Kloubové gyrostabilizované plošinyUpravit
Některé systémy umísťují lineární akcelerometry na kloubovou gyrostabilizovanou plošinu. Gimbaly jsou tvořeny sadou tří kroužků, z nichž každý má dvojici ložisek zpočátku v pravém úhlu. Umožňují plošině otáčet se kolem libovolné osy otáčení (nebo spíše umožňují plošině udržovat stejnou orientaci, zatímco vozidlo se kolem ní otáčí). Na plošině jsou (obvykle) dva gyroskopy.
Dva gyroskopy se používají ke zrušení gyroskopické precese, tendence gyroskopu stáčet se v pravém úhlu ke vstupnímu momentu. Namontováním dvojice gyroskopů (se stejnou rotační setrvačností a otáčejících se stejnou rychlostí v opačných směrech) v pravých úhlech se precese zruší a plošina odolá zkroucení.
Tento systém umožňuje měřit úhly náklonu, sklonu a vychýlení vozidla přímo na ložiskách kardanových závěsů. K sčítání lineárních zrychlení lze použít relativně jednoduché elektronické obvody, protože směry lineárních akcelerometrů se nemění.
Velkou nevýhodou tohoto systému je, že používá mnoho drahých přesných mechanických součástí. Má také pohyblivé části, které se mohou opotřebovat nebo zaseknout, a je náchylné k zablokování kardanu. Primární naváděcí systém kosmické lodi Apollo používal tříosou gyrostabilizovanou platformu, která dodávala data do naváděcího počítače Apollo. Manévry musely být pečlivě naplánovány, aby nedošlo k zablokování kardanu.
Gyrostabilizované plošiny zavěšené na kapaliněEdit
Zablokování kardanu omezuje manévrování a bylo by výhodné odstranit kluzné kroužky a ložiska kardanu. Proto některé systémy používají k upevnění gyrostabilizované plošiny fluidní ložiska nebo flotační komoru. Tyto systémy mohou mít velmi vysokou přesnost (např. Advanced Inertial Reference Sphere). Stejně jako všechny gyrostabilizované platformy i tento systém pracuje dobře s relativně pomalými počítači s nízkým příkonem.
Fluidní ložiska jsou podložky s otvory, kterými tlakový inertní plyn (např. helium) nebo olej tlačí na sférický plášť platformy. Kapalinová ložiska jsou velmi kluzná a sférická platforma se může volně otáčet. Obvykle se jedná o čtyři ložiskové podložky, které jsou namontovány ve čtyřstěnném uspořádání a podpírají plošinu.
V prémiových systémech jsou úhlové snímače obvykle specializované transformátorové cívky vyrobené v pásu na pružné desce s plošnými spoji. Několik pásů cívek je namontováno na velkých kružnicích kolem kulového pláště gyrostabilizované plošiny. Elektronika vně platformy používá podobné páskové transformátory ke snímání měnících se magnetických polí vytvářených transformátory ovinutými kolem sférické platformy. Kdykoli magnetické pole změní tvar nebo se pohne, přeruší dráty cívek na vnějších transformátorových pásech. Řezání generuje elektrický proud v cívkách ve tvaru vnějších pásů a elektronika může tento proud měřit, aby odvodila úhly.
Levné systémy někdy používají čárové kódy pro snímání orientace a k napájení plošiny používají solární články nebo jediný transformátor. Některé malé rakety napájejí plošinu světlem z okna nebo optickými vlákny k motoru. Tématem výzkumu je zavěšení plošiny pomocí tlaku výfukových plynů. Data se vracejí do vnějšího světa prostřednictvím transformátorů nebo někdy LED diod komunikujících s externími fotodiodami.
Popruhové systémyEdit
Lehké digitální počítače umožňují odstranit kardany a vytvořit popruhové systémy, které se tak nazývají proto, že jejich senzory jsou jednoduše připoutány k vozidlu. To snižuje náklady, odstraňuje zablokování kardanu, odstraňuje potřebu některých kalibrací a zvyšuje spolehlivost tím, že odpadají některé pohyblivé části. Snímače úhlové rychlosti nazývané rychlostní gyroskopy měří úhlovou rychlost vozidla.
