Un sistema de navegación de inercia del es una ayuda de la navegación que utiliza una computadora y los sensores de movimiento para seguir continuamente la posición, la orientación, y la velocidad (dirección y velocidad del movimiento) de un vehículo sin la necesidad de referencias externas. Otros términos usados para referir a sistemas de navegación de inercia o a los dispositivos estrechamente vinculados incluyen el sistema de dirección de inercia del, la plataforma de inercia de la referencia del, y muchas otras variaciones.
Descripción
Un sistema de navegación de inercia incluye por lo menos una computadora y una plataforma o un módulo que contiene los giroscopios de los acelerómetros u otros dispositivos de movimiento-detección. El INS se proporciona inicialmente su posición y velocidad de otra fuente (operador humano, un receptor basado en los satélites del GPS, etc.), y computa después de eso su propia posición y velocidad actualizadas integrando la información recibida de los sensores de movimiento. La ventaja de un INS es que no requiere ninguna referencia externa para determinar su posición, orientación, o velocidad una vez que se ha inicializado.
Un INS puede detectar un cambio en su posición geográfica (un este o un norte del movimiento, por ejemplo), un cambio en su velocidad (velocidad y dirección del movimiento), y un cambio en su orientación (rotación sobre un eje). Hace esto midiendo las aceleraciones lineares y angulares aplicadas al sistema. Puesto que no requiere ninguna referencia externa (después de la inicialización), es inmune al atasc y el engaño.
los sistemas de la De inercia-navegación se utilizan en muchos diversos tipos de vehículos, incluyendo los aviones, la nave espacial de los submarinos, y los misiles teledirigidos su coste y complejidad ponen apremios en los ambientes en los cuales son prácticos para el uso, sin embargo.
Los giroscopios miden la velocidad angular del sistema en el marco de referencia de inercia . Usando la orientación original del sistema en el marco de referencia de inercia como la condición de la inicial y que integra la velocidad angular, la orientación actual del sistema es sabida siempre. Esto se puede pensar en como la capacidad de un pasajero con los ojos vendados en un coche de sentir el coche dar vuelta a left and right o a la inclinación hacia arriba y hacia abajo mientras que el coche asciende o desciende las colinas. De acuerdo con esta información solamente, él sabe qué dirección es revestimiento el coche pero no cómo rápidamente o lento se está moviendo, o si está resbalando de lado.
Los acelerómetros miden la aceleración linear del sistema en el marco de referencia de inercia, pero en las direcciones que se pueden medir solamente concerniente al sistema móvil (puesto que los acelerómetros se fijan al sistema y girar con el sistema, pero no son consciente de su propia orientación). Esto se puede pensar en como la capacidad de un pasajero con los ojos vendados en un coche de sentirse que presionó nuevamente dentro de su asiento como el vehículo acelera adelante o tirado adelante mientras que retrasa; y la sensación misma apretada en su asiento como el vehículo acelera encima de una colina o se alza de su asiento mientras que el coche pasa sobre la cresta de una colina y comienza a descender. De acuerdo con esta información solamente, él sabe el vehículo es mudanza en relación consigo mismo, es decir, si va adelante, posterior, izquierdo, derecho, encima de (hacia el techo del coche), o abajo (hacia el piso del coche) medido concerniente al coche, pero no a la dirección concerniente a la tierra, puesto que él no sabía qué dirección era revestimiento el coche concerniente a la tierra cuando él sentía las aceleraciones.
Sin embargo, siguiendo la velocidad angular actual del sistema y la aceleración linear actual del sistema medido concerniente al sistema móvil, es posible determinar la aceleración linear del sistema en el marco de referencia de inercia. Realizando la integración en las aceleraciones de inercia (usar la velocidad original como las condiciones iniciales) usar las ecuaciones cinemáticas correcto rinde las velocidades de inercia del sistema, y la integración (usar la posición original como la condición inicial) rinde otra vez la posición de inercia. En nuestro ejemplo, si el pasajero con los ojos vendados sabía el coche era acentuado y cuál era su velocidad antes de que él fuera con los ojos vendados, y él puede no perder de vista cómo el coche ha dado vuelta y cómo ha acelerado y ha decelerado puesto que, él puede saber exactamente la orientación, la posición, y la velocidad actuales del coche en cualquier momento.
