Gimballed gyrostabilized platformsRediger
I nogle systemer er de lineære accelerometre placeret på en gimballed gyrostabilized platform. Gimbalerne er et sæt af tre ringe, hver med et par lejer, der oprindeligt er retvinklede. De lader platformen dreje om en hvilken som helst rotationsakse (eller rettere sagt, de lader platformen bevare den samme orientering, mens køretøjet roterer rundt om den). Der er (normalt) to gyroskoper på platformen.
To gyroskoper bruges til at ophæve gyroskopisk præcession, dvs. et gyroskops tendens til at vride sig vinkelret på et inputmoment. Ved at montere et par gyroskoper (med samme rotationstræghed og med samme hastighed i modsatte retninger) i rette vinkler ophæves præcessionerne, og platformen vil modstå vridning.
Dette system gør det muligt at måle et køretøjs rulle-, pitch- og gabvinkler direkte ved lejerne af gimbalerne. Der kan anvendes relativt enkle elektroniske kredsløb til at addere de lineære accelerationer, fordi retningerne af de lineære accelerometre ikke ændres.
Den store ulempe ved denne ordning er, at den anvender mange dyre præcisionsmekaniske dele. Den har også bevægelige dele, der kan blive slidt eller blokere, og den er sårbar over for kardanlås. Det primære styresystem på Apollo-rumfartøjet anvendte en treakset gyrostabiliseret platform, der leverede data til Apollo-styringscomputeren. Manøvrer måtte planlægges omhyggeligt for at undgå kardanlåsning.
Væskeophængte gyrostabiliserede platformeRediger
Gimballåsning begrænser manøvreringen, og det ville være en fordel at fjerne kardanernes slipringe og lejer. Derfor bruger nogle systemer væskelagre eller et flydekammer til at montere en gyrostabiliseret platform. Disse systemer kan have en meget høj præcision (f.eks. Advanced Inertial Reference Sphere). Som alle gyrostabiliserede platforme kører dette system godt med forholdsvis langsomme computere med lav effekt.
Væske-lejerne er puder med huller, hvorigennem tryksat inert gas (f.eks. helium) eller olie presses mod platformens kugleformede skal. Væskelejerne er meget glatte, og den sfæriske platform kan dreje frit. Der er normalt fire lejeplader, der er monteret i en tetraedrisk opstilling for at støtte platformen.
I premium-systemer er vinkelsensorerne normalt specialiserede transformatorspoler, der er fremstillet i en strimmel på et fleksibelt trykt printkort. Flere spolestrimler er monteret på store cirkler omkring den sfæriske skal af den gyrostabiliserede platform. Elektronikken uden for platformen bruger lignende båndformede transformatorer til at aflæse de varierende magnetfelter, der produceres af transformatorerne, som er viklet rundt om den sfæriske platform. Hver gang et magnetfelt ændrer form eller bevæger sig, vil det klippe ledningerne i spolerne på de ydre transformatorstrimler. Klipningen genererer en elektrisk strøm i de eksterne båndformede spoler, og elektronikken kan måle denne strøm for at udlede vinkler.
Billige systemer anvender undertiden stregkoder til at registrere orienteringer og bruger solceller eller en enkelt transformer til at drive platformen. Nogle små missiler har drevet platformen med lys fra et vindue eller optiske fibre til motoren. Et forskningsemne er at ophænge platformen med tryk fra udstødningsgasser. Data sendes tilbage til omverdenen via transformatorerne eller undertiden lysdioder, der kommunikerer med eksterne fotodioder.
Strapdown-systemerRediger
Lette digitale computere gør det muligt at fjerne kardanerne og skabe strapdown-systemer, der kaldes sådan, fordi deres sensorer blot er spændt fast til køretøjet. Dette reducerer omkostningerne, eliminerer gimbal låsning, fjerner behovet for nogle kalibreringer og øger pålideligheden ved at eliminere nogle af de bevægelige dele. Vinkelhastighedssensorer, kaldet rategyroer, måler køretøjets vinkelhastighed.