Připoutaný systém potřebuje dynamický rozsah měření několikasetnásobně větší, než vyžaduje systém s kardanovým závěsem. To znamená, že musí integrovat změny polohy vozidla v náklonu, náklonu a odklonu, stejně jako hrubé pohyby. Gimballed systémy si obvykle vystačí s frekvencí aktualizace 50-60 Hz. Systémy s upoutáním se však běžně aktualizují přibližně na 2 000 Hz. Vyšší rychlost je nutná, aby navigační systém mohl přesně integrovat úhlovou rychlost do polohy.
Související algoritmy aktualizace dat (směrové kosiny nebo kvaterniony) jsou příliš složité na to, aby je bylo možné přesně provádět jinak než pomocí digitální elektroniky. Digitální počítače jsou však nyní natolik levné a rychlé, že systémy rate gyroskopů lze nyní prakticky používat a sériově vyrábět. Lunární modul Apollo používal ve svém záložním systému AGS (Abort Guidance System) páskový systém.
Páskové systémy se dnes běžně používají v komerčních a vojenských aplikacích (letadla, lodě, ROV, rakety atd.). Nejmodernější strapdown systémy jsou založeny na prstencových laserových gyroskopech, vláknových optických gyroskopech nebo gyroskopech s hemisférickým rezonátorem. Využívají digitální elektroniku a pokročilé digitální filtrační techniky, jako je Kalmanův filtr.
Vyrovnání na základě pohybuUpravit
Orientaci gyroskopického systému lze někdy také jednoduše odvodit z historie jeho polohy (např. GPS). To je zejména případ letadel a automobilů, kde z vektoru rychlosti obvykle vyplývá orientace tělesa vozidla.
Například systém Align in Motion společnosti Honeywell představuje inicializační proces, kdy inicializace probíhá za pohybu letadla ve vzduchu nebo na zemi. Toho je dosaženo pomocí GPS a testu inerciální přiměřenosti, což umožňuje splnit komerční požadavky na integritu dat. Tento proces byl certifikován FAA pro obnovení čistého výkonu INS, který je ekvivalentní stacionárním postupům vyrovnání pro civilní lety trvající až 18 hodin. vyhýbá se potřebě baterií gyroskopu v letadle.
Vibrační gyroskopyEdit
Nejlevnější navigační systémy, určené pro použití v automobilech, mohou používat gyroskop s vibrační strukturou ke zjišťování změn směru a sběrač kilometrů k měření vzdálenosti ujeté po trati vozidla. Tento typ systému je mnohem méně přesný než INS vyšší třídy, ale je dostačující pro typické automobilové aplikace, kde je GPS primárním navigačním systémem a mrtvé počítání je potřeba pouze k vyplnění mezer v pokrytí GPS, když budovy nebo terén blokují satelitní signály.
Gyroskopy s polosférickým rezonátorem (gyroskopy z vinné sklenice nebo hřibové gyroskopy)Upravit
Pokud se v půlkulové rezonanční struktuře indukuje stojaté vlnění a poté se rezonanční struktura otáčí, kulové harmonické stojaté vlnění se vlivem Coriolisovy síly otáčí o úhel odlišný od křemenné rezonanční struktury. Pohyb vnějšího pouzdra vzhledem k obrazci stojaté vlny je úměrný celkovému úhlu natočení a lze jej snímat vhodnou elektronikou. Rezonátory systému jsou vyrobeny z taveného křemene díky jeho vynikajícím mechanickým vlastnostem. Elektrody, které řídí a snímají stojaté vlny, jsou uloženy přímo na samostatných křemenných strukturách, které obklopují rezonátor. Tyto gyroskopy mohou pracovat buď v režimu celého úhlu (což jim dává téměř neomezenou rychlost), nebo v režimu silového vyvážení, který udržuje stojatou vlnu v pevné orientaci vzhledem k pouzdru gyroskopu (což jim dává mnohem lepší přesnost).
