Navegación inercial con correas
Descripción general
Un sistema de navegación inercial incluye al menos una computadora y una plataforma o módulo que contiene un acelerómetro, giroscopio u otro dispositivo de detección de movimiento. Un sistema de navegación inercial obtiene inicialmente su posición y velocidad de otra fuente (operador humano, receptor de satélite GPS, etc.) y luego calcula su propia posición actualizada. Inicialmente, el INS obtiene su posición y velocidad de otra fuente (operador humano, receptor de satélite GPS, etc.) y luego calcula su propia posición y velocidad más recientes integrando la información recibida de los sensores de movimiento.
La ventaja de un INS es que, una vez inicializado, no requiere referencia externa para determinar su posición, orientación o velocidad.
El INS puede detectar cambios en su ubicación geográfica (como moverse hacia el este o el norte), cambios de velocidad (velocidad y dirección del movimiento) y cambios de orientación (rotación alrededor de un eje). Lo hace midiendo la linealidad y linealizando la dirección (rotación alrededor de un eje). Lo hace midiendo la aceleración lineal y angular aplicada al sistema. Como no requiere referencia externa (después de la inicialización), lo hace midiendo las aceleraciones lineales y angulares aplicadas al sistema.
Los sistemas de navegación inercial se utilizan en muchos tipos diferentes de aeronaves, incluidos aviones, submarinos, naves espaciales y misiles guiados.
Los sistemas de navegación inercial se utilizan en muchos tipos diferentes de aeronaves, incluidos aviones, submarinos, naves espaciales y misiles guiados. Sin embargo, el costo y la complejidad de los sistemas de navegación inercial limitan sus entornos de uso práctico.
Un giroscopio mide la velocidad angular de un sistema en un sistema de referencia inercial. Al utilizar la orientación original del sistema en el sistema de referencia inercial como condición inicial e integrar la velocidad angular, la orientación actual del sistema se conoce en todo momento. Esto es como un pasajero con los ojos vendados en un automóvil que puede sentir que el automóvil gira hacia la izquierda y hacia la derecha o se inclina hacia arriba y hacia abajo al subir o bajar una pendiente. Sólo con esa información, sabía lo que estaba pasando.
El acelerómetro mide la aceleración lineal del sistema en el marco de referencia inercial, pero su dirección de medición solo puede ser relativa al sistema en movimiento (porque el acelerómetro está fijo al sistema y gira con el sistema, pero no puede sentir su propia dirección). Esto puede entenderse como un pasajero con los ojos vendados que puede sentir que lo empujan hacia atrás en su asiento cuando el automóvil acelera, o puede sentir que lo empujan hacia adelante cuando el automóvil desacelera basándose únicamente en esta información; conoce la posición relativa del vehículo; Depende de la forma en que se mueve, es decir, si el vehículo está hacia adelante, hacia atrás, hacia la izquierda, hacia la derecha, hacia arriba (hacia el techo) o hacia abajo (hacia abajo), pero no conoce la dirección relativa a la tierra. porque cuando siente la aceleración, no conoce la orientación del vehículo con respecto a la Tierra.
Sin embargo, al rastrear la velocidad angular actual del sistema y la aceleración lineal actual medida en relación con el sistema en movimiento, es posible determinar la aceleración lineal del sistema en un marco de referencia inercial. Usando la ecuación cinemática correcta para integrar la aceleración inercial (tomando la velocidad original como condición inicial), puede obtener la velocidad inercial del sistema usando la ecuación cinemática correcta para integrar la aceleración inercial (tomando la velocidad original como condición inicial); ), se puede obtener el sistema La velocidad inercial se integra nuevamente (tomando la posición original como condición inicial) y se puede obtener la posición inercial; En nuestro ejemplo, si el pasajero con los ojos vendados supiera la dirección y la velocidad del automóvil antes de que le vendaran los ojos, y también pudiera seguir los giros del automóvil y su aceleración y desaceleración a partir de entonces, podría seguir con precisión la dirección y la velocidad del automóvil en todo momento. . Conozca la dirección, posición y velocidad actuales del automóvil.
Todos los sistemas de navegación inercial tienen el problema de la deriva integral.
Todos los sistemas de navegación inercial tienen deriva integral:
Todos los sistemas de navegación inercial tienen problemas de deriva integral: pequeños errores en las mediciones de aceleración y velocidad angular se integrarán en cada control de bucle abierto en el sistema. Los sistemas de navegación de calidad suelen tener errores de posición de menos de 0,6 millas náuticas por hora y errores de demora de aproximadamente una décima de grado por hora.
