Inercioni Navigacioni Sistem

Ovakav sistem obezbeđuje podatke o poziciji, brzini i visini vozila (letilice) merenjem ubrzanja i rotacije inercionog okvira sistema. On ima široku upotrebu jer jer se ne referiše na spoljašnje orijentire realnog sveta, već na svoje sopstvene. Upravo je zbog toga imun na ometanje i varke.

Inercioni Navigacioni Sistem se sastoji od Inercione Jedinice za Merenje - IMU (Inertial Measurement Unit) u kombinaciji sa kontrolnim mehanizmom, koji omogućava da se vozilo kontroliše u zavisnosti od pozicije koju izmeri Inercioni Navigacioni Sistem. Ove sisteme poznajemo kao Inercione Platforme .


 
1. Pregled

Inercioni Navigacioni Sistem je prvenstveno razvijen za navigaciju raketa. Američki raketni pionir Robert Goddard je eksperimentisao sa elementarnim žiroskopskim sistemom. Sistem Dr. Goddard-a se zasnivao na inovacijama Nemačkih pionira, pogotovu Wernher von Braun-a.

Tipičan Inercioni Navigacioni Sistem koristi kombinaciju ugaonih, pitch (ugaone oscilacije oko poprečne ose tela) i azimutnih žiroskopa, za stabilizaciju x, y i z brzinomera radi rešavanja velikog broja diferencionih jednačina i pretvaranja očitavanja senzora u predračune ubrazanja, pozicije i visine, počev od poznate početne pozicije latitude i longitude.

Inercioni Navigacioni Sistemi su patili od integralnih odstupanja, integrisane su kao male greške u merenju u progresivno veće greške brzine a pogotovu pozicije. Ovo je problem koji je nasleđivan u svakom kontrolnom sistemu "otvorene petlje" (open loop control system).

Inerciona navigacija može biti korištena kao dodatak drugim navigacionim sistemima, obezbeđujući visok stepen tačnosti koji je viši od upotrebe bilo kog samostalnog navigacionog sistema. Na primer, ako je, u terenskoj upotrebi, inerciono praćena brzina stajanjem obnavljana povremeno na nulu, pozicija će ostati precizna duže vreme, i to je takozvano nulto obnavljanje brzine (zero velocity update).

Kontrolna teorija i Kalman filtriranje, u praksi, obezbeđuju teroretski okvir za kombinovanje informacija sa raznih senzora. Jedan od najčešćih alternativnih senzora je satelitski navigacioni radio ili GPS.
 
2. Detaljno objašnjen Inercioni Navigacioni Sistem

INS-ovi imaju ugaone i linearne brzinomere (za promenu pozicije); neki uključuju žiroskopski element (za održavanje apsolutne referentne pozicije).

Ugaoni brzinomeri mere rotaciju vozila u prostoru. Generalno, postoji barem jedan senzor za svaku od tri ose: pitch (vrh letilice gore i dole), yaw (vrh letilice levo i desno) i roll (u smeru i u kontra-smeru kazaljke na satu od kokpita).

Linearni brzinomer meri kako se vozilo pomera u prostoru. Obzirom da se može pomerati u tri ose (gore i dole, levi i desno, napred i nazad), on postoji za svaku osu.

Kompjuter kontinualno računa trenutnu poziciju vozila. Prvo, za svaku od šest osa, integriše primljene količine brzine u toku vremena da bi shvatio trenutnu brzinu. Onda integriše brzine da bi shvatio trenutnu poziciju.

Inerciono navođenje je nemoguće bez kompjutera. Želja za upotrebom inercionog navođenja u Minuteman projektilima i Projektu Apollo doveo nas je do pokušaja smanjenja kompjutera.

Inercioni Navigacioni Sistemi se danas obično kombinuju sa satelitskim navigacionim sistemom preko sistema digitalnog filtriranja. Inercioni sistem obezbeđuje kratkoročne podatke,dok satelitski sistem ispravlja akumulirane greške inercionog sistema.

Inercioni Navigacioni Sistem koji će raditi blizu površine Zemlje mora imati ugrađen Schuler podešavanje pa će ta platforma nastaviti da ukazuje na centar Zemlje kako se vozilo kreće sa mesta na mesto.

 
3. Osnovni principi

 
3.1 kardanske Žiro-stabilisane platforme

Neki sistemi stavljaju linearne brzinomere na kardanske žiro-stabilisane platforme. Kardani su setovi od tri prstena, svaki sa parom ležaja pod pravim uglom. Oni dozvoljavaju platformi da se okreće u svim osama rotacije. (Obično) Postoje dva žiroskopa na platfomi.

Za neutralizaciju žiroskopske precesije (kretanje ose obrtnog tela) se koristi dva žiroskopa; tendencija žiroskopa je da se obrne pod pravim uglom na ulaznu silu. Montiranjem žiroskopskog para (iste rotacione inercije i rotiranja pri istoj brzini) pod pravim uglom neutralizuje precesiju, i platforma se opire obrtanju.