Et strapdown-system har brug for et dynamisk måleområde, der er flere hundrede gange større end det, der kræves af et kardanophængt system. Det vil sige, at det skal integrere køretøjets holdningsændringer i pitch, roll og yaw samt grove bevægelser. Gimballed-systemer kan normalt klare sig godt med opdateringshastigheder på 50-60 Hz. Men strapdown-systemer opdateres normalt med ca. 2000 Hz. Den højere frekvens er nødvendig for at lade navigationssystemet integrere vinkelhastigheden i en holdning nøjagtigt.
De involverede dataopdateringsalgoritmer (retningskosiner eller quaternioner) er for komplekse til, at de kan udføres nøjagtigt undtagen af digital elektronik. Imidlertid er digitale computere nu så billige og hurtige, at rategyrosystemer nu kan anvendes praktisk og masseproduceres. Apollo-månemodulet anvendte et strapdown-system i sit backup Abort Guidance System (AGS).
Strapdown-systemer er i dag almindeligt anvendt i kommercielle og militære applikationer (fly, skibe, ROV’er, missiler osv.). De nyeste strapdown-systemer er baseret på ringlasergyroskoper, fiberoptiske gyroskoper eller halvkugleformede resonatorgyroskoper. De anvender digital elektronik og avancerede digitale filtreringsteknikker som f.eks. Kalman-filter.
Bevægelsesbaseret justeringRediger
Orienteringen af et gyroskopsystem kan undertiden også udledes blot af dets positionshistorik (f.eks. GPS). Dette er især tilfældet med fly og biler, hvor hastighedsvektoren normalt indebærer orienteringen af køretøjets krop.
For eksempel er Honeywells Align in Motion en initialiseringsproces, hvor initialiseringen sker, mens flyet er i bevægelse, i luften eller på jorden. Dette opnås ved hjælp af GPS og en inertial rimelighedstest, hvorved det er muligt at opfylde de kommercielle krav til dataintegritet. Denne proces er blevet FAA-certificeret til at genvinde ren INS-ydeevne svarende til stationære tilpasningsprocedurer for civile flyvetider på op til 18 timer, og den undgår behovet for gyroskopbatterier i flyet.
Vibrerende gyroskoperRediger
Lempelige navigationssystemer, der er beregnet til brug i biler, kan bruge et vibrerende strukturgyroskop til at registrere ændringer i kurs og kilometertælleren pickup til at måle den tilbagelagte distance langs køretøjets spor. Denne type system er langt mindre nøjagtigt end et INS af højere kvalitet, men det er tilstrækkeligt til den typiske bilapplikation, hvor GPS er det primære navigationssystem, og dødt regneri kun er nødvendigt for at udfylde huller i GPS-dækningen, når bygninger eller terræn blokerer satellitsignalerne.
Hæmisfæriske resonatorgyroer (vinglas- eller svampegyroer)Rediger
Hvis en stående bølge induceres i en hemisfærisk resonansstruktur og derefter roteres resonansstrukturen, roterer den sfæriske harmoniske stående bølge gennem en vinkel forskellig fra kvartsresonatorstrukturen på grund af corioliskraften. Bevægelsen af den ydre kasse i forhold til det stående bølgemønster er proportional med den samlede rotationsvinkel og kan registreres ved hjælp af passende elektronik. Systemets resonatorer er bearbejdet af smeltet kvarts på grund af dets fremragende mekaniske egenskaber. De elektroder, der driver og registrerer de stående bølger, er deponeret direkte på separate kvartskonstruktioner, der omgiver resonatoren. Disse gyroer kan fungere enten i en helvinkeltilstand (hvilket giver dem næsten ubegrænsede hastighedsmuligheder) eller i en kraftombalanceringstilstand, der holder den stående bølge i en fast orientering i forhold til gyrohuset (hvilket giver dem en meget bedre nøjagtighed).