La navegación inercial también se puede utilizar para complementar otros sistemas de navegación, proporcionando una mayor precisión que el uso de un solo sistema de navegación.
Por ejemplo, en uso en tierra, si la velocidad del seguimiento inercial se actualiza intermitentemente a cero al detenerse, la posición seguirá siendo precisa durante un período de tiempo más largo, lo que se conoce como actualización de velocidad cero.
Control La teoría del control en general, y el filtrado de Kalman en particular, proporciona un marco teórico para combinar información de varios sensores. Uno de los sensores alternativos más comunes es una radio de navegación por satélite, como el GPS. Al combinar adecuadamente la información de los sistemas INS y GPS, los errores en la posición y la velocidad pueden estabilizar el GPS/INS.
[editar] Historia
Los sistemas de navegación inercial se desarrollaron originalmente para cohetes. El pionero estadounidense de los cohetes, Robert Goddard, experimentó con el sistema de giroscopio más básico. El sistema del Dr. Goddard despertó gran interés entre los pioneros alemanes contemporáneos, incluido Werner. El sistema del Dr. Goddard despertó gran interés entre los pioneros alemanes contemporáneos, incluido Wernher von Braun.
Un ejemplo de un INS popular en aviones comerciales es el Delco Carousel, que proporciona navegación parcialmente automatizada antes de la gestión completa del vuelo. El Delco Carousel es un ejemplo de un INS popular en aviones comerciales que proporcionaba capacidades de navegación parcialmente automatizadas antes de que los sistemas completos de gestión de vuelo se convirtieran en algo común. El carrusel permite al piloto ingresar una serie de puntos de referencia y luego usar el INS para determinar la posición de la aeronave y guiarla de un punto de referencia al siguiente. Por razones de seguridad, algunos aviones están equipados con carruseles gemelos.
[editar] Explicación detallada de los sistemas de navegación inercial
Los INS tienen acelerómetros angulares y lineales (para cambios de posición); algunos también incluyen elementos de giroscopio (para cambios de posición);
Los INS tienen acelerómetros angulares y lineales (para cambios de posición); algunos también incluyen elementos de giroscopio (para mantener una referencia de ángulo absoluta).
Los acelerómetros de ángulo miden la rotación de un vehículo en el espacio. En términos generales, hay al menos un sensor en cada uno de los tres ejes de cabeceo (la parte delantera del automóvil está arriba y abajo), guiñada (la parte delantera del automóvil está arriba y abajo) y guiñada (la parte delantera del automóvil está arriba y abajo). está arriba y abajo). En términos generales, hay al menos un sensor para cada uno de los tres ejes de cabeceo (nariz arriba y abajo), guiñada (nariz hacia la izquierda y derecha) y balanceo (en sentido horario o antihorario desde la cabina).
Los acelerómetros lineales miden el movimiento de un vehículo a través del espacio. Dado que el vehículo puede moverse en tres ejes (arriba, abajo, izquierda, derecha, adelante y atrás), hay un acelerómetro lineal en cada uno de los tres ejes.
El ordenador calcula continuamente la posición actual del vehículo. Primero, para cada uno de los seis grados de libertad (x, y, z y θ x, θ y y θ z), la computadora integra el cambio en la aceleración detectada a lo largo del tiempo para calcular la velocidad actual.
Sin ordenadores, la guía inercial es difícil de lograr. El deseo de utilizar guía inercial en misiles y proyectores Minuteman no es un problema. El deseo de utilizar guía inercial en los misiles Minuteman y el programa Apollo impulsó los primeros intentos de miniaturizar las computadoras.
Hoy en día, los sistemas de guiado inercial se suelen combinar con sistemas de navegación por satélite mediante sistemas de filtrado digital. El sistema inercial proporciona datos a corto plazo, mientras que el sistema satelital corrige los errores acumulados del sistema inercial.
Los sistemas de guiado inercial que operan cerca de la superficie terrestre deben incluir ajustes de Schuler para que, a medida que el vehículo se desplaza de un lugar a otro, su plataforma siga apuntando hacia el centro de la Tierra.
