Kardaanisesti hyrrävakautetut alustat Muokkaa
Joidenkin järjestelmien lineaariset kiihtyvyysmittarit on sijoitettu kardaanisesti hyrrävakautetulle alustalle. Kardaanipyörät ovat kolmen renkaan sarja, joissa jokaisessa on pari laakeria, jotka ovat aluksi suorassa kulmassa. Ne antavat alustan kiertyä minkä tahansa pyörimisakselin ympäri (tai pikemminkin ne antavat alustan säilyttää saman suunnan ajoneuvon pyöriessä sen ympäri). Alustassa on (yleensä) kaksi gyroskooppia.
Kahta gyroskooppia käytetään kumoamaan gyroskooppinen prekessio, gyroskoopin taipumus kiertyä suorassa kulmassa syötettyyn vääntömomenttiin nähden. Asennettaessa pari gyroskooppia (joilla on sama pyörimisinertia ja jotka pyörivät samalla nopeudella vastakkaisiin suuntiin) suorassa kulmassa, prekessiot kumoutuvat ja alusta vastustaa kiertymistä.
Tämän järjestelmän avulla ajoneuvon kallistus-, nousu- ja kallistuskulmat voidaan mitata suoraan kardaanien laakereista. Lineaaristen kiihtyvyyksien yhteenlaskuun voidaan käyttää suhteellisen yksinkertaisia elektronisia piirejä, koska lineaaristen kiihtyvyysmittareiden suunnat eivät muutu.
Tämän järjestelmän suuri haittapuoli on, että siinä käytetään monia kalliita tarkkuusmekaanisia osia. Siinä on myös liikkuvia osia, jotka voivat kulua tai jumiutua, ja se on altis kardaanilukolle. Apollo-avaruusaluksen ensisijainen ohjausjärjestelmä käytti kolmiakselista gyrostabiloitua alustaa, joka syötti tietoja Apollo-ohjaustietokoneelle. Ohjausliikkeet oli suunniteltava huolellisesti kardaanilukon välttämiseksi.
Nestejousitetut gyrostabiloidut alustat Muokkaa
Kardaanilukko rajoittaa ohjausliikkeitä, ja olisi hyödyllistä poistaa kardaanien liukurenkaat ja laakerit. Siksi joissakin järjestelmissä käytetään nestelaakereita tai kellukekammiota gyrostabiloidun alustan kiinnittämiseen. Näillä järjestelmillä voi olla erittäin suuri tarkkuus (esim. Advanced Inertial Reference Sphere). Kuten kaikki gyrostabiloidut alustat, tämä järjestelmä toimii hyvin suhteellisen hitailla, pienitehoisilla tietokoneilla.
Nestelaakerit ovat tyynyjä, joissa on reikiä, joiden läpi paineistettu inertti kaasu (kuten helium) tai öljy painaa alustan pallomaista kuorta vasten. Nestelaakerit ovat hyvin liukkaita ja pallomainen alusta voi pyöriä vapaasti. Laakerityynyjä on yleensä neljä, ja ne on asennettu tetraedriseen järjestelyyn alustan tukemiseksi.
Premium-järjestelmissä kulma-anturit ovat yleensä erikoistuneita muuntajakeloja, jotka on tehty nauhoina joustavalle piirilevylle. Useita kelanauhoja on asennettu suurille kehille gyrostabiloidun alustan pallomaisen kuoren ympärille. Alustan ulkopuolella oleva elektroniikka käyttää samanlaisia nauhamaisia muuntajia lukemaan pallomaisen alustan ympärille käärittyjen muuntajien tuottamia vaihtelevia magneettikenttiä. Aina kun magneettikenttä muuttaa muotoaan tai liikkuu, se katkaisee ulkoisten muuntajaliuskojen käämien johdot. Leikkaus synnyttää sähkövirran ulkoisissa nauhamaisissa käämeissä, ja elektroniikka voi mitata tätä virtaa kulmien johtamiseksi.
Halvat järjestelmät käyttävät joskus viivakoodeja suunnan tunnistamiseen ja käyttävät aurinkokennoja tai yhtä muuntajaa alustan virranlähteenä. Joissakin pienissä ohjuksissa alustan virranlähteenä on käytetty ikkunasta tulevaa valoa tai optisia kuituja moottoriin. Tutkimusaiheena on alustan ripustaminen pakokaasujen paineella. Tieto palautetaan ulkomaailmaan muuntajien tai joskus ulkoisten fotodiodien kanssa kommunikoivien LEDien välityksellä.
