Kardanische kreiselstabilisierte PlattformenBearbeiten
Bei einigen Systemen sind die linearen Beschleunigungsmesser auf einer kardanischen kreiselstabilisierten Plattform angebracht. Die kardanische Aufhängung besteht aus drei Ringen mit je einem Paar von Lagern, die zunächst rechtwinklig zueinander stehen. Sie ermöglichen es der Plattform, sich um jede beliebige Drehachse zu drehen (oder besser gesagt, sie sorgen dafür, dass die Plattform die gleiche Ausrichtung behält, während sich das Fahrzeug um sie dreht). Auf der Plattform befinden sich (in der Regel) zwei Kreisel.
Zwei Kreisel werden verwendet, um die gyroskopische Präzession auszugleichen, d. h. die Tendenz eines Kreisels, sich rechtwinklig zu einem Eingangsdrehmoment zu drehen. Durch die rechtwinklige Anbringung von zwei Kreiseln (mit gleicher Rotationsträgheit und gleicher Drehgeschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung) werden die Präzessionen aufgehoben, und die Plattform kann sich nicht verdrehen.
Mit diesem System können die Roll-, Nick- und Gierwinkel eines Fahrzeugs direkt an den Lagern der Kardanringe gemessen werden. Für die Addition der linearen Beschleunigungen können relativ einfache elektronische Schaltungen verwendet werden, da sich die Richtungen der linearen Beschleunigungsmesser nicht ändern.
Der große Nachteil dieses Systems besteht darin, dass es viele teure mechanische Präzisionsteile verwendet. Außerdem hat es bewegliche Teile, die sich abnutzen oder blockieren können, und ist anfällig für eine Kardansperre. Das primäre Lenksystem des Apollo-Raumschiffs verwendete eine dreiachsige kreiselstabilisierte Plattform, die Daten an den Apollo-Lenkungscomputer lieferte. Manöver mussten sorgfältig geplant werden, um eine Kardanverriegelung zu vermeiden.
Flüssigkeitsgelagerte kreiselstabilisierte PlattformenEdit
Die Kardanverriegelung schränkt das Manövrieren ein, und es wäre von Vorteil, die Schleifringe und Lager der Kardanringe zu eliminieren. Daher verwenden einige Systeme Flüssigkeitslager oder eine Schwimmkammer zur Befestigung einer kreiselstabilisierten Plattform. Diese Systeme können sehr hohe Genauigkeiten aufweisen (z. B. Advanced Inertial Reference Sphere). Wie alle gyrostabilisierten Plattformen läuft auch dieses System gut mit relativ langsamen Computern mit geringer Leistung.
Die Flüssigkeitslager sind Pads mit Löchern, durch die unter Druck stehendes Inertgas (z. B. Helium) oder Öl gegen die kugelförmige Schale der Plattform gedrückt wird. Die Flüssigkeitslager sind sehr gleitfähig und die kugelförmige Plattform kann sich frei drehen. In der Regel gibt es vier Lagerkissen, die in einer tetraedrischen Anordnung montiert sind, um die Plattform zu stützen.
In hochwertigen Systemen sind die Winkelsensoren in der Regel spezielle Transformatorspulen, die in einem Streifen auf einer flexiblen Leiterplatte angebracht sind. Mehrere Spulenstreifen sind auf Großkreisen um die kugelförmige Hülle der kreiselstabilisierten Plattform montiert. Die Elektronik außerhalb der Plattform verwendet ähnliche streifenförmige Transformatoren, um die wechselnden Magnetfelder zu erfassen, die von den um die kugelförmige Plattform gewickelten Transformatoren erzeugt werden. Immer wenn ein Magnetfeld seine Form ändert oder sich bewegt, werden die Drähte der Spulen auf den externen Transformatorstreifen durchtrennt. Der Schnitt erzeugt einen elektrischen Strom in den externen streifenförmigen Spulen, und die Elektronik kann diesen Strom messen, um die Winkel abzuleiten.
Billige Systeme verwenden manchmal Strichcodes, um die Ausrichtung zu erfassen, und verwenden Solarzellen oder einen einzelnen Transformator zur Stromversorgung der Plattform. Einige kleine Raketen haben die Plattform mit Licht aus einem Fenster oder mit Glasfasern zum Motor angetrieben. Ein Forschungsthema ist die Aufhängung der Plattform durch den Druck von Abgasen. Die Daten werden über Transformatoren oder manchmal über LEDs, die mit externen Fotodioden kommunizieren, an die Außenwelt zurückgegeben.