Todos los sistemas de navegación de inercia sufren de la deriva de la integración: Los pequeños errores en la medida de la aceleración y de la velocidad angular son integrados en errores progresivamente más grandes en la velocidad, que se compone en mayores errores inmóviles en la posición. Éste es un problema que es inherente en cada sistema del control de lazo abierto . La inexactitud de un sistema navegacional de buena calidad es normalmente menos de 0.6 millas náuticas por hora en la posición y en la orden de décimos de un grado por hora en la orientación.
La navegación de inercia se puede también utilizar para complementar otros sistemas de navegación, proporcionando un grado de exactitud más alto que posible con el uso de cualquier solo sistema de navegación. Por ejemplo, si, en uso terrestre, la velocidad con inercia seguida es puesta al día intermitentemente a cero parando, la posición seguirá siendo exacta por un tiempo mucho más largo, una actualización supuesta de la velocidad del cero.
La teoría de control en general y la filtración de kalman particularmente proporciona un marco teórico para combinar la información de los varios sensores. Uno de los sensores alternativos mas comunes es una radio basada en los satélites de la navegación, tal como GPS . Correctamente combinando la información de un INS y del sistema del GPS, los errores en la posición y la velocidad son el estable GPS/INS .
Historia
Los sistemas de navegación de inercia fueron desarrollados original para el americano Roberto del pionero del cohete de los cohetes que Goddard experimentó con los sistemas giroscópicos rudimentario . Goddard estaban de gran interés a los pioneros alemanes contemporáneos incluyendo el Wernher von Braun . Los sistemas incorporaron un uso más extenso con el advenimiento de la nave espacial, de los misiles teledirigidos y de los aviones de pasajeros comerciales
Un ejemplo de un INS popular para los aviones comerciales era el carrusel de Delco, que proporcionó la automatización parcial de la navegación en los días antes de que los sistemas de gestión completos del vuelo llegaron a ser corrientes. El carrusel no prohibido los pilotos para incorporar una serie de puntos de referencia, y después dirigido los aviones a partir de un punto de referencia al siguiente usar un INS para determinar la posición de los aviones. Un poco de aviones fueron equipados de los carruseles duales para la seguridad.
Sistemas de navegación de inercia detalladamente
El INSS tiene acelerómetros angulares y lineares (para los cambios en la posición); algunos incluyen un elemento giroscópico (para mantener una referencia angular absoluta).Los acelerómetros angulares miden cómo el vehículo está girando en espacio. Generalmente, hay por lo menos un sensor para cada uno de las tres hachas: echar (nariz hacia arriba y hacia abajo), desviarse (nariz a la izquierda e a la derecha) y rodar (a la derecha o a la izquierda de la carlinga).
Los acelerómetros lineares miden cómo el vehículo se está moviendo en espacio. Puesto que puede moverse en tres hachas (para arriba y abajo, izquierdo y derecho, adelante y detrás), hay un acelerómetro linear para cada eje.
Una computadora calcula continuamente el cargo actual del vehículo. Primero, para cada uno de los seis grados de la libertad (x, y, z y θ x, θ y y θ z), integra la cantidad detectada de aceleración en un cierto plazo para calcular la velocidad actual. Entonces integra la velocidad para calcular el cargo actual.
La dirección de inercia es difícil sin las computadoras. El deseo de utilizar la dirección de inercia en el misil del Minuteman y el proyecto Apolo condujo tentativas tempranas de miniaturizar las computadoras.
Los sistemas de dirección de inercia ahora se combinan generalmente con los sistemas de navegación basados en los satélites a través de un sistema de filtración digital. El sistema de inercia proporciona datos a corto plazo, mientras que el sistema basado en los satélites corrige errores acumulados del sistema de inercia.