Tento systém nemá téměř žádné pohyblivé části a je velmi přesný. Je však stále poměrně drahý vzhledem k ceně přesně broušených a leštěných dutých křemenných polokoulí. Společnost Northrop Grumman v současné době vyrábí IMU (inerciální měřicí jednotky) pro kosmické lodě, které používají HRG. Tyto IMU prokázaly od svého prvního použití v roce 1996 mimořádně vysokou spolehlivost. Společnost Safran vyrábí velké množství inerciálních systémů na bázi HRG určených pro širokou škálu aplikací.
Quartz rate sensorsEdit
Tyto výrobky zahrnují „vidlicové gyroskopy“. Zde je gyroskop konstruován jako elektronicky poháněná ladička, často vyrobená z jednoho kusu křemene nebo křemíku. Takové gyroskopy pracují v souladu s dynamickou teorií, podle níž při působení úhlové rychlosti na pohybující se těleso vzniká Coriolisova síla.
Tento systém je obvykle integrován na křemíkovém čipu. Má dvě hmotnostně vyvážené křemenné ladicí vidličky, uspořádané „rukojeť k rukojeti“, takže se síly vyruší. Hliníkové elektrody napařené na vidličky a základní čip pohánějí i snímají pohyb. Systém je vyrobitelný a levný. Protože křemen je rozměrově stabilní, může být systém přesný.
Při otáčení vidliček kolem osy rukojeti mají vibrace hrotů tendenci pokračovat ve stejné rovině pohybu. Tomuto pohybu musí odolávat elektrostatické síly z elektrod pod hroty. Měřením rozdílu kapacit mezi oběma hroty vidličky může systém určit rychlost úhlového pohybu.
Současná nejmodernější nevojenská technologie (k roku 2005) dokáže sestrojit malé polovodičové senzory, které mohou měřit pohyby lidského těla. Tato zařízení nemají žádné pohyblivé části a váží asi 50 gramů (2 unce).
Polovodičová zařízení využívající stejné fyzikální principy se používají pro stabilizaci obrazu v malých fotoaparátech nebo videokamerách. Mohou být extrémně malá, přibližně 5 milimetrů (0,20 palce), a jsou vyrobena pomocí technologií mikroelektromechanických systémů (MEMS).
MHD senzorUpravit
Senzory založené na magnetohydrodynamických principech lze použít k měření úhlových rychlostí.
MEMS gyroskopEdit
MEMS gyroskopy se při měření úhlové rychlosti obvykle spoléhají na Coriolisův jev. Skládá se z rezonující důkazní hmoty umístěné v křemíku. Gyroskop je na rozdíl od akcelerometru aktivní snímač. Zkušební těleso je tlačeno dopředu a dozadu hnacími hřebeny. Otáčením gyroskopu vzniká Coriolisova síla, která působí na hmotu, což má za následek pohyb v jiném směru. Pohyb v tomto směru je měřen elektrodami a představuje rychlost otáčení.
Prstencový laserový gyroskop (RLG)Upravit
Prstencový laserový gyroskop rozděluje paprsek laserového světla na dva paprsky v opačných směrech úzkými tunely v uzavřené kruhové optické dráze po obvodu trojúhelníkového bloku z teplotně stabilního skla Cervit s odraznými zrcadly umístěnými v každém rohu. Když se gyroskop otáčí určitou úhlovou rychlostí, vzdálenost, kterou každý paprsek urazí, se liší – kratší dráha je opačná, než se otáčí. Fázový posun mezi oběma paprsky lze měřit interferometrem a je úměrný rychlosti otáčení (Sagnacův jev).
