Què és la navegació inercial?
Fonaments de la navegació inercial
Els principis fonamentals de la navegació inercial s’assembla 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 integrar progressivament aquestes dades (anàlogues a les operacions d’integració matemàtica) per determinar amb precisió els paràmetres de navegació, com ara l’orientació i la posició.
El paper dels sensors en la navegació inercial
Per obtenir l’orientació actual (actitud) i la informació de la posició d’un objecte en moviment, els sistemes de navegació inercials utilitzen un conjunt de sensors crítics, principalment formats 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 amb el pas del temps per obtenir la velocitat i la informació relativa de la posició. Posteriorment, aquesta informació es transforma en el sistema de coordenades de navegació, conjuntament amb les dades de posició inicial, culminant en la determinació de la ubicació actual del transportista.
Principis de funcionament dels sistemes de navegació inercial
Els sistemes de navegació inercials funcionen com a sistemes de navegació de bucle tancat intern autònoms. No es basen en les actualitzacions de dades externes en temps real per corregir els errors durant el moviment del transportista. Com a tal, un sistema de navegació inercial és adequat per a tasques de navegació de curta durada. Per a les operacions de llarga durada, s’ha de combinar amb altres mètodes de navegació, com els sistemes de navegació basats en satèl·lits, per corregir periòdicament els errors interns acumulats.
La ocultabilitat de la navegació inercial
En les tecnologies de navegació moderna, incloent la navegació celeste, la navegació per satèl·lit i la navegació per ràdio, la navegació inercial destaca com a autònoma. No emet senyals a l’entorn extern ni depèn d’objectes celestes ni de senyals externs. En conseqüència, els sistemes de navegació inercials ofereixen el màxim nivell d’ocultabilitat, cosa 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 de giroscopis, estableix un sistema de coordenades de navegació alhora que utilitza la sortida d’acceleròmetres per calcular la velocitat i la posició del transportista al sistema de coordenades de navegació.
Aplicacions de navegació inercial
La tecnologia inercial ha trobat aplicacions àmplies en diversos dominis, com aeroespacial, aviació, marítima, exploració de petroli, geodèsia, enquestes oceanogràfiques, perforació geològica, robòtica i sistemes ferroviaris. Amb l’arribada de 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 àmbit en expansió de les aplicacions subratlla el paper cada cop més fonamental de la navegació inercial en la prestació de capacitats de navegació i posicionament d’alta precisió per a multitud d’aplicacions.
El component bàsic de l’orientació inercial:Gyroscopi de fibra òptica
Introducció als giroscopis de fibra òptica
Els sistemes de navegació inercials es basen molt en 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). La boira és un sensor crític que té un paper fonamental en la mesura de la velocitat angular del portador amb una precisió notable.
Funcionament del giroscopi de fibra òptica
Les boires funcionen sobre el principi de l'efecte Sagnac, que consisteix en dividir un feix làser en dos camins separats, permetent -lo viatjar en direccions oposades al llarg d'un bucle de fibra òptica enrotllada. Quan el portador, incrustat amb la boira, gira, la diferència de temps de viatge entre els dos feixos és proporcional a la velocitat angular de la rotació del transportista. Aquest retard, conegut com a canvi de fase Sagnac, es mesura amb precisió, permetent a la boira proporcionar dades precises sobre la rotació del transportista.
El principi d’un giroscopi de fibra òptica consisteix a emetre un feix de llum d’un fotodetector. Aquest feix de llum passa per un acoblador, entrant des d’un extrem i sortint d’un altre. A continuació, viatja per un bucle òptic. Dues bigues de llum, procedents de diferents direccions, introduïu el bucle i completeu una superposició coherent després de girar -se. La llum que torna torna a entrar a un díode que emet la llum (LED), que s’utilitza per detectar la seva intensitat. Si bé el principi d’un giroscopi de fibra òptica pot semblar senzill, el repte més significatiu rau en l’eliminació de factors que afecten la longitud de la ruta òptica dels dos feixos de llum. Aquest és un dels problemes més crítics en el desenvolupament de giroscopis de fibra òptica.
