Què és la navegació inercial?
Fonaments de la navegació inercial
Els principis fonamentals de la navegació inercial són semblants als d'altres mètodes de navegació. Es basa en l'adquisició d'informació clau, inclosa la posició inicial, l'orientació inicial, la direcció i l'orientació del moviment en cada moment, i la integració progressiva d'aquestes dades (anàlogues a les operacions d'integració matemàtica) per determinar amb precisió els paràmetres de navegació, com l'orientació i la posició.
El paper dels sensors en la navegació inercial
Per obtenir la informació actual d'orientació (actitud) i posició d'un objecte en moviment, els sistemes de navegació inercial utilitzen un conjunt de sensors crítics, formats principalment per acceleròmetres i giroscopis. Aquests sensors mesuren la velocitat angular i l'acceleració del portador en un marc de referència inercial. Les dades s'integren i es processen al llarg del temps per obtenir informació sobre la velocitat i la posició relativa. Posteriorment, aquesta informació es transforma en el sistema de coordenades de navegació, juntament amb les dades de posició inicial, culminant amb la determinació de la ubicació actual del transportista.
Principis de funcionament dels sistemes de navegació inercial
Els sistemes de navegació inercial funcionen com a sistemes de navegació de bucle tancat interns autònoms. No es basen en actualitzacions de dades externes en temps real per corregir errors durant el moviment del transportista. Com a tal, un únic sistema de navegació inercial és adequat per a tasques de navegació de curta durada. Per a operacions de llarga durada, s'ha de combinar amb altres mètodes de navegació, com ara sistemes de navegació per satèl·lit, per corregir periòdicament els errors interns acumulats.
La ocultació de la navegació inercial
En les tecnologies de navegació modernes, com ara la navegació celeste, la navegació per satèl·lit i la radionavegació, la navegació inercial destaca com a autònoma. No emet senyals a l'entorn extern ni depèn d'objectes celestes o senyals externs. En conseqüència, els sistemes de navegació inercial ofereixen el més alt nivell d'ocultabilitat, el que els fa ideals per a aplicacions que requereixen la màxima confidencialitat.
Definició oficial de navegació inercial
El sistema de navegació inercial (INS) és un sistema d'estimació de paràmetres de navegació que utilitza giroscopis i acceleròmetres com a sensors. El sistema, basat en la sortida dels giroscopis, estableix un sistema de coordenades de navegació mentre utilitza la sortida dels acceleròmetres per calcular la velocitat i la posició del transportista en el sistema de coordenades de navegació.
Aplicacions de la navegació inercial
La tecnologia inercial ha trobat una àmplia gamma d'aplicacions en diversos dominis, com ara aeroespacial, aviació, marítima, exploració de petroli, geodèsia, estudis oceanogràfics, perforació geològica, robòtica i sistemes ferroviaris. Amb l'arribada dels sensors inercials avançats, la tecnologia inercial ha ampliat la seva utilitat a la indústria de l'automoció i als dispositius electrònics mèdics, entre altres camps. Aquest abast d'aplicacions en expansió subratlla el paper cada cop més fonamental de la navegació inercial a l'hora de proporcionar navegació i capacitats de posicionament d'alta precisió per a multitud d'aplicacions.
El component bàsic de la guia inercial:Giroscopi de fibra òptica
Introducció als giroscopis de fibra òptica
Els sistemes de navegació inercial depenen en gran mesura de la precisió i la precisió dels seus components bàsics. Un d'aquests components que ha millorat significativament les capacitats d'aquests sistemes és el giroscopi de fibra òptica (FOG). FOG és un sensor crític que juga un paper fonamental en la mesura de la velocitat angular del portador amb una precisió notable.
Funcionament del giroscopi de fibra òptica
Els FOG funcionen segons el principi de l'efecte Sagnac, que consisteix a dividir un raig làser en dos camins separats, que li permeten viatjar en direccions oposades al llarg d'un bucle de fibra òptica enrotllada. Quan el portador, incrustat amb el FOG, gira, la diferència de temps de viatge entre els dos feixos és proporcional a la velocitat angular de la rotació del portador. Aquest retard de temps, conegut com el canvi de fase de Sagnac, es mesura amb precisió, permetent que el FOG proporcioni dades precises sobre la rotació del portador.
El principi d'un giroscopi de fibra òptica consisteix a emetre un feix de llum des d'un fotodetector. Aquest feix de llum passa per un acoblador, entra per un extrem i surt per un altre. Després viatja a través d'un bucle òptic. Dos raigs de llum, procedents de diferents direccions, entren al bucle i completen una superposició coherent després de donar una volta. La llum que torna torna a entrar en un díode emissor de llum (LED), que s'utilitza per detectar la seva intensitat. Tot i que el principi d'un giroscopi de fibra òptica pot semblar senzill, el repte més important rau a eliminar els factors que afecten la longitud del camí òptic dels dos feixos de llum. Aquest és un dels problemes més crítics als quals s'enfronta el desenvolupament dels giroscopis de fibra òptica.