Strapdown-SystemeBearbeiten
Leichtgewichtige Digitalcomputer ermöglichen es, die Kardanringe zu eliminieren und Strapdown-Systeme zu schaffen, die so genannt werden, weil ihre Sensoren einfach an das Fahrzeug geschnallt werden. Dies senkt die Kosten, eliminiert die Kardanverriegelung, macht einige Kalibrierungen überflüssig und erhöht die Zuverlässigkeit, da einige der beweglichen Teile wegfallen. Winkelgeschwindigkeitssensoren, so genannte Rate Gyros, messen die Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs.
Ein Strapdown-System benötigt einen dynamischen Messbereich, der mehrere hundert Mal größer ist als der eines kardanischen Systems. Das heißt, es muss die Lageänderungen des Fahrzeugs in Nicken, Rollen und Gieren sowie die groben Bewegungen integrieren. Kardanische Systeme können in der Regel mit Aktualisierungsraten von 50-60 Hz auskommen. Bei Strapdown-Systemen liegt die Aktualisierungsrate jedoch normalerweise bei etwa 2000 Hz. Die höhere Rate ist erforderlich, damit das Navigationssystem die Winkelgeschwindigkeit genau in die Fluglage integrieren kann.
Die Algorithmen für die Datenaktualisierung (Richtungskosinus oder Quaternionen) sind zu komplex, als dass sie ohne digitale Elektronik genau durchgeführt werden könnten. Allerdings sind Digitalcomputer heute so preiswert und schnell, dass Kreiselsysteme praktisch eingesetzt und in Massenproduktion hergestellt werden können. Die Apollo-Mondlandefähre verwendete ein Strapdown-System in ihrem Abort Guidance System (AGS).
Strapdown-Systeme werden heute häufig in kommerziellen und militärischen Anwendungen (Flugzeuge, Schiffe, ROVs, Raketen usw.) eingesetzt. Moderne Strapdown-Systeme basieren auf Ringlaser-Gyroskopen, faseroptischen Gyroskopen oder halbkugelförmigen Resonator-Gyroskopen. Sie verwenden digitale Elektronik und fortschrittliche digitale Filtertechniken wie den Kalman-Filter.
Bewegungsbasierte AusrichtungBearbeiten
Die Ausrichtung eines Kreiselsystems kann manchmal auch einfach aus seiner Positionsgeschichte (z. B. GPS) abgeleitet werden. Dies ist insbesondere bei Flugzeugen und Autos der Fall, bei denen der Geschwindigkeitsvektor in der Regel die Ausrichtung des Fahrzeugkörpers impliziert.
Bei Honeywells Align in Motion handelt es sich beispielsweise um einen Initialisierungsprozess, bei dem die Initialisierung erfolgt, während sich das Flugzeug in der Luft oder am Boden bewegt. Dies geschieht mit Hilfe von GPS und einer Inertialprüfung, so dass die Anforderungen an die Datenintegrität erfüllt werden können. Dieses Verfahren wurde von der FAA zertifiziert, um eine reine INS-Leistung wiederherzustellen, die den stationären Ausrichtungsverfahren für zivile Flugzeiten von bis zu 18 Stunden entspricht.
VibrationskreiselBearbeiten
Preisgünstigere Navigationssysteme, die für den Einsatz in Kraftfahrzeugen bestimmt sind, können ein Vibrationskreisel verwenden, um Kursänderungen zu erkennen, und den Kilometerzähler, um die zurückgelegte Strecke des Fahrzeugs zu messen. Diese Art von System ist viel ungenauer als ein höherwertiges INS, aber es ist für die typische Automobilanwendung ausreichend, bei der GPS das primäre Navigationssystem ist und die Koppelnavigation nur benötigt wird, um Lücken in der GPS-Abdeckung zu füllen, wenn Gebäude oder das Gelände die Satellitensignale blockieren.
Halbkugel-Resonator-Kreisel (Weinglas- oder Pilzkreisel)Bearbeiten
Wird in einer halbkugelförmigen Resonanzstruktur eine stehende Welle induziert und dann die Resonanzstruktur gedreht, so dreht sich die sphärische harmonische stehende Welle aufgrund der Corioliskraft um einen anderen Winkel als die Quarzresonatorstruktur. Die Bewegung des Außengehäuses in Bezug auf das Stehwellenmuster ist proportional zum Gesamtdrehwinkel und kann durch geeignete Elektronik erfasst werden. Die Systemresonatoren werden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften aus Quarzglas gefertigt. Die Elektroden, die die stehenden Wellen antreiben und erfassen, sind direkt auf separate Quarzstrukturen aufgebracht, die den Resonator umgeben. Diese Kreisel können entweder in einem Ganzwinkelmodus arbeiten (was ihnen eine nahezu unbegrenzte Rate ermöglicht) oder in einem Kraftausgleichsmodus, der die stehende Welle in einer festen Ausrichtung in Bezug auf das Kreiselgehäuse hält (was ihnen eine viel bessere Genauigkeit verleiht).