Un sistema de dirección de inercia que funcionará cerca de la superficie de la tierra debe incorporar el Schuler la adaptación de de modo que su la plataforma continuará señalando hacia el centro de la tierra como un vehículo se mueve de un sitio a otro.
Esquemas básicos
Girocompás Gimbaled - plataformas estabilizadas
Algunos sistemas colocan los acelerómetros lineares en un girocompás gimbaled - plataforma estabilizada. Los cardanes son un sistema de tres anillos, cada uno con un par de cojinetes inicialmente perpendicularmente. Dejaron la plataforma torcer sobre cualquier eje rotatorio (o, algo, los dejar la plataforma guardar la misma orientación mientras que el vehículo gira alrededor de él). Hay dos giroscopios (generalmente) en la plataforma.
Dos giroscopios se utilizan para cancelar la precedencia giroscópica, la tendencia de un giroscopio a torcer perpendicularmente a una fuerza de la entrada. Montando un par de giroscopios (de la misma inercia rotatoria y del giro a la misma velocidad) las precedencias son canceladas perpendicularmente, y la plataforma resistirá el torcer.
Este sistema permite el rodillo de un vehículo, la echada, y los ángulos de desvío que se medirán directo en los cojinetes de los cardanes. Los circuitos electrónicos relativamente simples se pueden utilizar para agregar para arriba las aceleraciones lineares, porque las direcciones de los acelerómetros lineares no cambian.
La desventaja grande de este esquema es que utiliza muchas piezas mecánicas de la precisión costosa. También tiene piezas móviles que puedan usarse o atasc, y es vulnerable a la cerradura del cardán. El sistema de dirección primario de la nave espacial de Apolo utilizó un girocompás de tres ejes - plataforma estabilizada, alimentando datos a la computadora de la dirección de Apolo. Las maniobras tuvieron que ser planeadas cuidadosamente para evitar la cerradura del cardán.
girocompás Líquido-suspendido - plataformas estabilizadas
La cerradura del cardán obliga maneuvring, y sería beneficioso eliminar los anillos colectores y los cojinetes de los cardanes. Por lo tanto, algunos sistemas utilizan cojinetes flúidos o un compartimiento de la flotación para montar un girocompás - plataforma estabilizada. Estos sistemas pueden tener precisiones muy altas. Como todo el girocompás - las plataformas estabilizadas, este sistema funcionan bien con las computadoras relativamente lentas, de baja potencia.
Los cojinetes flúidos son cojines con los agujeros a través de los cuales presurizó el gas inerte (tal como helio) o la prensa de aceite contra la cáscara esférica de la plataforma. Los cojinetes flúidos son muy deslizadizos, y la plataforma esférica puede dar vuelta libremente. Hay generalmente cuatro cojines que llevan, montados en un arreglo tetraédrico para apoyar la plataforma.
En sistemas superiores, los sensores angulares son generalmente bobinas especializadas del transformador hechas en una tira en una tarjeta de circuitos impresos flexible . Varias tiras de la bobina se montan en grandes círculos alrededor de la cáscara esférica del girocompás - plataforma estabilizada. La electrónica fuera de la plataforma utiliza los transformadores pelar-shaped similares para leer los campos magnéticos diversos producidos por los transformadores envueltos alrededor de la plataforma esférica. Siempre que desforme un campo magnético, o los movimientos, cortará los alambres de las bobinas en las tiras externas del transformador. El corte genera una corriente eléctrica en las bobinas pelar-shaped del external, y la electrónica puede medir esa corriente para derivar ángulos.
Los sistemas baratos utilizan a veces las claves de barras para detectar orientaciones, y utilizan las células solares o un solo transformador para accionar la plataforma. Algunos pequeños misiles han accionado la plataforma con la luz de una ventana o fibras ópticas al motor. Un asunto de investigación es suspender la plataforma con la presión de los gas de escape. Los datos se devuelven al mundo exterior vía los transformadores, o a veces al LED que comunica con los fotodiodos externos
Sistemas de Strapdown
Las calculadoras numéricas ligeras permiten que el sistema elimine los cardanes, creando el " Strapdown " sistemas, supuestos porque sus sensores se atan con correa simplemente al vehículo. Esto reduce el coste, elimina la cerradura del cardán, quita la necesidad de algunas calibraciones, y aumenta la confiabilidad eliminando algunas de las piezas móviles. Los sensores de la tarifa angular llamaron el " gyros" de la tarifa; medir cómo la velocidad angular del vehículo cambia.