1: díode superluminiscent 2: díode fotodetector
3.acoblador de font de llum 4.acoblador d'anell de fibra 5.anell de fibra òptica
Avantatges dels giroscopis de fibra òptica
Els FOG ofereixen diversos avantatges que els fan inestimables en sistemes de navegació inercial. Són coneguts per la seva precisió, fiabilitat i durabilitat excepcionals. A diferència dels giroscopis mecànics, els FOG no tenen peces mòbils, reduint el risc de desgast. A més, són resistents als cops i vibracions, el que els fa ideals per a entorns exigents com ara aplicacions aeroespacials i de defensa.
Integració dels giroscopis de fibra òptica en la navegació inercial
Els sistemes de navegació inercial incorporen cada cop més FOG a causa de la seva alta precisió i fiabilitat. Aquests giroscopis proporcionen les mesures crucials de velocitat angular necessàries per a la determinació precisa de l'orientació i la posició. En integrar els FOG als sistemes de navegació inercial existents, els operadors poden beneficiar-se d'una precisió de navegació millorada, especialment en situacions en què és necessària una precisió extrema.
Aplicacions dels giroscopis de fibra òptica a la navegació inercial
La inclusió de FOG ha ampliat les aplicacions dels sistemes de navegació inercial en diversos dominis. En aeroespacial i aviació, els sistemes equipats amb FOG ofereixen solucions de navegació precises per a avions, drons i naus espacials. També s'utilitzen àmpliament en navegació marítima, estudis geològics i robòtica avançada, cosa que permet que aquests sistemes funcionin amb un rendiment i una fiabilitat millorats.
Diferents variants estructurals dels giroscopis de fibra òptica
Els giroscopis de fibra òptica tenen diverses configuracions estructurals, la que predomina actualment en l'àmbit de l'enginyeria és laGiroscopi de fibra òptica que manté la polarització de bucle tancat. Al nucli d'aquest giroscopi hi ha elbucle de fibra que manté la polarització, que inclou fibres que mantenen la polarització i un marc dissenyat amb precisió. La construcció d'aquest bucle implica un mètode d'enrotllament simètric quatre vegades, complementat per un gel de segellat únic per formar una bobina de bucle de fibra d'estat sòlid.
Característiques clau deFibra òptica per mantenir la polarització Gyro Bobina
▶ Disseny de marc únic:Els bucles del giroscopi presenten un disseny de marc distintiu que s'adapta a diversos tipus de fibres que mantenen la polarització amb facilitat.
▶ Tècnica de bobinatge simètric quàdruple:La tècnica d'enrotllament simètric quatre vegades minimitza l'efecte Shupe, assegurant mesures precises i fiables.
▶ Material de gel de segellat avançat:L'ús de materials de gel de segellat avançats, combinat amb una tècnica de curat única, millora la resistència a les vibracions, fent que aquests bucles de giroscopi siguin ideals per a aplicacions en entorns exigents.
▶Estabilitat de coherència a alta temperatura:Els bucles del giroscopi presenten una estabilitat de coherència a alta temperatura, assegurant la precisió fins i tot en condicions tèrmiques variables.
▶ Marc lleuger simplificat:Els bucles del giroscopi estan dissenyats amb un marc senzill però lleuger, que garanteix una alta precisió de processament.
▶ Procés de bobinatge consistent:El procés de bobinat es manté estable, adaptant-se als requisits de diversos giroscopis de fibra òptica de precisió.
Referència
Groves, PD (2008). Introducció a la navegació inercial.The Journal of Navigation, 61(1), 13-28.
El-Sheimy, N., Hou, H. i Niu, X. (2019). Tecnologies de sensors inercials per a aplicacions de navegació: estat de l'art.Navegació per satèl·lit, 1(1), 1-15.
Woodman, OJ (2007). Una introducció a la navegació inercial.Universitat de Cambridge, Laboratori d'Informàtica, UCAM-CL-TR-696.
Chatila, R. i Laumond, JP (1985). Referència de posició i modelització coherent del món per a robots mòbils.A Proceedings of the 1985 IEEE International Conference on Robotics and Automation(Vol. 2, pàg. 138-145). IEEE.
Necessites una consulta gratuïta?
ALGUNS DELS MEUS PROJECTES
TREBALLS GENIALS A QUÈ HEM CONTRIBUIT. ORGULLOSA!