Ovaj sistem omogućava direktno merenje roll-a, pitsh-a i yaw-a vozila na ležajima kardana. Relativno jednostavna električna kola mogu biti upotrebljena za sabiranje linearnih ubrzanja, jer se pravac linearnog ubrzanja ne menja.

Velika mana ovog plana je da koristi izuzetno skupe precizne mehaničke delove. On takođe ima pokretne delove koji se habaju ili zaglavljuju, i osetljiv je na zastoj kardana. Primarni navigacioni sistem Apollo letilice koristi žiro-stabilisanu platformu sa 3 ose, koja puni podacima Apollo Navigacioni Kompjuter. Manevri su morali biti pažljivo isplanirani da bi se izbegao zastoj kardana.

 
3.2 Fluidno-lebdeće Žiroskopske platforme

Zastoj kardana ograničava manevrisanje, i bilo bi lepo eliminisati klizni prsten i ležajeve kardana. Stoga, neki sistemi koriste fluidne ležajeve ili komoru za plutanje za ugradnju žiro-stabilisane platforme. Ovi sistemi mogu imati vrlo visoku preciznost. Poput svih žiro-stabilisanih platformi, ovaj sistem radi dobro sa relativno sporim kompjuterom male potrošnje.

Fluidni ležajevi su polja sa rupama kroz koje se pušta inertni gas (poput Heliuma) ili ulje koji pritiska sferne školjke platforme. Fluidni ležajevi su vrlo klizavi, pa se sferne platforme mogu slobodno okretati. Obično ima četiri ležajna polja, montiranih u tetraedalnom rasporedu za oslanjanje platforme.

U prvoklsanim sistemima, ugaoni senzori su obično specijalizovani transformatorski namotaji napravljeni na isečku fleksibilne štampane ploče. Nekoliko isečaka namotaja je montirano u velikim krugovima oko sferne školjke žiro-stabilisane platforme. Elektronika izvan platforme koristi sličan transfomator u obliku isečka za očitavanje raznih magnetnih polja koje pravi transformator uvijen oko sferne platforme. Kad god magnetno polje promeni oblik, ili se pomeri, ono seče linije namotaja eksternog isečka transformatora. Presecanje proizvodi električnu struju u spoljašnjim namotajima u obliku isečka, i elektronika meri tu struju iz kojih izvodi uglove.

Jeftini sistemi ponekad koriste bar kodove da bi opipali orijentaciju, i koriste solarne ćelije ili pojedinačne transformatore za napajanje platforme. Neki mali projektili imaju platformu koja se napaja svetlosno preko prozora ili fiber optike od motora. Predmet istraživanja je udaljavanje platforme pod pritiskom od izduvnih gasova. Podaci se vraćaju iz spoljašnjeg sveta preko transformatora, ili ponekad LED-ova koji komuniciraju sa spoljašnjim foto-diodama.

 
3.3 Nanizani (strapdown) sistemi

Laki digitalni kompjuteri dozvoljavaju sistemu da eliminiše kardane, praveći "nanizane" sisteme, nazvanim tako jer su njihovi senzori jednostano nanizani na vozilo. Ovo smanjuje cenu a uvećava pouzdanost uklanjanjem nekih pokretnih delova. Ugaoni brzinomeri nazvani "odnosni žiro-i" mere kojom se brzinom menja ugaona brzina vozila. Nezaobilazna trigonometrija je previše kompleksna za tačno izvođenje sem za digitalnu elektroniku. Kako bilo, digitalni kompjuteri sada nisu preskupi pa je odnosne žiro sisteme moguće praktično upotrebiti i masovno proizvesti. Apollo lunarni modul je koristio nanizani sistem kao rezervu AGS-a (Abort Guidance System).

 
4. Tipovi senzora

 
4.1 Laserski žiroskopi

Laserski žiroskopi bi trebalo da eliminišu ležajeve u žiroskopu, i prema tome poslednji bedem preciznosti mašinske obrade i pokretnih delova.

Laser žiro pomera lasersku svetlost u dva suprotna smera oko kružne putanje. Pošto se vozilo rotira pomoću istog ugla, razdaljina koja putuje oko okvira pomoću dva laserska snopa postaje različita u dva pravca. Interferometarski pomeraj faze između dva laserska snopa je proporcionalan uglu rotacije (Sagnac efekat). U osetljivijim žiroima interferometarska brzina oscijalacije je proporcionalna rotacionoj brzini.

U praksi, pri malim rotacionim brzinama elektromagnetne tačke maksimuma i minimuma svetlosti su čvrsto vezane. Rezultat se ne menja u interferentnom šablonu, i stoga nema promene merenja.

Za otključavanje kontra-rotacionog laserskog snopa, laserski žiroi ili imaju nezavisne putanje svetlosti za dva pravca (obično u fiber-optičkim žiroima) ili je montiran na piezo-električni kristal koji brzo rotira žiro nazad i napred pomoću malog ugla da bi raskinuo svetlosne talase.

