Wprowadzenie do technologii inercyjnej

(3) Kompozycja systemu inercyjnego systemu nawigacji

Inercyjny System Nawigacji (INS) to w pełni autonomiczne rozwiązanie nawigacyjne szeroko stosowane w lotnictwie, bezzałogowych statkach powietrznych (UAV), statkach morskich, robotyce i zaawansowanych zastosowaniach przemysłowych. W przeciwieństwie do systemów opartych na satelitach, INS nie opiera się na sygnałach zewnętrznych. Zamiast tego oblicza pozycję, prędkość i orientację wyłącznie za pomocą wewnętrznych czujników i algorytmów.

Ten artykuł wyjaśnia kompletną kompozycję systemu INS i sposób, w jaki jego podsystemy współpracują ze sobą, aby zapewnić precyzyjną i niezawodną nawigację.

1. Przegląd Inercyjnego Systemu Nawigacji

INS określa ruch platformy poprzez ciągłe mierzenie przyspieszenia i prędkości kątowej. Pomiary te są przetwarzane za pomocą algorytmów nawigacyjnych w celu obliczenia:

• Pozycję

• Prędkość

• Orientacji (pochylenie, przechył, azymut)

Aby to osiągnąć, INS integruje kombinację precyzyjnego sprzętu, struktur mechanicznych, elektroniki i metod kalibracji.

2. Kompozycja systemu

Główne komponenty Inercyjnego Systemu Nawigacji obejmują:

(1) Inercyjną Jednostkę Pomiarową (IMU)

IMU jest rdzeniem czujnikowym INS. Integruje ona:

• Żyroskop
  Mierzy prędkość kątową obrotu wokół trzech osi.

• Akcelerometr
  Mierzy przyspieszenie liniowe wzdłuż trzech osi.

Razem te sześć stopni swobody zapewnia surowe dane ruchu wymagane do obliczeń nawigacyjnych.

(2) Komputer nawigacyjny

Komputer nawigacyjny jest odpowiedzialny za konwersję surowych sygnałów IMU na użyteczne informacje nawigacyjne.

Wykonuje on:

• Akwizycję i przetwarzanie danych
  Filtrowanie, próbkowanie i konwersję danych wyjściowych z czujników.

• Rozwiązanie nawigacyjne
  Implementuje algorytmy, takie jak obliczenia strapdown, integracja orientacji, aktualizacja prędkości i obliczanie pozycji.

• Kompensacja błędów
  Stosuje dane kalibracyjne, usuwanie błędów, korekcję współczynnika skali i kompensację temperatury.

(3) System tłumienia

Aby zapewnić stałą dokładność, system tłumienia stabilizuje ruch platformy i redukuje wpływ wibracji, wstrząsów i zakłóceń mechanicznych.

Jego funkcje obejmują:

• Minimalizowanie szumów czujników spowodowanych wibracjami

• Zapewnianie tłumienia oscylacji mechanicznych

• Wspomaganie precyzyjnego wyrównania

Konstrukcja tłumienia jest szczególnie krytyczna w zastosowaniach lotniczych i mobilnych.

(4) System elektroniczny

System elektroniczny zapewnia zarządzanie zasilaniem, kondycjonowanie sygnałów i interfejsy komunikacyjne.

Kluczowe elementy:

• Regulacja i dystrybucja zasilania

• Układy przetwarzania sygnałów cyfrowych

• Protokoły komunikacyjne (CAN, RS422, Ethernet itp.)

• Monitorowanie i ochrona systemu

(5) Struktura mechaniczna

Struktura mechaniczna zapewnia fizyczną podstawę INS.
Dobrze zaprojektowana struktura mechaniczna poprawia:

• Odporność na wibracje

• Stabilność termiczną

• Długotrwałą integralność strukturalną

• Odporność na warunki środowiskowe

Ta część zapewnia spójne działanie systemu w wymagających warunkach.

3. Inicjalizacja parametrów i mechanizmy kalibracji

Aby osiągnąć optymalną dokładność, INS wymaga wielu warstw kalibracji i inicjalizacji.

(1) Parametry początkowe

Obejmują one błędy czujników, kąty instalacji, współczynniki skali i współczynniki środowiskowe.

(2) Pozycja początkowa

System potrzebuje dokładnych współrzędnych początkowych, aby rozpocząć obliczenia nawigacyjne.

(3) Kalibracja temperatury

Czujniki IMU są bardzo wrażliwe na temperaturę.
Kalibracja temperatury kompensuje:

• Dryft błędu

• Zmiany współczynnika skali

• Nieliniowe efekty temperaturowe

Jest to niezbędne dla uzyskania wysokiej precyzji.

(4) Wyrównanie i kalibracja początkowa

Wyrównanie początkowe ustala odniesienie orientacji (pochylenie / przechył / azymut).
Dwa typowe rodzaje wyrównania:

• Wyrównanie statyczne– wykonywane, gdy system jest nieruchomy

• Wyrównanie dynamiczne– wykonywane podczas ruchu, wspomagane przez algorytmy

Właściwe wyrównanie zapewnia dokładne wyjście azymutu i orientacji podczas całej operacji.

4. Wyjście INS

Po przetworzeniu wszystkich danych z czujników i zastosowaniu korekt, INS wyprowadza:

• Orientację (pochylenie, przechył, azymut)

• Prędkość (północ/wschód/dół lub XYZ)

• Pozycję (współrzędne GPS lub lokalny układ współrzędnych)

• Parametry błędów (diagnostyka, status, wskaźniki jakości)

Dokładność tych danych wyjściowych zależy od jakości czujników, kompletności kalibracji i wydajności algorytmów.

5. Wnioski

Inercyjny System Nawigacji to złożona, a zarazem potężna technologia zbudowana na precyzyjnych czujnikach, zaawansowanych algorytmach i zaawansowanych procesach kalibracji. Jego zdolność do zapewniania nieprzerwanej nawigacji w środowiskach pozbawionych GNSS sprawia, że jest niezastąpiony w nowoczesnym lotnictwie, obronności, robotyce i zastosowaniach przemysłowych.

Zrozumienie kompletnej kompozycji systemu INS—IMU, komputera nawigacyjnego, tłumienia, podsystemu elektronicznego, struktury mechanicznej i przepływu pracy kalibracji—pomaga użytkownikom docenić jego głębię i znaczenie techniczne.