Wyjaśnienie technologii nawigacji inercyjnej: Zasady pozycjonowania od 1D do 3D

Wprowadzenie do technologii inercyjnej

(2) Zasada nawigacji inercyjnej

Nawigacja inercyjna to podstawowa technologia nawigacji i pozycjonowania oparta na prawach Newtona mechaniki klasycznej. Określa pozycję, prędkość i orientację poruszającego się obiektu poprzez pomiar jego przyspieszenia i prędkości kątowej bez polegania na jakichkolwiek zewnętrznych sygnałach odniesienia.

Podstawowe zależności wyrażone są jako:

Gdzie:

• a = wektor przyspieszenia

• v = wektor prędkości

• r = wektor pozycji

• t = czas

Poprzez ciągłą integrację danych o przyspieszeniu i prędkości kątowej, Inercyjny System Nawigacyjny (INS) może obliczać informacje o ruchu w czasie rzeczywistym, takie jak przemieszczenie, prędkość i orientacja.

1D (Jednowymiarowa) Nawigacja

W uproszczonym jednowymiarowym scenariuszu nawigacji, wymagany jest tylko jeden akcelerometr.
Mierzy przyspieszenie liniowe wzdłuż jednej osi (np. kierunek ruchu pociągu).

Kluczowa zasada:
Poprzez jednokrotną integrację przyspieszenia, otrzymujesz prędkość; poprzez ponowną integrację prędkości, otrzymujesz pozycję.

2D (Dwuwymiarowa) Nawigacja Planarna

Dla ruchu płaskiego, takiego jak ruch pociągu lub pojazdu:

• Używane są dwa akcelerometry do pomiaru bocznego i wzdłużnego przyspieszenia.

• Dodawany jest żyroskop do pomiaru kąta kursu w czasie rzeczywistym (orientacji).

• Dane o przyspieszeniu są rzutowane na osie X i Y i integrowane w celu obliczenia prędkości i pozycji w przestrzeni 2D.

Zastosowania:
Pojazdy naziemne, systemy kolejowe, robotyka, statki morskie i inne systemy nawigacyjne, które wymagają śledzenia pozycji w płaskiej płaszczyźnie.

3D (Trójwymiarowa) Nawigacja

Dla pełnej trójwymiarowej nawigacji:

• Trzy akcelerometry mierzą przyspieszenie wzdłuż osi X (bocznej), Y (wzdłużnej) i Z (pionowej).

• Trzy żyroskopy mierzą ruch kątowy wokół każdej z tych osi.

Połączenie tych sześciu czujników pozwala systemowi obliczyć pełne informacje o ruchu i orientacji w 3D, w tym kąty pochylenia, przechyłu i odchylenia.

Główne komponenty:

• Akcelerometr (mierzy przyspieszenie liniowe)

• Żyroskop (mierzy prędkość kątową)

• Rama montażowa z silnikami pochylenia, przechyłu i azymutu

Ta konfiguracja stanowi podstawę nowoczesnych Jednostek Inercyjnych Pomiarowych (IMU) i Inercyjnych Systemów Nawigacyjnych (INS) używanych w:

• Przestrzeni kosmicznej i lotnictwie

• Pojazdach autonomicznych

• Statkach i nawigacji podwodnej

• Dronach (UAV)

• Obronności i naprowadzaniu pocisków

• Robotyce przemysłowej i systemach mapowania

• 
• 
•