Τι είναι η αδρανειακή πλοήγηση;
Βασικές αρχές της αδρανειακής πλοήγησης
Οι θεμελιώδεις αρχές της αδρανειακής πλοήγησης είναι παρόμοιες με εκείνες άλλων μεθόδων πλοήγησης. Βασίζεται στην απόκτηση βασικών πληροφοριών, συμπεριλαμβανομένης της αρχικής θέσης, του αρχικού προσανατολισμού, της κατεύθυνσης και του προσανατολισμού της κίνησης κάθε στιγμή, και στην προοδευτική ενσωμάτωση αυτών των δεδομένων (ανάλογα με τις πράξεις μαθηματικής ολοκλήρωσης) για τον ακριβή προσδιορισμό των παραμέτρων πλοήγησης, όπως ο προσανατολισμός και η θέση.
Ο ρόλος των αισθητήρων στην αδρανειακή πλοήγηση
Για να λάβουν τις τρέχουσες πληροφορίες προσανατολισμού (στάσης) και θέσης ενός κινούμενου αντικειμένου, τα συστήματα αδρανειακής πλοήγησης χρησιμοποιούν ένα σύνολο κρίσιμων αισθητήρων, που αποτελούνται κυρίως από επιταχυνσιόμετρα και γυροσκόπια. Αυτοί οι αισθητήρες μετρούν τη γωνιακή ταχύτητα και την επιτάχυνση του φορέα σε ένα αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς. Τα δεδομένα στη συνέχεια ενσωματώνονται και υποβάλλονται σε επεξεργασία με την πάροδο του χρόνου για να εξαχθούν πληροφορίες σχετικά με την ταχύτητα και τη σχετική θέση. Στη συνέχεια, αυτές οι πληροφορίες μετατρέπονται στο σύστημα συντεταγμένων πλοήγησης, σε συνδυασμό με τα δεδομένα αρχικής θέσης, με αποκορύφωμα τον προσδιορισμό της τρέχουσας θέσης του μεταφορέα.
Αρχές Λειτουργίας Συστημάτων Αδρανειακής Πλοήγησης
Τα συστήματα αδρανειακής πλοήγησης λειτουργούν ως αυτόνομα, εσωτερικά συστήματα πλοήγησης κλειστού βρόχου. Δεν βασίζονται σε ενημερώσεις εξωτερικών δεδομένων σε πραγματικό χρόνο για τη διόρθωση σφαλμάτων κατά την κίνηση του φορέα. Ως εκ τούτου, ένα ενιαίο σύστημα αδρανειακής πλοήγησης είναι κατάλληλο για εργασίες πλοήγησης μικρής διάρκειας. Για λειτουργίες μεγάλης διάρκειας, πρέπει να συνδυάζεται με άλλες μεθόδους πλοήγησης, όπως συστήματα πλοήγησης που βασίζονται σε δορυφόρους, για να διορθώνονται περιοδικά τα συσσωρευμένα εσωτερικά σφάλματα.
Η Απόκρυψη της Αδρανειακής Πλοήγησης
Στις σύγχρονες τεχνολογίες πλοήγησης, συμπεριλαμβανομένης της ουράνιας πλοήγησης, της δορυφορικής πλοήγησης και της ραδιοπλοήγησης, η αδρανειακή πλοήγηση ξεχωρίζει ως αυτόνομη. Δεν εκπέμπει σήματα προς το εξωτερικό περιβάλλον ούτε εξαρτάται από ουράνια αντικείμενα ή εξωτερικά σήματα. Κατά συνέπεια, τα συστήματα αδρανειακής πλοήγησης προσφέρουν το υψηλότερο επίπεδο απόκρυψης, καθιστώντας τα ιδανικά για εφαρμογές που απαιτούν τη μέγιστη εμπιστευτικότητα.