Un sistema del strapdown tiene una gama dinámica de la medida varios cientos de veces que requirieron por un sistema gimbaled. Es decir, debe integrar los cambios de la actitud del vehículo en echada, rodillo y desvío, así como los movimientos gruesos. Los sistemas de Gimballed podían hacer generalmente bien con índices de la actualización de 50 a 60 actualizaciones por segundo. Sin embargo, del strapdown de los sistemas actualización normalmente cerca de 2000 veces por segundo. La tarifa más alta es necesaria guardar la medida angular máxima dentro de una gama práctica para los girocompases verdaderos de la tarifa: cerca de 4 miliradianes. La mayoría de los girocompases de la tarifa ahora son interferómetros del laser.
Los datos que ponen al día los algoritmos (" cosines" de la dirección; o " " de los quaternions ;) implicado ser demasiado complejo ser realizado exactamente excepto por electrónica digital. Sin embargo, las calculadoras numéricas son tan baratas ahora y que clasifican los sistemas rápidos del girocompás pueden ahora ser utilizados y ser producidos en masa prácticamente. El módulo lunar de Apolo utilizó un sistema del strapdown en su sistema de dirección de reserva de la interrupción (AGS).
alineación Movimiento-basada
La orientación de un sistema del giroscopio se puede a veces también deducir simplemente de su historia de la posición (e. Éste es, particularmente, el caso con los planos y los coches, donde el vector de la velocidad implica generalmente la orientación del cuerpo del vehículo.
Por ejemplo, de s de Honeywell el 'alinea en el movimiento es un proceso de inicialización donde la inicialización ocurre mientras que el avión se está moviendo, en el aire o en la tierra. Esto es realizado usar el GPS y una prueba de inercia del carácter razonable, de tal modo permitiendo que los requisitos comerciales de la integridad de datos sean cumplidos. Este proceso ha sido FAA certificado para recuperar el funcionamiento puro del INS equivalente a inmóvil alinea los procedimientos por tiempos civiles de vuelo hasta 18 horas. Evita la necesidad de baterías del giroscopio en los aviones.
Girocompases vibrantes
sistemas de navegación Menos-costosos, previstos para el uso en automóviles, puede utilizar un giroscopio el vibrar de la estructura para detectar cambios adentro dirección, y la recolección del odómetro para medir la distancia cubierta adelante la pista de vehículo. Este tipo de sistema es mucho menos exacto que un INS del alto-fin, pero él es adecuado para el automóvil típico uso donde está el sistema el GPS de navegación primario, y cómputo muerto es solamente necesarios llenar boquetes en cobertura del GPS cuando los edificios o el terreno bloquear las señales basadas en los satélites.
Girocompases hemisféricos del resonador (" Trago de brandy Gyros")
Si una onda derecha se induce en un trago de brandy globular, y entonces el trago se inclina, las ondas tienden a continuar en el mismo plano del movimiento. No inclinan completamente con el trago. Este truco se utiliza para medir ángulos. En vez de los tragos de brandy, el sistema utiliza los globos huecos trabajados a máquina de los materiales piezoeléctricos tales como cuarzo . Los electrodos para comenzar y para detectar las ondas se evaporan directo sobre el cuarzo.
Este sistema no tiene casi ninguna pieza móvil, y es muy exacto. Sin embargo sigue siendo relativamente costoso debido al coste de las esferas huecos molidas y pulidas de la precisión del cuarzo.
Aunque los sistemas acertados fueran construidos, y la cinemática de un HRG aparece capaz de mayor exactitud, alcanzaron gran popularidad nunca realmente. Los girocompases del laser eran apenas más populares.
