Инерциальная навигационная система
-
Инерциальная навигационная система (INS)
- Использует датчики движения (акселерометры и гироскопы) и компьютер для вычисления положения, ориентации и скорости объекта.
- Не требует внешних ссылок после инициализации.
- Применяется в мобильных роботах, транспортных средствах и космических аппаратах.
-
Дизайн и компоненты
- Включает компьютер и платформу с акселерометрами и гироскопами.
- Гироскопы измеряют угловое смещение, акселерометры — линейное ускорение.
- Система интегрирует данные для определения положения и скорости.
-
Преимущества и ограничения
- Невосприимчива к помехам и обману.
- Страдает от интегрального смещения, требующего периодической корректировки.
- Используется в сочетании с другими навигационными системами для повышения точности.
-
История и развитие
- Изначально разрабатывалась для ракет.
- В 1965 году создана техническая рабочая группа DGON ISA для поддержки инерциальных технологий.
- Современные достижения в MEMS расширили спектр применений.
-
Системы Годдарда и их влияние
- Системы Годдарда были интересны немецким первопроходцам, включая Вернера фон Брауна
- Эти системы получили широкое распространение с появлением космических аппаратов и управляемых ракет
-
Немецкие системы наведения V2
- Ранние системы V2 использовали два гироскопа и боковой акселерометр с аналоговым компьютером
- Аналоговые сигналы управляли графитовыми рулями направления для управления полетом
- Система GN&C обеспечила множество инноваций
-
Американские ракетные исследовательские программы
- В 1950-х годах США стремились создать полностью отечественную программу наведения ракет
- Лаборатория Массачусетского технологического института разработала автономную систему наведения для Atlas
- Система наведения «Атлас» включала бортовую автономную систему и наземную систему слежения
-
Система Q и её развитие
- Система Q связала задачи наведения ракет в матрице Q
- Система Q использовала компоненты векторного перекрестного произведения для управления автопилотом
- Система Q была засекречена до 1960-х годов
-
Система наведения «Аполлон»
- В 1961 году НАСА заключило контракт с Массачусетским технологическим институтом на проектирование системы наведения для «Аполлона»
- Система включала IMU от Delco и Raytheon
- Система PEG использовалась для управления шаттлом после отделения SRB
-
Раннее использование инерциального наведения в самолетах
- Система Delco Carousel использовалась для частичной автоматизации навигации в коммерческих самолетах
- Boeing использовал систему Carousel для ранних моделей 747
- Система Carousel и её производные применялись на многих коммерческих и военных самолетах
-
Основные схемы инерциальных систем наведения
- Гиростабилизированные платформы на шарнирах использовали гироскопы для подавления прецессии
- Гиростабилизированные платформы на гидравлической подвеске обеспечивали высокую точность
- Жидкостные подшипники прижимали платформу к сферической оболочке
-
Гидравлические подшипники и сферическая платформа
- Гидравлические подшипники обеспечивают свободное вращение платформы.
- Платформа поддерживается четырьмя опорными площадками.
- Угловые датчики используют трансформаторные катушки для измерения углов.
-
Дешевые системы и бесплатформенные системы
- Дешевые системы используют штрих-коды и солнечные батареи.
- Бесплатформенные системы используют гироскопы для измерения угловой скорости.
- Бесплатформенные системы требуют высокой частоты обновления данных.
-
Выравнивание на основе движения
- Ориентацию можно определить по истории местоположения.
- Программа Honeywell Align in Motion использует GPS и инерциальный тест.
-
Вибрирующие гироскопы и полусферический резонаторный гироскоп
- Вибрирующие гироскопы используют структурный гироскоп и датчик одометра.
- Полусферический резонаторный гироскоп использует стоячие волны и кварцевый резонатор.
-
Кварцевые датчики скорости и МЭМС-гироскопы
- Кварцевые датчики скорости используют камертонные гироскопы.
- МЭМС-гироскопы используют эффект Кориолиса для измерения угловой скорости.
-
МГД-датчики и кольцевые лазерные гироскопы
- МГД-датчики используют магнитогидродинамические принципы.
- Кольцевые лазерные гироскопы используют эффект Саньяка для измерения угловой скорости.
-
Волоконно-оптические гироскопы
- Волоконно-оптические гироскопы используют внешний лазер и волоконно-оптические катушки.
- Основной механизм аналогичен кольцевым лазерным гироскопам.
-
Система FOG и её преимущества
- Система FOG требует более сложной калибровки, чем лазерный кольцевой гироскоп (RLG)
- Противотуманные фары не подвержены лазерной блокировке на низких скоростях
- Противотуманные фары не содержат движущихся частей, что увеличивает их точность и срок службы
-
Маятниковые акселерометры
- Базовый акселерометр с разомкнутым контуром состоит из массы и пружины
- Ускорение определяется по расстоянию прогиба, массе и постоянной упругости
- Акселерометр с замкнутым контуром обеспечивает более высокую производительность за счет обратной связи
- Масса практически не перемещается, что снижает влияние нелинейностей
- Оба типа акселерометров изготовлены в виде интегрированных микромашин на кремниевых чипах
-
Датчики TIMU
- DARPA разрабатывает микросхемы для определения времени и инерциальных измерительных блоков (TIMU)
- Micro-PNT добавляет высокоточные основные тактовые импульсы синхронизации в микросхему IMU
- Микросхема TIMU объединяет гироскоп, акселерометр, магнитометр и хронометражные часы
-
Метод навигационной системы уравнений
- Система уравнений получает линейные и угловые измерения от инерциальной системы отсчета и системы координат тела
- Вычисляется конечное положение в системе отсчета NED
- Используются параметры местоположения NED и преобразование систем отсчета