adus pe 29 martie 2020.
  3. ^ Giovanna Cavanenghi, Franco Timo, Code of maritime, interior and air navigation , La Tribuna, ISBN 978-88-291-0086-6 .
  4. ^ (EN) Liu Fucheng, Shan Lu, Yue Sun, Guidance and Control Technology of Spacecraft on Elliptical Orbit, Springer, 2018, ISBN 978-981-10-7959-7 .
  5. ^ Bruno Siciliano, Oussama Khatib, Springer Handbook of Robotics , Springer Science & Business Media, 2008, ISBN 978-3-540-23957-4 .
  6. ^ Gerald Cook, Mobile Robots: Navigation, Control and Remote Sensing , John Wiley & Sons, 2011, ISBN 978-1-118-02904-6 .
  7. ^ AeroStudents.com, Principiile de bază ale navigației inerțiale , Universitatea de Tehnologie din Tampere.
  8. ^ Rizzardo Trebbi, Secretele zborului: Tot ceea ce ar dori să știe cei care călătoresc cu avionul , Hoepli Editore, 2013, ISBN 978-88-203-6019-1 .
  9. ^ Unități de măsurare inerțiale (IMU) , la celebrarea200years.noaa.gov , NOAA. Adus pe 29 martie 2020.
  10. ^ a b c Giuseppe Iurato, Despre evoluția istorică a instrumentației giroscopice: o foarte scurtă relatare , 2015.
  11. ^ Shannon Ridinger, Mervin Brokke, Chris Rink, Comunicat de presă 12-111 ( TXT ), la nasa.gov , NASA , 2012. Accesat la 1 aprilie 2020 .
  12. ^ a b Robert D. Braun, Zachary R. Putnam, Bradley A. Steinfeldt, Michael J. Grant, Advances in Inertial Guidance Technology for Aerospace Systems ( PDF ), în AIAA Guidance, Navigation, and Control (GNC) Conference , 2013, DOI : 10.2514 / 6.2013-5123 .
  13. ^ KC Khurana,Aviation Management: Global Perspectives , Global India Publications, 2009, p. 53, ISBN 978-93-80228-39-6 .
  14. ^ AH Mohamed, KP Schwarz, Adaptive Kalman Filtering for INS / GPS , în Journal of Geodesy , vol. 73, Springer, 1999, pp. 193-203, DOI : 10.1007 / s001900050236 .
  15. ^ ( PDF ) ( EN ) J. Courtney Ray, STEREO Guidance & Control Arhivat 15 februarie 2013 la Internet Archive.
  16. ^ ( PDF ) ( EN ) Northrop Grumman - David M. Rozelle, The Hemispherical Resonator Gyro: From Wineglass to the Planets .
  17. ^ Master Minimum Equipment List - Boeing 787 ( PDF ), la fsims.faa.gov , FAA, 2005. Accesat la 1 aprilie 2020 .
  18. ^ (EN) Sistem de navigație inerțială (INS) , de skybrary.aero, Skybrary. Adus la 1 aprilie 2020.
  19. ^ Kai-Wei Chiang, Thanh Trung Duong, Jhen-Kai Liao, Analiza performanței unui sistem integrat de navigare a vehiculelor INS / GPS în timp real cu eliminare anormală de măsurare GPS , în senzori , MDPI, 2013, DOI : doi: 10.3390 / s130810599 .

Elemente conexe

linkuri externe

Controlul autorității Thesaurus BNCF 20081 · LCCN (EN) sh85065988 · GND (DE) 4185821-9 · BNF (FR) cb11976528h (data)
Inginerie Inginerie Portal Puteți ajuta Wikipedia prin completarea lui Engineering
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Inertial_navigation_system&oldid=120718396 ”