[editar] Solución básica
[editar] Plataforma de estabilización giroscópica de bola cardán
Algunos sistemas colocan acelerómetros lineales en la plataforma de estabilización giroscópica de bola cardán. Algunos sistemas colocan acelerómetros lineales en una plataforma estabilizada por un cardán. Una junta universal consta de tres anillos, cada uno con un par de cojinetes que inicialmente forman ángulos rectos. (Una junta universal consta de tres anillos, cada uno con un par de cojinetes que inicialmente están en ángulo recto).
Se utilizan dos giroscopios para contrarrestar el movimiento hacia adelante del giroscopio, es decir, la tendencia del giroscopio a retroceder. Montar un par de giroscopios (que tienen el mismo momento de inercia y giran a la misma velocidad) en ángulo recto contrarresta el empuje hacia adelante de los giroscopios, evitando que la plataforma gire.
Este sistema puede medir el ángulo de balanceo, el ángulo de cabeceo y el ángulo de guiñada del vehículo directamente sobre los cojinetes de la junta universal. Dado que la dirección de un acelerómetro lineal no cambia, las aceleraciones lineales se pueden sumar utilizando circuitos electrónicos relativamente simples.
La mayor desventaja de esta solución es el uso de muchas piezas mecánicas de precisión costosas. Además, sus piezas móviles pueden desgastarse o atascarse, y puede ser susceptible de bloquearse el cardán. El sistema de guía principal de la nave espacial Apollo utilizó una plataforma giroestabilizada de tres ejes para impulsar la plataforma giroestabilizada y una plataforma giroestabilizada de tres ejes. El sistema de guía principal de la nave espacial Apollo utilizó una plataforma giroestabilizada de tres ejes para proporcionar datos a la computadora de guía del Apollo.
[editar] Fluidos[editar] Plataformas giroestabilizadas suspendidas por fluidos
El bloqueo del giroscopio limita la maniobrabilidad, por lo que es beneficioso eliminar los anillos colectores y los cojinetes. Estos sistemas pueden tener una precisión muy alta (por ejemplo, precisión avanzada) y pueden usarse en el diseño de plataformas giroestabilizadas. Estos sistemas pueden tener una precisión muy alta (como las esferas de referencia inerciales avanzadas).
Los cojinetes de fluido son pastillas con agujeros.
Los cojinetes de fluido son almohadillas con orificios a través de los cuales un gas inerte presurizado (como el helio) o aceite comprime la carcasa esférica de la plataforma. Los cojinetes fluidos son muy suaves y la plataforma esférica puede girar libremente.
En sistemas avanzados, el sensor de ángulo suele ser una bobina de transformador especializada formada en tiras sobre una placa de circuito impreso flexible. Se montan múltiples tiras de bobinas en un gran círculo alrededor de la carcasa esférica de la plataforma giroestabilizada. La electrónica fuera de la plataforma utiliza transformadores de tira similares para leer el campo magnético cambiante. La electrónica fuera de la plataforma utiliza transformadores de tira similares para leer los campos magnéticos cambiantes producidos por los transformadores que rodean la plataforma esférica. Cada vez que el campo magnético cambia de forma o se mueve, corta los cables de las bobinas de las barras del transformador externo.
Los sistemas económicos a veces utilizan códigos de barras para detectar la dirección y células solares o un solo transformador para alimentar la plataforma. Algunos misiles pequeños utilizan la luz de las ventanas o la fibra óptica de sus motores para alimentar sus plataformas. Un tema de investigación es utilizar la presión de los gases de escape para suspender la plataforma. A veces el LED se comunica con un fotodiodo externo.
[editar] Sistema de rappel
Las computadoras digitales livianas permitieron que el sistema eliminara las juntas universales, creando así un sistema de "rappel". La razón por la que se le llama sistema de "rappel" es. Esto se debe a que sus sensores sólo necesitan estar sujetos al avión. Esto reduce el costo, elimina el bloqueo del cardán, elimina la necesidad de ciertas calibraciones y aumenta la confiabilidad al eliminar ciertas partes móviles.
Los sensores llamados "giroscopios de velocidad" miden los cambios en la velocidad angular del vehículo.
El rango de medición dinámica de un sistema con correa es varios cientos de veces mayor que el de un sistema de cardán. Es decir, debe integrar los cambios de actitud del vehículo en cabeceo, balanceo y guiñada, así como el movimiento total. La velocidad de actualización de un sistema de cardán suele ser de 50 a 60 veces por segundo. Sin embargo, los sistemas empaquetados suelen actualizarse unas 2000 veces por segundo. Se requiere una tasa de actualización más alta para mantener la medición del ángulo máximo dentro del rango práctico de un giroscopio de velocidad real: aproximadamente 4 miliradianes. Actualmente, la mayoría de los giroscopios de velocidad son interferómetros láser.