Επίσημος ορισμός της αδρανειακής πλοήγησης
Το Inertial Navigation System (INS) είναι ένα σύστημα εκτίμησης παραμέτρων πλοήγησης που χρησιμοποιεί γυροσκόπια και επιταχυνσιόμετρα ως αισθητήρες. Το σύστημα, με βάση την έξοδο των γυροσκόπιων, δημιουργεί ένα σύστημα συντεταγμένων πλοήγησης ενώ χρησιμοποιεί την έξοδο των επιταχυνσιομέτρων για τον υπολογισμό της ταχύτητας και της θέσης του φορέα στο σύστημα συντεταγμένων πλοήγησης.
Εφαρμογές Αδρανειακής Πλοήγησης
Η αδρανειακή τεχνολογία έχει βρει ευρείες εφαρμογές σε διάφορους τομείς, όπως η αεροδιαστημική, η αεροπορία, η ναυτιλία, η εξερεύνηση πετρελαίου, η γεωδαισία, οι ωκεανογραφικές έρευνες, οι γεωλογικές γεωτρήσεις, η ρομποτική και τα σιδηροδρομικά συστήματα. Με την έλευση των προηγμένων αισθητήρων αδράνειας, η αδρανειακή τεχνολογία έχει επεκτείνει τη χρησιμότητά της στην αυτοκινητοβιομηχανία και τις ιατρικές ηλεκτρονικές συσκευές, μεταξύ άλλων τομέων. Αυτό το διευρυνόμενο πεδίο εφαρμογών υπογραμμίζει τον ολοένα και πιο κεντρικό ρόλο της αδρανειακής πλοήγησης στην παροχή δυνατοτήτων πλοήγησης και εντοπισμού θέσης υψηλής ακρίβειας για πολλές εφαρμογές.
Το βασικό στοιχείο της αδρανειακής καθοδήγησης:Γυροσκόπιο οπτικών ινών
Εισαγωγή στα γυροσκόπια οπτικών ινών
Τα συστήματα αδρανειακής πλοήγησης βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στην ακρίβεια και την ακρίβεια των βασικών τους στοιχείων. Ένα τέτοιο εξάρτημα που έχει βελτιώσει σημαντικά τις δυνατότητες αυτών των συστημάτων είναι το γυροσκόπιο οπτικών ινών (FOG). Το FOG είναι ένας κρίσιμος αισθητήρας που παίζει καθοριστικό ρόλο στη μέτρηση της γωνιακής ταχύτητας του φορέα με αξιοσημείωτη ακρίβεια.
Λειτουργία γυροσκόπιου οπτικών ινών
Οι ομίχλες λειτουργούν με βάση την αρχή του φαινομένου Sagnac, η οποία περιλαμβάνει τη διάσπαση μιας δέσμης λέιζερ σε δύο ξεχωριστές διαδρομές, επιτρέποντάς της να ταξιδεύει σε αντίθετες κατευθύνσεις κατά μήκος ενός τυλιγμένου βρόχου οπτικών ινών. Όταν ο φορέας, ενσωματωμένος στο FOG, περιστρέφεται, η διαφορά στο χρόνο διαδρομής μεταξύ των δύο δοκών είναι ανάλογη της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής του φορέα. Αυτή η χρονική καθυστέρηση, γνωστή ως μετατόπιση φάσης Sagnac, στη συνέχεια μετράται με ακρίβεια, επιτρέποντας στο FOG να παρέχει ακριβή δεδομένα σχετικά με την περιστροφή του φορέα.
