Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αδράνειας

(3) Σύνθεση Συστήματος ενός Συστήματος Αδρανειακής Πλοήγησης

Το Σύστημα Αδρανειακής Πλοήγησης (INS) είναι μια πλήρως αυτόνομη λύση πλοήγησης που χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική, τα UAV, τα θαλάσσια σκάφη, την ρομποτική και τις βιομηχανικές εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας. Σε αντίθεση με τα συστήματα που βασίζονται σε δορυφόρους, ένα INS δεν βασίζεται σε εξωτερικά σήματα. Αντ 'αυτού, υπολογίζει τη θέση, την ταχύτητα και τη στάση καθαρά μέσω εσωτερικών αισθητήρων και αλγορίθμων.

Αυτό το άρθρο εξηγεί την πλήρη σύνθεση του συστήματος ενός INS και πώς τα υποσυστήματά του συνεργάζονται για να παρέχουν ακριβή και αξιόπιστη πλοήγηση.

1. Επισκόπηση του Συστήματος Αδρανειακής Πλοήγησης

Ένα INS καθορίζει την κίνηση μιας πλατφόρμας με τη συνεχή μέτρηση της επιτάχυνσης και της γωνιακής ταχύτητας. Αυτές οι μετρήσεις υποβάλλονται σε επεξεργασία μέσω αλγορίθμων πλοήγησης για τον υπολογισμό:

• Θέση

• Ταχύτητα

• Στάση (Roll, Pitch, Yaw)

Για να επιτευχθεί αυτό, ένα INS ενσωματώνει έναν συνδυασμό υλικού ακριβείας, μηχανικών δομών, ηλεκτρονικών και μεθόδων βαθμονόμησης.

2. Σύνθεση Συστήματος

Τα βασικά στοιχεία ενός Συστήματος Αδρανειακής Πλοήγησης περιλαμβάνουν:

(1) Μονάδα Αδρανειακών Μετρήσεων (IMU)

Η IMU είναι ο πυρήνας ανίχνευσης του INS. Ενσωματώνει:

• Γυροσκόπιο
  Μετρά τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής γύρω από τρεις άξονες.

• Επιταχυνσιόμετρο
  Μετρά τη γραμμική επιτάχυνση κατά μήκος τριών αξόνων.

Μαζί, αυτοί οι έξι βαθμοί ελευθερίας παρέχουν τα ακατέργαστα δεδομένα κίνησης που απαιτούνται για τους υπολογισμούς πλοήγησης.

(2) Υπολογιστής Πλοήγησης

Ο υπολογιστής πλοήγησης είναι υπεύθυνος για τη μετατροπή των ακατέργαστων σημάτων της IMU σε χρήσιμες πληροφορίες πλοήγησης.

Εκτελεί:

• Απόκτηση και Επεξεργασία Δεδομένων
  Φιλτράρισμα, δειγματοληψία και μετατροπή των εξόδων των αισθητήρων.

• Λύση Πλοήγησης
  Εφαρμόζει αλγορίθμους όπως υπολογισμό strapdown, ολοκλήρωση στάσης, ενημέρωση ταχύτητας και υπολογισμό θέσης.

• Αντιστάθμιση Σφαλμάτων
  Εφαρμόζει δεδομένα βαθμονόμησης, αφαίρεση προκατάληψης, διόρθωση συντελεστή κλίμακας και αντιστάθμιση θερμοκρασίας.

(3) Σύστημα Απόσβεσης

Για να διασφαλιστεί η συνεπής ακρίβεια, το σύστημα απόσβεσης σταθεροποιεί την κίνηση της πλατφόρμας και μειώνει την επίδραση των κραδασμών, των κλονισμών και των μηχανικών διαταραχών.

Οι λειτουργίες του περιλαμβάνουν:

• Ελαχιστοποίηση του θορύβου του αισθητήρα που προκαλείται από κραδασμούς

• Παροχή απόσβεσης για μηχανικές ταλαντώσεις

• Βοήθεια στην ακριβή ευθυγράμμιση

Ο σχεδιασμός απόσβεσης είναι ιδιαίτερα κρίσιμος σε εφαρμογές αέρος και κινητών.

(4) Ηλεκτρονικό Σύστημα

Το ηλεκτρονικό σύστημα παρέχει διαχείριση ενέργειας, προσαρμογή σήματος και διεπαφές επικοινωνίας.