El algoritmo de actualización de datos involucrado ("coseno direccional" o "cuaternión") es demasiado complejo para ejecutarse con precisión a menos que se utilice un interferómetro láser. Sin embargo, las computadoras digitales son ahora extremadamente baratas y rápidas, por lo que los sistemas giroscópicos son ahora prácticos y se producen en masa.
Sin embargo, las computadoras digitales son ahora extremadamente baratas y rápidas, y los sistemas de giroscopio de velocidad ahora son prácticos y se producen en masa. El módulo lunar Apollo utilizó un sistema de correas en su sistema de guía de aborto alternativo (AGS).
Hoy en día, los sistemas de flejado se utilizan habitualmente en campos comerciales y tácticos (aviones de arco, misiles, etc.). Sin embargo, todavía no se utilizan ampliamente en aplicaciones que requieren una precisión extremadamente alta, como la navegación submarina o la guía de misiles balísticos intercontinentales estratégicos.
[editar] Alineación basada en movimiento
La orientación de un sistema de giroscopio a veces también se puede inferir simplemente de su historial de posiciones (como el GPS). ) Esto es especialmente cierto en el caso de aviones y automóviles, donde el vector de velocidad suele significar la dirección de la carrocería del vehículo.
Por ejemplo, Align in Motion de Honeywell[editar] Alineación basada en movimiento
La orientación de un sistema de giroscopio a veces también puede determinarse simplemente por su historial de ubicación (como el GPS). Por ejemplo, Alignment in Motion [1] de Honeywell es un proceso de inicialización que ocurre mientras la aeronave se mueve en el aire o en tierra. Esto se logra mediante GPS y pruebas de plausibilidad inercial, cumpliendo así con los requisitos de integridad de datos comerciales. El proceso ha sido certificado por la FAA para restaurar la integridad pura de los datos. No es necesario instalar una batería giroscópica en el avión.
[editar] Giroscopios vibratorios
Los sistemas de navegación de bajo coste para automóviles pueden utilizar giroscopios de estructura vibratoria para detectar cambios en el rumbo y captaciones del odómetro para medir la distancia recorrida por el vehículo. Dichos sistemas son mucho menos precisos que el INS de alta gama, pero son suficientes para aplicaciones automotrices típicas donde el GPS es el sistema de navegación principal y la extrapolación inercial es solo el primer paso del proceso. La precisión de este tipo de sistema es mucho menor que la del INS de alta gama, pero es suficiente para aplicaciones automotrices típicas donde el GPS es el sistema de navegación principal. La extrapolación inercial solo es necesaria para llenar los vacíos cuando los edificios o el terreno bloquean el satélite. Faltas de cobertura GPS.
[editar] Giroscopio resonante hemisférico ("jarra de nieve con brandy")
Si se induce una onda estacionaria en una cavidad resonante esférica (es decir, una jarra de nieve con brandy), entonces la nieve Si la tetera está inclinada, las ondas estacionarias tenderán a continuar oscilando en el mismo plano de movimiento; no seguirán la inclinación completa de la tetera. Esta técnica se utiliza para medir ángulos. Esta técnica se utiliza para medir ángulos. En lugar de una jarra de brandy, el sistema utiliza esferas huecas mecanizadas a partir de materiales piezoeléctricos como el cuarzo. Los electrodos utilizados para iniciar y detectar las ondas eléctricas se evaporan directamente sobre el cuarzo.
Este sistema tiene pocas piezas móviles y es extremadamente preciso.
Aunque el sistema se ha construido con éxito, los principios cinemáticos de HRG aún no se han desarrollado, por lo que el sistema sigue siendo relativamente caro.
Si bien algunos sistemas se construyeron con éxito y la cinemática de HRG parecía capaz de lograr una mayor precisión, nunca tuvieron éxito.
El sistema clásico es el giroscopio resonador hemisférico Delco 130Y, desarrollado alrededor de 1986. Consulte [1] para ver una imagen de un resonador HRG.
[editar] Sensor de frecuencia de cuarzo
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Este sistema se basa generalmente en el giroscopio resonador hemisférico Delco 130Y desarrollado alrededor de 1986.