El sistema clásico es el girocompás hemisférico del resonador de Delco 130Y, desarrollado cerca de 1986. Ver también para un cuadro de un resonador de HRG.
Sensores de la tarifa del cuarzo
Este sistema es generalmente integrado en un chip de silicio. Tiene dos diapasones masa-equilibrados del cuarzo, " dispuesto; dirigir-a-handle" tan cancelación de las fuerzas. Los electrodos de aluminio se evaporaron sobre las bifurcaciones y la impulsión subyacente de la viruta y detectan el movimiento. El sistema es manufacturable y barato. Puesto que el cuarzo es dimensional estable, el sistema puede ser exacto.
Mientras que las bifurcaciones se tuercen sobre el eje de la manija, la vibración de los dientes tiende a continuar en el mismo plano del movimiento. Este movimiento tiene que ser resistido por las fuerzas electrostáticas de los electrodos debajo de los dientes. Midiendo la diferencia en capacitancia entre los dos dientes de una bifurcación, el sistema puede determinar el índice de movimiento angular.
La tecnología no militar avanzada actual (2005) puede construir los pequeños sensores de estado sólido que pueden medir los movimientos del cuerpo humano. Estos dispositivos no tienen ninguna pieza móvil, y pesan cerca de 50 gramos.
Los dispositivos de estado sólido usar los mismos principios físicos se utilizan para estabilizar las imágenes tomadas con las pequeñas cámaras o videocámaras. Éstos pueden ser extremadamente pequeños (≈5 milímetro) y se construyen con tecnologías MEMS (sistemas microelectromecánicos).
Sensor de la magnetohidrodinámica
Los sensores basados en los principios magnetohidrodinámicos se pueden utilizar para medir velocidades angulares y se describen en " " del sensor de la magnetohidrodinámica;.
Girocompases del laser
Los giroscopios del laser fueron supuestos para eliminar los cojinetes en los giroscopios, y así el bastión pasado de trabajar a máquina de la precisión y de piezas móviles.
Un girocompás del laser parte una viga de la luz del laser en dos vigas en direcciones opuestas a través de los túneles estrechos en una trayectoria circular óptica cerrada alrededor del perímetro de un bloque triangular de bloque de cristal del cervit estable de la temperatura con los espejos reflectantes colocados en cada esquina. Cuando el girocompás está girando a una cierta tarifa angular, la distancia viajó por cada viga llega a ser diferente - la trayectoria más corta que estaba frente a la rotación. El defasaje entre las dos vigas se puede medir por un interferómetro, y es proporcional al índice de rotación (efecto de Sagnac).
En la práctica, en la rotación baja clasifica la frecuencia de la salida puede caer a cero después del resultado del " Scattering" trasero; haciendo las vigas sincronizar y trabarse junto. Esto se conoce como " lock-in, o laser-lock." El resultado es que no hay cambio en el patrón de interferencia, y por lo tanto ninguÌn cambio de la medida.
Para abrir los haces luminosos contrarrotatorios, los girocompases del laser o tienen trayectorias ligeras independientes para las dos direcciones (generalmente en girocompases ópticos de fibra), o el girocompás del laser se monta en un motor piezoeléctrico del estremecimiento que vibre rápido el anillo del laser hacia adelante y hacia atrás sobre su eje de la entrada con la región del lock-in para desemparejar las ondas ligeras.
Alas, la coctelera es la más exacta, porque ambos haces luminosos utilizan exactamente la misma trayectoria. Así los girocompases del laser conservan piezas móviles, pero no se mueven como lejos.
Girocompases vibrantes
sistemas de navegación Menos-costosos, previstos para el uso en automóviles, puede utilizar un giroscopio el vibrar de la estructura para detectar cambios adentro dirección, y la recolección del odómetro para medir la distancia cubierta adelante la pista de vehículo. Este tipo de sistema es mucho menos exacto que un INS del alto-fin, pero él es adecuado para el automóvil típico uso donde está el sistema el GPS de navegación primario, y cómputo muerto es solamente necesarios llenar boquetes en cobertura del GPS cuando los edificios o el terreno bloquear las señales basadas en los satélites.