Strapdown-järjestelmätMuutos
Kevyet digitaaliset tietokoneet mahdollistavat kardaanien poistamisen, jolloin syntyy strapdown-järjestelmiä, joita kutsutaan niin, koska niiden anturit on yksinkertaisesti kiinnitetty ajoneuvoon. Tämä alentaa kustannuksia, poistaa kardaanin lukituksen, poistaa joidenkin kalibrointien tarpeen ja lisää luotettavuutta poistamalla joitakin liikkuvia osia. Kulmanopeusanturit, joita kutsutaan nopeushyrroiksi, mittaavat ajoneuvon kulmanopeutta.
Hihnaan kiinnitettävän järjestelmän dynaaminen mittausalue on useita satoja kertoja suurempi kuin kardaanijärjestelmän. Toisin sanoen sen on integroitava ajoneuvon asentomuutokset kallistuksessa, kallistuksessa ja kallistuksessa sekä bruttoliikkeet. Kardaanipyörillä varustetut järjestelmät pärjäävät yleensä hyvin 50-60 Hz:n päivitysnopeudella. Kiinni kiinnitetyt järjestelmät päivittyvät kuitenkin yleensä noin 2000 Hz:n taajuudella. Suurempi taajuus tarvitaan, jotta navigointijärjestelmä voi integroida kulmanopeuden asentoon tarkasti.
Tietojen päivitysalgoritmit (suuntakosiinit tai kvaternionit) ovat liian monimutkaisia, jotta niitä voitaisiin toteuttaa tarkasti vain digitaalisella elektroniikalla. Digitaaliset tietokoneet ovat kuitenkin nykyään niin edullisia ja nopeita, että nopeushyrräjärjestelmiä voidaan nyt käytännössä käyttää ja valmistaa massatuotantona. Apollo-kuumoduulissa käytettiin strapdown-järjestelmää sen varajärjestelmänä Abort Guidance System (AGS).
Strapdown-järjestelmiä käytetään nykyään yleisesti kaupallisissa ja sotilaallisissa sovelluksissa (lentokoneet, laivat, ROV:t, ohjukset jne.). Nykyaikaiset kiinnitysjärjestelmät perustuvat rengaslasergyroskooppeihin, kuituoptisiin gyroskooppeihin tai hemisfäärisiin resonaattorigyroskooppeihin. Niissä käytetään digitaalielektroniikkaa ja kehittyneitä digitaalisia suodatustekniikoita, kuten Kalman-suodatinta.
Liikkeeseen perustuva kohdistus Muokkaa
Gyroskooppijärjestelmän suuntaus voidaan joskus päätellä myös yksinkertaisesti sen sijaintitiedoista (esim. GPS). Näin on erityisesti lentokoneiden ja autojen kohdalla, joissa nopeusvektorista voidaan yleensä päätellä ajoneuvon rungon suunta.
Esimerkiksi Honeywellin Align in Motion -ohjelmassa alustaminen tapahtuu lentokoneen liikkuessa, ilmassa tai maassa. Tämä toteutetaan GPS:n ja inertiaalisen järkevyystestin avulla, mikä mahdollistaa kaupallisten tietojen eheysvaatimusten täyttämisen. Prosessi on FAA:n sertifioima siten, että se palauttaa INS:n puhdasta suorituskykyä, joka vastaa paikallaan pysyviä linjausmenetelmiä, jopa 18 tunnin siviililentoaikoina, ja sillä vältetään gyroskooppiparistojen tarve ilma-aluksessa.
Värähtelevät gyroskoopit Muokkaa
Autoissa käytettäväksi tarkoitetut edulliset navigointijärjestelmät voivat käyttää värähtelevän rakenteen gyroskooppia havaitsemaan suunnan muutoksia ja matkamittarin noutoa mittaamaan ajoneuvon radalla kuljettua matkaa. Tämäntyyppinen järjestelmä on paljon epätarkempi kuin kalliimpi INS, mutta se on riittävä tyypillisessä autosovelluksessa, jossa GPS on ensisijainen navigointijärjestelmä ja umpimähkäistä laskentaa tarvitaan vain täyttämään GPS:n kattavuuden aukkoja, kun rakennukset tai maasto estävät satelliittisignaalien kulun.