Βασικά στοιχεία:

• Ρύθμιση και διανομή ισχύος

• Ψηφιακά κυκλώματα επεξεργασίας σήματος

• Πρωτόκολλα επικοινωνίας (CAN, RS422, Ethernet, κ.λπ.)

• Παρακολούθηση και προστασία συστήματος

(5) Μηχανική Δομή

Η μηχανική δομή παρέχει το φυσικό θεμέλιο του INS.
Μια καλά σχεδιασμένη μηχανική δομή βελτιώνει:

• Αντοχή στους κραδασμούς

• Θερμική σταθερότητα

• Μακροχρόνια δομική ακεραιότητα

• Περιβαλλοντική ανθεκτικότητα

Αυτό το τμήμα διασφαλίζει ότι το σύστημα λειτουργεί με συνέπεια υπό απαιτητικές συνθήκες.

3. Μηχανισμοί Αρχικοποίησης και Βαθμονόμησης Παραμέτρων

Για να επιτευχθεί η βέλτιστη ακρίβεια, ένα INS απαιτεί πολλαπλά επίπεδα βαθμονόμησης και αρχικοποίησης.

(1) Αρχικές Παράμετροι

Αυτές περιλαμβάνουν προκαταλήψεις αισθητήρων, γωνίες εγκατάστασης, συντελεστές κλίμακας και περιβαλλοντικούς συντελεστές.

(2) Αρχική Θέση

Το σύστημα χρειάζεται μια ακριβή συντεταγμένη εκκίνησης για να ξεκινήσει τους υπολογισμούς πλοήγησης.

(3) Βαθμονόμηση Θερμοκρασίας

Οι αισθητήρες IMU είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι στη θερμοκρασία.
Η βαθμονόμηση θερμοκρασίας αντισταθμίζει:

• Μετατόπιση προκατάληψης

• Αλλαγές συντελεστή κλίμακας

• Μη γραμμικά αποτελέσματα θερμοκρασίας

Αυτό είναι απαραίτητο για απόδοση υψηλής ακρίβειας.

(4) Αρχική Ευθυγράμμιση και Βαθμονόμηση

Η αρχική ευθυγράμμιση καθορίζει την αναφορά στάσης (Roll / Pitch / Heading).
Δύο κοινοί τύποι ευθυγράμμισης:

• Στατική ευθυγράμμιση– εκτελείται όταν το σύστημα είναι σταθερό

• Δυναμική ευθυγράμμιση– εκτελείται κατά την κίνηση, με τη βοήθεια αλγορίθμων

Η σωστή ευθυγράμμιση εξασφαλίζει ακριβή έξοδο κατεύθυνσης και στάσης καθ' όλη τη διάρκεια της λειτουργίας.

4. Έξοδος του INS

Μετά την επεξεργασία όλων των δεδομένων των αισθητήρων και την εφαρμογή διορθώσεων, το INS εξάγει:

• Στάση (Roll, Pitch, Yaw)

• Ταχύτητα (βορράς/ανατολή/κάτω ή XYZ)

• Θέση (συντεταγμένες GPS ή τοπικό σύστημα συντεταγμένων)

• Παράμετροι Σφάλματος (διαγνωστικά, κατάσταση, δείκτες ποιότητας)

Η ακρίβεια αυτών των εξόδων εξαρτάται από την ποιότητα του αισθητήρα, την πληρότητα της βαθμονόμησης και την απόδοση του αλγορίθμου.

5. Συμπέρασμα

Το Σύστημα Αδρανειακής Πλοήγησης είναι μια πολύπλοκη αλλά ισχυρή τεχνολογία που βασίζεται σε ακριβείς αισθητήρες, εξελιγμένους αλγορίθμους και προηγμένες διαδικασίες βαθμονόμησης. Η ικανότητά του να παρέχει αδιάλειπτη πλοήγηση σε περιβάλλοντα που στερούνται GNSS το καθιστά αναντικατάστατο στις σύγχρονες αεροδιαστημικές, αμυντικές, ρομποτικές και βιομηχανικές εφαρμογές.

Η κατανόηση της πλήρους σύνθεσης του συστήματος INS—IMU, υπολογιστής πλοήγησης, απόσβεση, ηλεκτρονικό υποσύστημα, μηχανική δομή και ροή εργασίας βαθμονόμησης—βοηθά τους χρήστες να εκτιμήσουν το βάθος και τη τεχνική του σημασία.