Dette system har næsten ingen bevægelige dele og er meget nøjagtigt. Det er dog stadig relativt dyrt på grund af prisen på de præcisionsslebne og polerede hule kvartshæmisfærer af kvarts. Northrop Grumman fremstiller i øjeblikket IMU’er (inertiale måleenheder) til rumfartøjer, der anvender HRG’er. Disse IMU’er har vist ekstremt høj pålidelighed siden deres første anvendelse i 1996. Safran fremstiller et stort antal HRG-baserede inertialsystemer til en bred vifte af applikationer.
KvartssensorerRediger
Disse produkter omfatter “stemmegaffelgyroer”. Her er gyroen udformet som en elektronisk drevet stemmegaffel, der ofte fremstilles af et enkelt stykke kvarts eller silicium. Sådanne gyroer fungerer i overensstemmelse med den dynamiske teori om, at når der påføres en vinkelhastighed på et translaterende legeme, opstår der en corioliskraft.
Dette system er normalt integreret på en siliciumchip. Det har to masseafbalancerede kvartsstemmegafler, der er anbragt “håndtag mod håndtag”, så kræfterne ophæver hinanden. Aluminiumselektroder, der er fordampet på gaflerne og den underliggende chip, både driver og registrerer bevægelsen. Systemet kan både fremstilles og er billigt. Da kvarts er dimensionsstabil, kan systemet være nøjagtigt.
Da gaflerne vrides om skaftets akse, har tingenes vibrationer en tendens til at fortsætte i samme bevægelsesplan. Denne bevægelse skal modvirkes af elektrostatiske kræfter fra elektroderne under tænderne. Ved at måle forskellen i kapacitansen mellem de to tænder på en gaffel kan systemet bestemme hastigheden af vinkelbevægelsen.
Den nuværende avancerede ikke-militære teknologi (pr. 2005) kan bygge små faststofsensorer, der kan måle menneskers kropsbevægelser. Disse enheder har ingen bevægelige dele og vejer ca. 50 gram (2 ounces).
Solid-state-enheder, der anvender de samme fysiske principper, anvendes til billedstabilisering i små kameraer eller videokameraer. Disse kan være ekstremt små, omkring 5 millimeter (0,20 tommer), og er bygget med mikroelektromekaniske systemer (MEMS) teknologier.
MHD-sensorRediger
Sensorer baseret på magnetohydrodynamiske principper kan bruges til at måle vinkelhastigheder.
MEMS-gyroskopRediger
MEMS-gyroskoper er typisk afhængige af Coriolis-effekten til at måle vinkelhastighed. Det består af en resonansbevismasse monteret i silicium. Gyroskopet er, i modsætning til et accelerometer, en aktiv sensor. Prøvemassen skubbes frem og tilbage af drivkamme. En rotation af gyroskopet genererer en Corioliskraft, der virker på massen, hvilket resulterer i en bevægelse i en anden retning. Bevægelsen i denne retning måles af elektroder og repræsenterer omdrejningshastigheden.
Ringlasergyroskop (RLG)Edit
Et ringlasergyroskop opdeler en laserlysstråle i to stråler i modsatte retninger gennem smalle tunneler i en lukket cirkulær optisk bane rundt om omkredsen af en trekantet blok af temperaturstabilt Cervit-glas med reflekterende spejle placeret i hvert hjørne. Når gyroskopet roterer med en vis vinkelhastighed, bliver den afstand, som hver stråle tilbagelægger, forskellig, idet den kortere vej er modsat rotationsvejen. Faseforskydningen mellem de to stråler kan måles af et interferometer og er proportional med rotationshastigheden (Sagnac-effekten).
I praksis kan udgangsfrekvensen ved lave rotationshastigheder falde til nul som følge af tilbagespredning, der får strålerne til at synkronisere og låse sig sammen. Dette er kendt som en lock-in eller laser-lock. Resultatet er, at der ikke sker nogen ændring i interferensmønsteret og derfor ingen måleændring.