El sistema suele estar integrado en un chip de silicio. Tiene dos diapasones de cuarzo con equilibrio de masa dispuestos en forma de "mango a mango", anulando así las fuerzas. Tiene dos diapasones de cuarzo con masa equilibrada dispuestos en forma de "mango a mango" para que las fuerzas se cancelen. Los electrodos de aluminio se evaporaron sobre el diapasón y el chip subyacente impulsan y detectan el movimiento.
A medida que el diapasón gira alrededor del eje del mango, las vibraciones de las púas tienden a continuar moviéndose en el mismo plano.
A medida que el diapasón gira alrededor del eje del mango, las vibraciones de las púas tienden a continuar moviéndose en el mismo plano. Este movimiento debe ser resistido por fuerzas electrostáticas del electrodo subdiente.
La tecnología no militar actual (a partir de 2005) permite la creación de pequeños sensores de estado sólido capaces de medir el movimiento humano. Los dispositivos no tienen partes móviles y pesan unos 50 gramos.
Se pueden utilizar dispositivos de estado sólido que utilizan los mismos principios físicos para estabilizar imágenes tomadas con cámaras pequeñas o cámaras de vídeo. Estos dispositivos son muy pequeños (≈5 mm) y están fabricados con tecnología MEMS (sistemas microelectromecánicos).
[editar] Sensor MHD
Los sensores basados en el principio de magnetohidrodinámica se pueden utilizar para medir la velocidad angular; consulte "Sensor MHD" para obtener más detalles.
[editar] Giroscopios láser
Se suponía que los giroscopios láser eliminarían los cojinetes de los giroscopios, eliminando así el último bastión del mecanizado de precisión y las piezas móviles.
El giroscopio láser divide un rayo láser en dos rayos con direcciones opuestas y pasa a través de un túnel estrecho y cerrado. El giroscopio láser divide un rayo láser en dos rayos en direcciones opuestas y viaja a través de un túnel estrecho y cerrado, formando una trayectoria anular óptica cerrada alrededor del perímetro de un bloque triangular de ladrillos de vidrio de Sevilla con temperatura estabilizada, con espejos colocados en cada esquina. Cuando un giroscopio gira a una determinada velocidad angular, la distancia recorrida por cada haz de luz se vuelve diferente: el camino más corto va en la dirección opuesta de rotación.
De hecho, a velocidades de rotación bajas, la frecuencia de salida cae a cero después de que la "retrodispersión" hace que el haz se sincronice y se bloquee. Esto se llama "bloqueo o bloqueo láser". El resultado no es ningún cambio en el patrón de interferencia y, por tanto, ningún cambio en los resultados de la medición.
Para desbloquear el haz contrarrotativo, el giroscopio láser proporciona trayectorias de luz independientes para ambas direcciones (generalmente en giroscopios de fibra óptica) o el giroscopio láser se monta en un motor de oscilación piezoeléctrico y pasa a través del mecanismo de bloqueo. área Haga vibrar rápidamente el anillo láser hacia adelante y hacia atrás alrededor de su eje de entrada para desacoplar las ondas de luz.
Los vibradores son los más precisos porque ambos haces de luz siguen exactamente el mismo camino. Por tanto, los giroscopios láser conservan piezas móviles, pero los giroscopios de fibra óptica no las utilizan. El vibrador es el más preciso porque las trayectorias de los dos haces de luz son exactamente iguales.
[editar] Acelerómetro colgante
El principio del acelerómetro de bucle abierto. Un acelerómetro básico de circuito abierto consta de una masa conectada a un resorte. Un acelerómetro básico de circuito abierto consta de una masa unida a un resorte. La masa está restringida por el resorte y sólo puede moverse en línea recta. La aceleración viene dada por la distancia de deflexión, la masa y el valor de la constante del resorte. Los acelerómetros de circuito cerrado logran un mayor rendimiento mediante el uso de un circuito de retroalimentación para eliminar la desviación, de modo que la masa permanezca casi estacionaria. Siempre que la masa se desvía, un circuito de retroalimentación hace que una bobina ejerza la misma fuerza negativa sobre la masa, cancelando así el movimiento. Dado que la masa apenas se mueve, el comportamiento no lineal del sistema de resorte y amortiguador se reduce considerablemente.
Ambos tipos de acelerómetros se fabrican como micromáquinas integradas en chips de silicio.