Què és la navegació inercial?
Fonaments de la navegació inercial
Els principis fonamentals de la navegació inercial són similars als d'altres mètodes de navegació. Es basa en l'adquisició d'informació clau, com ara la posició inicial, l'orientació inicial, la direcció i l'orientació del moviment en cada moment, i la integració progressiva d'aquestes dades (anàlogament 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 informació sobre l'orientació (actitud) i la posició actuals d'un objecte en moviment, els sistemes de navegació inercial utilitzen un conjunt de sensors crítics, que consisteixen principalment en acceleròmetres i giroscopis. Aquests sensors mesuren la velocitat angular i l'acceleració de la portadora 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 inicials, culminant en la determinació de la ubicació actual de la portadora.
Principis de funcionament dels sistemes de navegació inercial
Els sistemes de navegació inercial funcionen com a sistemes de navegació de circuit tancat intern autònoms. No depenen d'actualitzacions de dades externes en temps real per corregir errors durant el moviment del portaavions. Per tant, 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 basats en satèl·lits, per corregir periòdicament els errors interns acumulats.
L'ocultabilitat 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 per ser 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 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 dels giroscopis, estableix un sistema de coordenades de navegació mentre utilitza la sortida dels acceleròmetres per calcular la velocitat i la posició de la portadora 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 l'aeroespacial, l'aviació, el marítim, l'exploració de petroli, la geodèsia, els estudis oceanogràfics, la perforació geològica, la robòtica i els sistemes ferroviaris. Amb l'arribada de sensors inercials avançats, la tecnologia inercial ha estès la seva utilitat a la indústria de l'automoció i als dispositius electrònics mèdics, entre altres camps. Aquest abast creixent d'aplicacions subratlla el paper cada cop més important de la navegació inercial a l'hora de proporcionar capacitats de navegació i posicionament d'alta precisió per a una multitud d'aplicacions.
El component principal del guiatge 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 principals. Un d'aquests components que ha millorat significativament les capacitats d'aquests sistemes és el giroscopi de fibra òptica (FOG). El FOG és un sensor crític que juga un paper fonamental en la mesura de la velocitat angular de la portadora 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 feix làser en dos camins separats, permetent-li viatjar en direccions oposades al llarg d'un bucle de fibra òptica enrotllat. Quan el portador, integrat amb el FOG, gira, la diferència en el temps de viatge entre els dos feixos és proporcional a la velocitat angular de rotació del portador. Aquest retard de temps, conegut com a 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 a través d'un acoblador, entrant per un extrem i sortint per l'altre. A continuació, viatja a través d'un bucle òptic. Dos feixos de llum, procedents de diferents direccions, entren al bucle i completen una superposició coherent després de donar una volta. La llum que retorna torna a entrar en un díode emissor de llum (LED), que s'utilitza per detectar-ne la intensitat. Tot i que el principi d'un giroscopi de fibra òptica pot semblar senzill, el repte més important rau en l'eliminació dels factors que afecten la longitud del camí òptic dels dos feixos de llum. Aquest és un dels problemes més crítics que s'afronten en el desenvolupament de giroscopis de fibra òptica.
1: díode superluminescent 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 els sistemes de navegació inercial. Són coneguts per la seva excepcional precisió, fiabilitat i durabilitat. A diferència dels giroscopis mecànics, els FOG no tenen peces mòbils, cosa que redueix el risc de desgast. A més, són resistents als cops i a les vibracions, cosa que els fa ideals per a entorns exigents com ara aplicacions aeroespacials i de defensa.
Integració de 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 millora de la precisió de la navegació, especialment en situacions on cal una precisió extrema.
Aplicacions dels giroscopis de fibra òptica en la navegació inercial
La inclusió dels FOG ha ampliat les aplicacions dels sistemes de navegació inercial en diversos dominis. En l'aeroespacial i l'aviació, els sistemes equipats amb FOG ofereixen solucions de navegació precises per a aeronaus, drons i naus espacials. També s'utilitzen àmpliament en la navegació marítima, els estudis geològics i la robòtica avançada, cosa que permet que aquests sistemes funcionin amb un rendiment i una fiabilitat millorats.
Diferents variants estructurals de giroscopis de fibra òptica
Els giroscopis de fibra òptica vénen en diverses configuracions estructurals, i la predominant que actualment entra en l'àmbit de l'enginyeria és lagiroscopi de fibra òptica de manteniment de polarització en bucle tancatAl nucli d'aquest giroscopi hi ha elbucle de fibra que manté la polarització, que comprèn fibres que mantenen la polarització i una estructura dissenyada amb precisió. La construcció d'aquest bucle implica un mètode d'enrotllament simètric quàdruple, complementat per un gel de segellat únic per formar una bobina de bucle de fibra d'estat sòlid.
Característiques clau deFibra òptica G que manté la polaritzacióbobina de yro
▶Disseny únic del marc de treball:Els bucles del giroscopi presenten un disseny de marc distintiu que s'adapta fàcilment a diversos tipus de fibres que mantenen la polarització.
▶Tècnica de bobinatge simètric quàdruple:La tècnica de bobinatge simètric quàdruple minimitza l'efecte Shupe, garantint 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, garantint la precisió fins i tot en condicions tèrmiques variables.
▶Marc de treball lleuger simplificat:Els bucles del giroscopi estan dissenyats amb una estructura senzilla però lleugera, que garanteix 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.Revista de Navegació, 61(1), 13-28.
El-Sheimy, N., Hou, H., i Niu, X. (2019). Tecnologies de sensors inercials per a aplicacions de navegació: estat de la tècnica.Navegació per satèl·lit, 1(1), 1-15.
Woodman, OJ (2007). 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 consistent del món per a robots mòbils.En les actes de la Conferència Internacional de l'IEEE de 1985 sobre Robòtica i Automatització(Vol. 2, pàg. 138-145). IEEE.
Necessites una consulta gratuïta?
ALGUNS DELS MEUS PROJECTES
OBRES INCREÏBLES A LES QUE HE CONTRIBUÏT. AMB ORGULL!