Avaj, vibrator je najprecizniji, jer oba svetlosna snopa koriste potpuno iste putanje. Otuda žiroi zadržavaju pokretne delove, ali se oni utoliko ne pomeraju.

 
4.2 Vibracioni žiroskopi

Jeftiniji navigacioni sistemi namenjen za upotrebu u automobilima, mogu koristiti Žiroskop sa vibracionom strukturom za detekciju promene u heading-u, a kilometar-sat (odometar) senzor pokriva merenje pređenog puta vozila. Ovaj tip sistema je manje precizan od vrhunskog INS-a, ali je adekvatan za tipične automobilske aplikacije gde je GPS primarni navigacioni sistem a računanje pozicije vozila je neophodno samo za popunjavanje rupa u GPS pokrivanju kada teren ili zgrade blokiraju satelitski signal.

 
4.3 Brandy sniffer žiroskopi

Ako se stojeći talas emituje u loptastom Brandy Sniffer-u, a potom se sniffer pomeri, talasi nastavljaju u istoj ravni pokreta. Oni se ne naginju sa sniffer-om. Ovaj trik je upotrebljen za merenje uglova. Umesto Brandy Sniffer-a, sistem koristi mašinski obrađenu šuplju loptu od piezo-električnog materijala kao što je kvarc. Elektrode za početak i detektovanje talasa su direktno nanešene na kvarc isparavanjem.

Ovaj sistem skoro da nema pokretnih delova, i vrlo je precizan. Ipak je relativno skup, prikladno ceni preciznog brušenja i poliranja rupe kvarcne sfere.

 
4.4 Senzori sa kvarcnim odnosom

Ovaj sistem je obično integrisani deo čipa. On ima dve uravnotežene kvarcne zvučne viljuške, koje su raspoređene nasuprot jedan dugoj pa se sile poništavaju. Aluminijumske elektrode su ugrađene isparavanjem na viljušku a noseći čip pogoni i oseća pokret. Sistem je i lak za proizvodnju i jeftin. Obzirom da je kvarc dimenziono stabilan, sistem ima dobru verovatnoću pouzdanosti.

Pošto su viljuške ukrštene oko ose upravljanja, vibracije krajeva nastoje da nastave u istoj ravni kretanja. Ovaj pokret ima opiranje elektrostatičkih sila iz elektroda ispod krajeva. Merenjem razlike kapaciteta između krajeva viljuški, sistem može odrediti odnos ugaonog pokreta.

Trenutni dostignut stepen razvoja ne-vojne tehnologije (2005) nam omogućava da napravimo male poluprovodničke senzore koje je moguće upotrebiti za kinematska merenja pokreta tela. Ova vrsta uređaja nema pokretnih delova i teže oko 50gr. Drugi poluprovodnički sklopovi baziranih na istom fizičkom principu se trenutno koriste za stabilizaciju slike kod slikanja sa malim kamerama i fotoaparatima. Oni mogu biti veoma mali (< 5mm) i napravljeni su sa MEMS (Mikroelektromehanički sistemi) tehnologijama.

 
4.5 Brzinomeri sa klatnom

Osnovni brzinomer je samo masa na opruzi sa prikačenim klizačem. Klizač može biti egzotični elektro-magnetni senzor, ali i dalje meri razdaljinu. Kada vozilo ubrzava, masa se pomera, a klizač meri pokret. Loša strana ovog principa je neophodnost opruge za kalibraciju, a opruge je skoro nemoguće napraviti doslednim - da imaju konstantnu silu tokom vremena.

Izazovniji sistem za izradu je onaj za merenje sile neophodne za zadršku mase pri pokretu. U ovom principu, i dalje postoji klizač, ali kad god se masa pomera, električni namotaji vuku masu, poništavajući pokret. Što je veća sila vuče to je veća brzina. Loša strana u ovom je da vrlo velika ubrzanja, recimo kod eksplozije, udara ili topovske paljbe, mogu prevazići kapacitet poništavanja elektronike. Senzor tada gubi korak o tome gde se vozilo nalazi.

Obe vrste brzinomera se proizvode kao integrisana mikro-mašinerija na silikonskom čipu.

 
4.6 Sistemi samo-brzinomer

Neki sistemi koriste četiri brzinomera sa klatnom za merenje svih mogućih pokreta i rotacija. Obično su namešteni sa meračima u uglovima tetraedra. Stoga, oni se nazivaju "tetraedarske inercione platforme", ili TIP-ovi.

Kad se vozilo kotrlja, mase na suprotnim stranama će biti ubrzane u suprotnim pravcima. Kada vozilo ima linearno ubrzanje, mase su ubrzane u istom pravcu. Kompjuter drži korak.

TIP-ovi su vrlo jeftini, male težine i mali, pogotovu kad se koriste u mikro-obrađenim integrisanim brzinomerima. Kad se upotrebljavaju, obično je to u malim projektilima.

 
5. Spoljašnji linkovi

 
6. Spoljašnji linkovi

Neki od proizvođača:
Sadržaj

Navigacija