Dieses System hat fast keine beweglichen Teile und ist sehr genau. Es ist jedoch aufgrund der Kosten für die präzisionsgeschliffenen und polierten hohlen Quarzhalbkugeln immer noch relativ teuer. Northrop Grumman stellt derzeit IMUs (Inertial Measurement Units) für Raumfahrzeuge her, die HRGs verwenden. Diese IMUs haben seit ihrem ersten Einsatz im Jahr 1996 eine extrem hohe Zuverlässigkeit bewiesen. Safran stellt eine große Anzahl von Trägheitssystemen auf HRG-Basis für eine Vielzahl von Anwendungen her.
QuarzfrequenzsensorenBearbeiten
Diese Produkte beinhalten „Stimmgabelkreisel“. Hier ist der Kreisel als elektronisch angetriebene Stimmgabel ausgeführt, die oft aus einem einzigen Stück Quarz oder Silizium hergestellt wird. Solche Kreisel arbeiten nach der dynamischen Theorie, wonach eine Corioliskraft entsteht, wenn eine Winkelgeschwindigkeit auf einen sich bewegenden Körper ausgeübt wird.
Dieses System ist in der Regel auf einem Siliziumchip integriert. Es besteht aus zwei masseausgeglichenen Quarz-Stimmgabeln, die „Griff an Griff“ angeordnet sind, so dass sich die Kräfte aufheben. Auf die Gabeln aufgedampfte Aluminiumelektroden und der darunter liegende Chip treiben die Bewegung an und erfassen sie. Das System ist sowohl herstellbar als auch kostengünstig. Da Quarz formstabil ist, kann das System genau sein.
Wenn die Gabeln um die Achse des Griffs gedreht werden, neigt die Vibration der Zinken dazu, sich in der gleichen Bewegungsebene fortzusetzen. Dieser Bewegung muss durch elektrostatische Kräfte von den Elektroden unter den Zinken entgegengewirkt werden. Durch Messung des Kapazitätsunterschieds zwischen den beiden Zinken einer Gabel kann das System die Geschwindigkeit der Winkelbewegung bestimmen.
Der aktuelle Stand der nicht-militärischen Technologie (Stand 2005) ermöglicht den Bau kleiner Festkörpersensoren, die die Bewegungen des menschlichen Körpers messen können. Diese Geräte haben keine beweglichen Teile und wiegen etwa 50 Gramm.
Festkörpergeräte, die die gleichen physikalischen Prinzipien nutzen, werden zur Bildstabilisierung in kleinen Kameras oder Camcordern eingesetzt. Diese können extrem klein sein, etwa 5 Millimeter (0,20 Zoll), und werden mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) gebaut.
MHD-SensorBearbeiten
Sensoren, die auf magnetohydrodynamischen Prinzipien basieren, können zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten verwendet werden.
MEMS-GyroskopBearbeiten
MEMS-Gyroskope nutzen typischerweise den Coriolis-Effekt zur Messung der Winkelgeschwindigkeit. Es besteht aus einer resonanzfähigen Masse, die in Silizium eingebaut ist. Das Gyroskop ist im Gegensatz zu einem Beschleunigungsmesser ein aktiver Sensor. Die Prüfmasse wird durch Antriebskämme hin und her geschoben. Eine Drehung des Gyroskops erzeugt eine Corioliskraft, die auf die Masse einwirkt und eine Bewegung in eine andere Richtung bewirkt. Die Bewegung in dieser Richtung wird durch Elektroden gemessen und stellt die Drehrate dar.
Ringlaserkreisel (RLG)Bearbeiten
Ein Ringlaserkreisel teilt einen Laserlichtstrahl in zwei Strahlen in entgegengesetzte Richtungen auf, die durch enge Tunnel in einem geschlossenen kreisförmigen optischen Pfad um den Umfang eines dreieckigen Blocks aus temperaturstabilem Cervitglas mit reflektierenden Spiegeln in jeder Ecke geführt werden. Wenn sich der Kreisel mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit dreht, wird die von den beiden Strahlen zurückgelegte Strecke unterschiedlich – der kürzere Weg verläuft entgegengesetzt zur Drehung. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Strahlen kann mit einem Interferometer gemessen werden und ist proportional zur Drehrate (Sagnac-Effekt).