1 ： Diode superluminescent 2 ： Diode fotodetector
3. Acoblador d'origen de llum 4.Acoblador de fibres 5. Anell de fibra òptica
Avantatges dels giroscopis de fibra òptica
Les boires ofereixen diversos avantatges que els fan inestimables en els sistemes de navegació inercial. Són reconeguts per la seva precisió, fiabilitat i durabilitat excepcionals. A diferència dels giros mecànics, les boires no tenen parts mòbils, reduint el risc de desgast. A més, són resistents al xoc i la vibració, cosa que els fa ideals per a entorns exigents com ara aplicacions aeroespacials i de defensa.
Integració de giroscopis de fibra òptica en navegació inercial
Els sistemes de navegació inercials incorporen cada cop més boires a causa de la seva alta precisió i fiabilitat. Aquests giroscopis proporcionen les mesures de velocitat angular crucials necessàries per a la determinació precisa de l’orientació i la posició. Integrant les boires 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 de giroscopis de fibra òptica en navegació inercial
La inclusió de boira ha ampliat les aplicacions de sistemes de navegació inercials a diversos dominis. En aeroespacial i aviació, els sistemes equipats amb boira ofereixen solucions de navegació precises per a avions, drons i naus espacials. També s’utilitzen àmpliament en la navegació marítima, les enquestes geològiques i la robòtica avançada, permetent que aquests sistemes funcionin amb un rendiment i una fiabilitat millorades.
Diferents variants estructurals de giroscopis de fibra òptica
Els giroscopis de fibra òptica tenen diverses configuracions estructurals, amb la predominant que actualment entra al regne de l'enginyeria és elGyroscopi de fibra òptica que manté la polarització de bucle tancat. Al nucli d’aquest giroscopi hi ha elbucle de fibra que manté polarització, que inclou fibres que mantenen la polarització i un marc dissenyat amb precisió. La construcció d’aquest bucle implica un mètode de bobinatge simètric de quatre vegades, complementat per un gel de segellat únic per formar una bobina de fibra d’estat sòlid.
Característiques clau deFibra òptica que manté polarització gYro Coil
▶ Disseny marc únic:Els bucles del giroscopi presenten un disseny marc distintiu que allotja diversos tipus de fibres que mantenen la polarització amb facilitat.
▶ Tècnica de bobinatge simètric de quatre vegades:La tècnica de bobinatge simètric de quatre vegades minimitza l'efecte Shupe, garantint mesures precises i fiables.
▶ Material de gel de segellat avançat:L’ocupació de materials avançats de gel de segellat, combinat amb una tècnica de curació única, millora la resistència a les vibracions, fent que aquests bucles del giroscopi siguin ideals per a aplicacions en entorns exigents.
▶ Estabilitat de coherència d'alta temperatura:Els bucles del giroscopi presenten estabilitat de coherència d’alta temperatura, garantint la precisió fins i tot en diferents condicions tèrmiques.
▶ Marc lleuger simplificat:Els bucles de giroscopi estan dissenyats amb un marc senzill però lleuger, garantint una alta precisió de processament.
▶ Procés de bobinatge consistent:El procés de bobinatge 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., & 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 informàtic, UCAM-CL-TR-696.
Chatila, R., i Laumond, JP (1985). REFERENTACIÓ DE POSICIONS I MODELITZACIÓ MUNDIAL CONSETIVA PER A ROBOTS MILIBRES.A Proceedings of the 1985 IEEE International Conference on Robotics and Automation(Vol. 2, pp. 138-145). IEEE.
Necessiteu una consulació gratuïta?
Alguns dels meus projectes
Treballs impressionants a les quals he contribuït. Orgullós!