Puolipallon muotoiset resonaattorihyrryt (viinilasi- tai sienihyrryt)Muokkaa
Jos puolipallonmuotoiseen resonaattorirakenteeseen indusoidaan seisova aalto ja sen jälkeen resonaattorirakennetta kierretään, pallomainen harmoninen seisova aalto pyörii Coriolis-voiman vuoksi eri kulman kautta kuin kvartsiresonaattorirakenne. Ulkokotelon liike suhteessa seisovan aallon rakenteeseen on verrannollinen kokonaiskiertokulmaan, ja se voidaan havaita sopivalla elektroniikalla. Järjestelmän resonaattorit on valmistettu sulatetusta kvartsista sen erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien vuoksi. Seisovia aaltoja ohjaavat ja havaitsevat elektrodit on sijoitettu suoraan erillisiin kvartsirakenteisiin, jotka ympäröivät resonaattoria. Nämä gyroskoopit voivat toimia joko kokokulmamoodissa (mikä antaa niille lähes rajoittamattoman nopeuskapasiteetin) tai voimatasapainomoodissa, joka pitää seisovan aallon kiinteässä suunnassa suhteessa gyroskoopin koteloon (mikä antaa niille paljon paremman tarkkuuden).
Tämässä järjestelmässä ei ole melkein lainkaan liikkuvia osia ja se on erittäin tarkka. Se on kuitenkin edelleen suhteellisen kallis, koska tarkkuushiotut ja kiillotetut ontot kvartsipuoliskot ovat kalliita. Northrop Grumman valmistaa tällä hetkellä IMU:ita (inertiamittausyksiköt) HRG:tä käyttäviin avaruusaluksiin. Nämä IMU:t ovat osoittaneet erittäin suurta luotettavuutta siitä lähtien, kun niitä alettiin käyttää vuonna 1996. Safran valmistaa suuria määriä HRG-pohjaisia inertiajärjestelmiä, jotka on tarkoitettu monenlaisiin sovelluksiin.
KvartsinopeusanturitMuutos
Tuotteisiin kuuluvat myös ”virityshaarukkahyrrät”. Tässä tapauksessa hyrrä on suunniteltu elektronisesti ohjatuksi virityshaarukaksi, joka on usein valmistettu yhdestä kvartsi- tai piipalasta. Tällaiset gyroskoopit toimivat sen dynaamisen teorian mukaisesti, että kun siirtyvään kappaleeseen kohdistetaan kulmanopeus, syntyy Coriolisvoima.
Tämä järjestelmä on yleensä integroitu piisirulle. Siinä on kaksi massatasapainotettua kvartsivirityshaarukkaa, jotka on sijoitettu ”kahvasta kahvaan” siten, että voimat kumoavat voimat. Haarukoihin ja niiden alla olevaan siruun höyrystetyt alumiinielektrodit sekä ohjaavat että aistivat liikettä. Järjestelmä on sekä valmistettavissa että edullinen. Koska kvartsi on mittasuhteiltaan stabiili, järjestelmä voi olla tarkka.
Kun haarukoita kierretään kahvan akselin ympäri, piikkien värähtely pyrkii jatkumaan samassa liiketasossa. Tätä liikettä on vastustettava piikkien alla olevien elektrodien sähköstaattisilla voimilla. Mittaamalla haarukan kahden piikin välisen kapasitanssin eron järjestelmä voi määrittää kulmaliikkeen nopeuden.
Nykyaikaisella ei-sotilaallisella tekniikalla (vuonna 2005) voidaan rakentaa pieniä puolijohdeantureita, joilla voidaan mitata ihmiskehon liikkeitä. Näissä laitteissa ei ole liikkuvia osia, ja ne painavat noin 50 grammaa.
Samoja fysikaalisia periaatteita käyttäviä solid-state-laitteita käytetään kuvan vakauttamiseen pienissä kameroissa tai videokameroissa. Ne voivat olla erittäin pieniä, noin 5 millimetriä (0,20 tuumaa), ja ne rakennetaan mikroelektromekaanisten järjestelmien (MEMS) tekniikoilla.
MHD-anturiMuokkaa
Magnetohydrodynaamisiin periaatteisiin perustuvilla antureilla voidaan mitata kulmanopeuksia.
MEMS-gyroskooppiEdit
MEMS-gyroskoopit luottavat tyypillisesti Coriolis-ilmiöön kulmanopeuden mittaamisessa. Se koostuu piihin asennetusta resonoivasta todistusmassasta. Gyroskooppi on, toisin kuin kiihtyvyysanturi, aktiivinen anturi. Todistusmassaa työnnetään edestakaisin ajokammoilla. Gyroskoopin pyöriminen synnyttää massaan vaikuttavan Coriolis-voiman, joka aiheuttaa liikkeen eri suuntaan. Tämänsuuntaista liikettä mitataan elektrodeilla ja se edustaa pyörimisnopeutta.