Girocompases hemisféricos del resonador (" Trago de brandy Gyros")
Si una onda derecha se induce en un trago de brandy globular, y entonces el trago se inclina, las ondas tienden a continuar en el mismo plano del movimiento. No inclinan completamente con el trago. Este truco se utiliza para medir ángulos. En vez de los tragos de brandy, el sistema utiliza los globos huecos trabajados a máquina de los materiales piezoeléctricos tales como cuarzo . Los electrodos para comenzar y para detectar las ondas se evaporan directo sobre el cuarzo.
Este sistema no tiene casi ninguna pieza móvil, y es muy exacto. Sin embargo sigue siendo relativamente costoso debido al coste de las esferas huecos molidas y pulidas de la precisión del cuarzo.
Aunque los sistemas acertados fueran construidos, y la cinemática de un HRG aparece capaz de mayor exactitud, alcanzaron gran popularidad nunca realmente. Los girocompases del laser eran apenas más populares.
El sistema clásico es el girocompás hemisférico del resonador de Delco 130Y, desarrollado cerca de 1986. Ver también para un cuadro de un resonador de HRG.
Sensores de la tarifa del cuarzo
Este sistema es generalmente integrado en un chip de silicio. Tiene dos diapasones masa-equilibrados del cuarzo, " dispuesto; dirigir-a-handle" tan cancelación de las fuerzas. Los electrodos de aluminio se evaporaron sobre las bifurcaciones y la impulsión subyacente de la viruta y detectan el movimiento. El sistema es manufacturable y barato. Puesto que el cuarzo es dimensional estable, el sistema puede ser exacto.
Mientras que las bifurcaciones se tuercen sobre el eje de la manija, la vibración de los dientes tiende a continuar en el mismo plano del movimiento. Este movimiento tiene que ser resistido por las fuerzas electrostáticas de los electrodos debajo de los dientes. Midiendo la diferencia en capacitancia entre los dos dientes de una bifurcación, el sistema puede determinar el índice de movimiento angular.
La tecnología no militar avanzada actual (2005) puede construir los pequeños sensores de estado sólido que pueden medir los movimientos del cuerpo humano. Estos dispositivos no tienen ninguna pieza móvil, y pesan cerca de 50 gramos.
Los dispositivos de estado sólido usar los mismos principios físicos se utilizan para estabilizar las imágenes tomadas con las pequeñas cámaras o videocámaras. Éstos pueden ser extremadamente pequeños (≈5 milímetro) y se construyen con tecnologías MEMS (sistemas microelectromecánicos).
Sensor de la magnetohidrodinámica
Los sensores basados en los principios magnetohidrodinámicos se pueden utilizar para medir velocidades angulares y se describen en " " del sensor de la magnetohidrodinámica;.
Acelerómetros colgados
El acelerómetro básico, de anillo abierto consiste en una masa atada a un resorte. Se obliga a la masa que se mueva solamente en línea con el resorte. La aceleración causa la desviación de la masa y se mide la distancia compensada. La aceleración se deriva de los valores de la distancia de la desviación, de la masa, y del constante del resorte. El sistema se debe también humedecer para evitar la oscilación. Un acelerómetro a circuito cerrado alcanza un rendimiento más alto usando un lazo de regeneración para cancelar la desviación, así manteniendo la masa casi inmóvil. Siempre que la masa desvíe, el lazo de regeneración hace una bobina eléctrica aplicar una fuerza igualmente negativa en la masa, cancelando el movimiento. La aceleración se deriva de la cantidad de fuerza negativa aplicada. Porque la masa se mueve apenas, las ausencias de linealidad del resorte y del sistema el humedecer se reducen grandemente. Además, este acelerómetro preve anchura de banda creciente más allá de la frecuencia natural del elemento de detección.
Ambos tipos de acelerómetros se han fabricado como micromachinery integrado en chipes de silicio.
Ver también
Unidad de medida de inerciaAviones
Nave espacial
Control de actitud
Filtro de Kalman
Schuler que templa
SIGI
Cómputo muerto
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