For at frigøre de modsat roterende lysstråler har lasergyroer enten uafhængige lysbaner for de to retninger (normalt i fiberoptiske gyroer), eller lasergyroet er monteret på en piezoelektrisk rystermotor, der hurtigt vibrerer laserringen frem og tilbage om sin indgangsakse gennem lock-in-området for at afkoble lysbølgerne.
Rystermotoren er den mest nøjagtige, fordi begge lysstråler bruger nøjagtigt den samme bane. Lasergyroer beholder således bevægelige dele, men de bevæger sig ikke så langt.
Fiberoptiske gyroer (FOG)Rediger
En nyere variation af det optiske gyroskop, det fiberoptiske gyroskop, bruger en ekstern laser og to stråler, der går i modsatte retninger (modstridende) i lange spoler (flere kilometer) af fiberoptiske filamenter, hvor faseforskellen mellem de to stråler sammenlignes efter deres rejse gennem spolerne af fibre.
Den grundlæggende mekanisme, monokromatisk laserlys, der bevæger sig i modsatrettede baner og Sagnac-effekten, er den samme i en FOG og en RLG, men de tekniske detaljer er væsentligt anderledes i FOG’en sammenlignet med tidligere lasergyroer.
Den præcise vikling af den fiberoptiske spole er nødvendig for at sikre, at lysets baner i modsatrettede retninger er så ens som muligt. FOG’en kræver mere komplekse kalibreringer end et laserringgyro, hvilket gør udviklingen og fremstillingen af FOG’er mere teknisk udfordrende end for et RLG. FOG’er lider imidlertid ikke af laserslør ved lave hastigheder og behøver ikke at indeholde bevægelige dele, hvilket øger den maksimale potentielle nøjagtighed og levetid for en FOG i forhold til en tilsvarende RLG.
Pendulære accelerometreRediger
Det grundlæggende, åbne loop-accelerometer består af en masse, der er fastgjort til en fjeder. Massen er tvunget til kun at bevæge sig i linje med fjederen. Acceleration forårsager udbøjning af massen, og forskydningsafstanden måles. Accelerationen er afledt af værdierne for udbøjningsafstanden, massen og fjederkonstanten. Systemet skal også dæmpes for at undgå svingninger. et accelerometer med lukket kredsløb opnår højere ydeevne ved at anvende et feedbackkredsløb til at ophæve udbøjningen og dermed holde massen næsten stationær. Når massen afbøjes, får feedbackkredsløbet en elektrisk spole til at påføre en lige så negativ kraft på massen, hvilket ophæver bevægelsen. Accelerationen beregnes ud fra størrelsen af den negative kraft, der påføres. Da massen næsten ikke bevæger sig, er virkningerne af fjeder- og dæmpningssystemets ikke-linearitet stærkt reduceret. Desuden giver dette accelerometer mulighed for en øget båndbredde ud over det registrerende elements egenfrekvens.
Både typer af accelerometre er blevet fremstillet som integrerede mikromaskiner på siliciumchips.
TIMU-sensorer (Timing & Inertial Measurement Unit) Rediger
DARPA’s Microsystems Technology Office (MTO) afdeling arbejder på et Micro-PNT-program (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) med henblik på at designe Timing & Inertial Measurement Unit (TIMU)-chips, der kan foretage absolut positionsbestemmelse på en enkelt chip uden GPS-assisteret navigation.
Micro-PNT tilføjer et meget nøjagtigt hovedtimingsur integreret i en IMU-chip (Inertial Measurement Unit), hvilket gør den til en Timing & Inertial Measurement Unit-chip. En TIMU-chip integrerer 3-akse gyroskop, 3-akse accelerometer og 3-akse magnetometer sammen med et meget nøjagtigt master timing clock, så den samtidig kan måle den fulgte bevægelse og kombinere den med timing fra det synkroniserede ur.