In der Praxis kann die Ausgangsfrequenz bei niedrigen Drehraten durch Rückstreuung auf Null fallen, wodurch die Strahlen synchronisiert und miteinander verriegelt werden. Dies wird als „Lock-in“ oder „Laser-Lock“ bezeichnet. Dies hat zur Folge, dass sich das Interferenzmuster nicht verändert und somit auch die Messung nicht.
Um die gegenläufigen Lichtstrahlen zu entkoppeln, verfügen Laserkreisel entweder über unabhängige Lichtwege für die beiden Richtungen (in der Regel bei faseroptischen Kreiseln), oder der Laserkreisel ist auf einem piezoelektrischen Dithermotor montiert, der den Laserring schnell um seine Eingangsachse durch den Lock-in-Bereich hin- und herschwingt, um die Lichtwellen zu entkoppeln.
Der Shaker ist am genauesten, da beide Lichtstrahlen genau denselben Weg benutzen. Daher behalten Laserkreisel bewegliche Teile, aber sie bewegen sich nicht so weit.
Faseroptische Kreisel (FOG)Bearbeiten
Eine neuere Variante des optischen Kreisels, der Faserkreisel, verwendet einen externen Laser und zwei Strahlen, die sich in langen Spulen (mehrere Kilometer) aus Glasfaserkabel in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten, wobei die Phasendifferenz der beiden Strahlen nach ihrer Reise durch die Faserspulen verglichen wird.
Der grundlegende Mechanismus – monochromatisches Laserlicht, das sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitet, und der Sagnac-Effekt – ist bei einem FOG und einem RLG derselbe, aber die technischen Details unterscheiden sich beim FOG erheblich von früheren Laserkreiseln.
Die präzise Wicklung der Glasfaserspule ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die Wege, die das Licht in entgegengesetzten Richtungen nimmt, so ähnlich wie möglich sind. Der FOG erfordert komplexere Kalibrierungen als ein Laserkreisel, was die Entwicklung und Herstellung von FOGs technisch anspruchsvoller macht als bei einem RLG. Allerdings leiden FOGs bei niedrigen Geschwindigkeiten nicht unter Laser-Lock und müssen keine beweglichen Teile enthalten, was die maximale potenzielle Genauigkeit und Lebensdauer eines FOGs gegenüber einem entsprechenden RLG erhöht.
PendelbeschleunigungsmesserBearbeiten
Der einfache Beschleunigungsmesser mit offenem Regelkreis besteht aus einer Masse, die an einer Feder befestigt ist. Die Masse ist gezwungen, sich nur in der Linie der Feder zu bewegen. Die Beschleunigung bewirkt eine Auslenkung der Masse, und der Versatzweg wird gemessen. Die Beschleunigung wird aus den Werten des Auslenkungswegs, der Masse und der Federkonstante abgeleitet. Ein Beschleunigungsaufnehmer mit geschlossenem Regelkreis erreicht eine höhere Leistung, indem er eine Rückkopplungsschleife verwendet, um die Auslenkung zu kompensieren und die Masse nahezu stationär zu halten. Bei jeder Auslenkung der Masse bewirkt die Rückkopplungsschleife, dass eine elektrische Spule eine ebenso negative Kraft auf die Masse ausübt, wodurch die Bewegung aufgehoben wird. Die Beschleunigung ergibt sich aus dem Betrag der negativen Kraft, die ausgeübt wird. Da sich die Masse kaum bewegt, sind die Auswirkungen der Nichtlinearitäten des Feder- und Dämpfungssystems stark reduziert. Darüber hinaus bietet dieser Beschleunigungsmesser eine größere Bandbreite als die Eigenfrequenz des Sensorelements.
Beide Arten von Beschleunigungsmessern wurden als integrierte Mikromaschinen auf Siliziumchips hergestellt.
TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit) SensorenEdit
DARPA’s Microsystems Technology Office (MTO) Abteilung arbeitet an einem Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) Programm, um Timing & Inertial Measurement Unit (TIMU) Chips zu entwickeln, die absolute Positionsverfolgung auf einem einzigen Chip ohne GPS-gestützte Navigation ermöglichen.
Micro-PNT fügt einen hochpräzisen Master-Taktgeber hinzu, der in einen IMU-Chip (Inertial Measurement Unit) integriert ist und ihn zu einem Timing & Inertial Measurement Unit Chip macht. Ein TIMU-Chip integriert ein 3-Achsen-Gyroskop, einen 3-Achsen-Beschleunigungsmesser und einen 3-Achsen-Magnetometer zusammen mit einem hochpräzisen Master-Taktgeber, so dass er die verfolgte Bewegung gleichzeitig messen und mit dem Timing des synchronisierten Taktgebers kombinieren kann.