Η αρχή ενός γυροσκόπιου οπτικών ινών περιλαμβάνει την εκπομπή μιας δέσμης φωτός από έναν φωτοανιχνευτή. Αυτή η φωτεινή δέσμη διέρχεται από έναν ζεύκτη, εισέρχεται από το ένα άκρο και βγαίνει από ένα άλλο. Στη συνέχεια ταξιδεύει μέσω ενός οπτικού βρόχου. Δύο δέσμες φωτός, που προέρχονται από διαφορετικές κατευθύνσεις, εισέρχονται στον βρόχο και ολοκληρώνουν μια συνεκτική υπέρθεση αφού κάνουν κύκλους. Το φως που επιστρέφει εισέρχεται ξανά σε μια δίοδο εκπομπής φωτός (LED), η οποία χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της έντασής του. Ενώ η αρχή ενός γυροσκόπιου οπτικών ινών μπορεί να φαίνεται απλή, η πιο σημαντική πρόκληση έγκειται στην εξάλειψη των παραγόντων που επηρεάζουν το μήκος της οπτικής διαδρομής των δύο δεσμών φωτός. Αυτό είναι ένα από τα πιο κρίσιμα ζητήματα που αντιμετωπίζει η ανάπτυξη γυροσκόπιων οπτικών ινών.
1: δίοδος υπερφωταύγειας 2: δίοδος φωτοανιχνευτή
3.ζεύκτης πηγής φωτός 4.συνδετήρας δακτυλίου ινών 5. δακτύλιος οπτικών ινών
Πλεονεκτήματα των γυροσκοπίων οπτικών ινών
Οι ομίχλες προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα που τις καθιστούν ανεκτίμητες στα αδρανειακά συστήματα πλοήγησης. Είναι γνωστά για την εξαιρετική τους ακρίβεια, αξιοπιστία και ανθεκτικότητα. Σε αντίθεση με τα μηχανικά γυροσκόπια, τα FOG δεν έχουν κινούμενα μέρη, μειώνοντας τον κίνδυνο φθοράς. Επιπλέον, είναι ανθεκτικά σε κραδασμούς και κραδασμούς, καθιστώντας τα ιδανικά για απαιτητικά περιβάλλοντα όπως η αεροδιαστημική και οι αμυντικές εφαρμογές.
Ενσωμάτωση Γυροσκοπίων Οπτικών Ινών στην Αδρανειακή Πλοήγηση
Τα συστήματα αδρανειακής πλοήγησης ενσωματώνουν ολοένα και περισσότερο FOG λόγω της υψηλής ακρίβειας και αξιοπιστίας τους. Αυτά τα γυροσκόπια παρέχουν τις κρίσιμες μετρήσεις γωνιακής ταχύτητας που απαιτούνται για τον ακριβή προσδιορισμό του προσανατολισμού και της θέσης. Με την ενσωμάτωση των FOG στα υπάρχοντα συστήματα αδρανειακής πλοήγησης, οι χειριστές μπορούν να επωφεληθούν από τη βελτιωμένη ακρίβεια πλοήγησης, ειδικά σε καταστάσεις όπου απαιτείται εξαιρετική ακρίβεια.
Εφαρμογές Γυροσκοπίων Οπτικών Ινών στην Αδρανειακή Πλοήγηση
Η συμπερίληψη των FOG έχει επεκτείνει τις εφαρμογές των συστημάτων αδρανειακής πλοήγησης σε διάφορους τομείς. Στην αεροδιαστημική και την αεροπορία, τα συστήματα εξοπλισμένα με FOG προσφέρουν ακριβείς λύσεις πλοήγησης για αεροσκάφη, drones και διαστημόπλοια. Χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως στη θαλάσσια ναυσιπλοΐα, τις γεωλογικές έρευνες και την προηγμένη ρομποτική, επιτρέποντας σε αυτά τα συστήματα να λειτουργούν με βελτιωμένη απόδοση και αξιοπιστία.