V praxi může při nízkých rychlostech otáčení výstupní frekvence klesnout na nulu v důsledku zpětného rozptylu, který způsobí synchronizaci a uzamčení paprsků. Tomuto jevu se říká lock-in nebo laser-lock. Výsledkem je, že nedochází ke změně interferenčního obrazce, a tedy ani ke změně měření.
Pro odblokování protiběžných světelných paprsků mají laserové gyroskopy buď nezávislé světelné dráhy pro oba směry (obvykle u vláknových gyroskopů), nebo je laserový gyroskop namontován na piezoelektrickém ditherovém motoru, který rychle kmitá laserovým prstencem sem a tam kolem své vstupní osy přes oblast lock-in, aby došlo k rozpojení světelných vln.
Třesení je nejpřesnější, protože oba světelné paprsky používají přesně stejnou dráhu. Laserové gyroskopy si tedy zachovávají pohyblivé části, ale nepohybují se tak daleko.
Optické gyroskopy (FOG)Upravit
Novější varianta optického gyroskopu, vláknový optický gyroskop, používá externí laser a dva paprsky jdoucí opačným směrem (protichůdně) v dlouhých cívkách (několik kilometrů) optických vláken, přičemž fázový rozdíl obou paprsků se porovnává po jejich průchodu cívkami vláken.
Základní mechanismus, monochromatické laserové světlo pohybující se v opačných směrech a Sagnacův jev, je u FOG a RLG stejný, ale technické detaily se u FOG oproti dřívějším laserovým gyroskopům podstatně liší.
Přesné navinutí cívky optického vlákna je nutné k zajištění co nejpodobnějších drah světla v opačných směrech. FOG vyžaduje složitější kalibrace než laserový kruhový gyroskop, takže vývoj a výroba FOG je technicky náročnější než u RLG. FOG však netrpí zablokováním laseru při nízkých rychlostech a nemusí obsahovat žádné pohyblivé části, což zvyšuje maximální možnou přesnost a životnost FOG oproti ekvivalentnímu RLG.
Kyvadlové akcelerometryEdit
Základní, otevřený smyčkový akcelerometr se skládá z hmoty připevněné k pružině. Hmotnost je omezena tak, aby se pohybovala pouze v přímce s pružinou. Zrychlení způsobí vychýlení hmoty a měří se vzdálenost posunu. Zrychlení se odvodí z hodnot vzdálenosti výchylky, hmotnosti a konstanty pružiny. Systém musí být také tlumen, aby nedocházelo ke kmitání.Uzavřená smyčka akcelerometru dosahuje vyššího výkonu tím, že pomocí smyčky zpětné vazby ruší výchylku, a udržuje tak hmotnost téměř v klidu. Kdykoli se hmota vychýlí, smyčka zpětné vazby způsobí, že elektrická cívka působí na hmotu stejně zápornou silou, čímž se pohyb zruší. Zrychlení je odvozeno od velikosti působící záporné síly. Protože se hmota téměř nepohybuje, jsou účinky nelinearit pružinového a tlumicího systému značně omezeny. Kromě toho tento akcelerometr umožňuje zvětšit šířku pásma nad rámec vlastní frekvence snímacího prvku.
Oba typy akcelerometrů byly vyrobeny jako integrované mikrostroje na křemíkových čipech.
Senzory TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit)Upravit
Oddělení Úřadu pro mikrosystémové technologie (MTO) agentury DARPA pracuje na programu Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing), jehož cílem je navrhnout čipy TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit), které umožňují absolutní sledování polohy na jednom čipu bez navigace pomocí GPS.
Micro-PNT přidává vysoce přesné hlavní časovací hodiny integrované do čipu IMU (inerciální měřicí jednotky), čímž z něj činí čip časovací & inerciální měřicí jednotky. Čip TIMU integruje 3-osý gyroskop, 3-osý akcelerometr a 3-osý magnetometr společně s vysoce přesnými hlavními časovacími hodinami, takže může současně měřit sledovaný pohyb a kombinovat jej s časováním ze synchronizovaných hodin.