Διαφορετικές δομικές παραλλαγές γυροσκόπιων οπτικών ινών
Τα γυροσκόπια οπτικών ινών διατίθενται σε διάφορες δομικές διαμορφώσεις, με το κυρίαρχο που εισέρχεται επί του παρόντος στη σφαίρα της μηχανικής είναι τογυροσκόπιο οπτικών ινών κλειστού βρόχου πόλωσης-διατήρησης. Στον πυρήνα αυτού του γυροσκόπιου είναι τοβρόχος ίνας διατήρησης πόλωσης, που περιλαμβάνει ίνες διατήρησης της πόλωσης και ένα επακριβώς σχεδιασμένο πλαίσιο. Η κατασκευή αυτού του βρόχου περιλαμβάνει μια τετραπλή συμμετρική μέθοδο περιέλιξης, που συμπληρώνεται από ένα μοναδικό πήκτωμα στεγανοποίησης για να σχηματίσει ένα πηνίο βρόχου ινών στερεάς κατάστασης.
Βασικά χαρακτηριστικά τουΠόλωση-Διατήρηση οπτικών ινών Gyro Coil
▶Μοναδικός σχεδιασμός πλαισίου:Οι βρόχοι γυροσκόπιου διαθέτουν ένα ξεχωριστό σχέδιο πλαισίου που φιλοξενεί διάφορους τύπους ινών που διατηρούν την πόλωση με ευκολία.
▶Τεχνική τετραπλής συμμετρικής περιέλιξης:Η τεχνική τετραπλής συμμετρικής περιέλιξης ελαχιστοποιεί το φαινόμενο Shupe, εξασφαλίζοντας ακριβείς και αξιόπιστες μετρήσεις.
▶ Προηγμένο υλικό γέλης σφράγισης:Η χρήση προηγμένων υλικών γέλης στεγανοποίησης, σε συνδυασμό με μια μοναδική τεχνική σκλήρυνσης, ενισχύει την αντοχή στους κραδασμούς, καθιστώντας αυτούς τους βρόχους γυροσκοπίου ιδανικούς για εφαρμογές σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
▶Σταθερότητα συνοχής σε υψηλή θερμοκρασία:Οι βρόχοι του γυροσκοπίου παρουσιάζουν σταθερότητα συνοχής σε υψηλές θερμοκρασίες, εξασφαλίζοντας ακρίβεια ακόμη και σε διαφορετικές θερμικές συνθήκες.
▶Απλοποιημένο ελαφρύ πλαίσιο:Οι βρόχοι γυροσκοπίου είναι κατασκευασμένοι με ένα απλό αλλά ελαφρύ πλαίσιο, που εγγυάται υψηλή ακρίβεια επεξεργασίας.
▶Συνεπής διαδικασία περιέλιξης:Η διαδικασία περιέλιξης παραμένει σταθερή, προσαρμοζόμενη στις απαιτήσεις διαφόρων γυροσκόπιων οπτικών ινών ακριβείας.
Αναφορά
Groves, PD (2008). Εισαγωγή στην Αδρανειακή Πλοήγηση.The Journal of Navigation, 61(1), 13-28.
El-Sheimy, N., Hou, H., & Niu, X. (2019). Τεχνολογίες αδρανειακών αισθητήρων για εφαρμογές πλοήγησης: τελευταία λέξη της τεχνολογίας.Δορυφορική Πλοήγηση, 1(1), 1-15.
Woodman, ΕΕ (2007). Εισαγωγή στην αδρανειακή πλοήγηση.University of Cambridge, Computer Laboratory, UCAM-CL-TR-696.
Chatila, R., & Laumond, JP (1985). Αναφορά θέσης και συνεπής μοντελοποίηση κόσμου για κινητά ρομπότ.Στα Πρακτικά του 1985 IEEE International Conference on Robotics and Automation(Τόμος 2, σελ. 138-145). IEEE.
Χρειάζεστε δωρεάν διαβούλευση;
ΜΕΡΙΚΑ ΑΠΟ ΤΑ ΕΡΓΑ ΜΟΥ
ΚΑΤΑΠΛΗΚΤΙΚΑ ΕΡΓΑ ΠΟΥ ΕΧΩ ΣΥΜΒΑΛΕΙ. ΜΕ ΚΑΜΑΡΙ!