Rengaslasergyroskooppi (RLG)Edit
Rengaslasergyroskooppi jakaa laservalonsäteen kahdeksi vastakkaisiin suuntiin suuntautuvaksi säteeksi kapeiden tunneleiden läpi suljetulla ympyränmuotoisella optisella tiellä, joka kiertää lämpötilaltaan stabiilista Cervit-lasista valmistetun kolmion muotoisen lohkon, jonka jokaiseen kulmaan on sijoitettu heijastavat peilit. Kun hyrrä pyörii tietyllä kulmanopeudella, kummankin säteen kulkema matka muuttuu erilaiseksi – lyhyempi reitti on vastakkainen pyörimisnopeudelle. Kahden säteen välinen vaihesiirtymä voidaan mitata interferometrillä, ja se on verrannollinen pyörimisnopeuteen (Sagnac-ilmiö).
Käytännössä pienillä pyörimisnopeuksilla ulostulotaajuus voi laskea nollaan takaisinsironnan seurauksena, jolloin säteet synkronoituvat ja lukkiutuvat toisiinsa. Tätä kutsutaan lukkiutumiseksi tai laserlukkiutumiseksi. Tuloksena on, että interferenssikuvio ei muutu eikä mittaus siten muutu.
Vastakkain pyörivien valonsäteiden lukituksen purkamiseksi laserhyrrissä on joko toisistaan riippumattomat valoreitit molempiin suuntiin (yleensä kuituoptisissa hyrrissä) tai laserhyrrä on asennettu pietsosähköiseen värähtelymoottoriin, joka värähtelee laserrengasta nopeasti edestakaisin tuloakselinsa ympäri lock-in-alueen läpi valoaaltojen irrottamiseksi lukituksesta.
Värähtelymoottori on tarkin, koska kumpikin valonsäde kulkee tarkalleen ottaen samaa reittiä. Näin ollen laserhyrrissä säilyvät liikkuvat osat, mutta ne eivät liiku yhtä pitkälle.
Kuituoptiset gyroskoopit (FOG)Muokkaa
Optisen gyroskoopin uudempi muunnelma, kuituoptinen gyroskooppi, käyttää ulkoista laseria ja kahta sädettä, jotka kulkevat vastakkaisiin suuntiin (vastakkaissuuntaisesti etenevinä) pitkissä (useita kilometrejä) kuitukuidun filamenttikeloissa, ja näiden kahden säteen vaihe-eroa verrataan sen jälkeen, kun ne ovat kulkeneet kuitukelojen läpi.
Perusmekanismi, vastakkaisia reittejä kulkeva monokromaattinen laservalo ja Sagnac-ilmiö, on sama FOG:ssä ja RLG:ssä, mutta tekniset yksityiskohdat eroavat FOG:ssä olennaisesti aikaisempiin laserhyrrätekniikoihin verrattuna.
Kuituoptiikkakäämin tarkka käämitys vaaditaan, jotta varmistetaan, että valon vastakkaisiin suuntiin kulkemat reitit ovat mahdollisimman samanlaiset. FOG vaatii monimutkaisempia kalibrointeja kuin laserrengashyrrä, joten FOG:n kehittäminen ja valmistus on teknisesti haastavampaa kuin RLG:n. FOG:t eivät kuitenkaan kärsi laserlukkiutumisesta alhaisilla nopeuksilla eikä niissä tarvitse olla liikkuvia osia, mikä lisää FOG:n potentiaalista enimmäistarkkuutta ja käyttöikää verrattuna vastaavaan RLG:hen.
PendelikiihtyvyysmittaritEdit
Perus, avoimen silmukan kiihtyvyysmittari koostuu jouseen kiinnitetystä massasta. Massa on pakotettu liikkumaan vain jousen suuntaisesti. Kiihtyvyys aiheuttaa massan taipumisen ja offset-matka mitataan. Kiihtyvyys saadaan taipumaetäisyyden, massan ja jousivakion arvoista. Suljetun silmukan kiihtyvyysmittarilla saavutetaan parempi suorituskyky käyttämällä takaisinkytkentäsilmukkaa taipuman kumoamiseksi, jolloin massa pysyy lähes paikallaan. Aina kun massa taipuu, takaisinkytkentäsilmukka saa aikaan sen, että sähköinen kela kohdistaa massaan yhtä negatiivisen voiman, joka kumoaa liikkeen. Kiihtyvyys saadaan negatiivisen voiman määrästä. Koska massa tuskin liikkuu, jousi- ja vaimennusjärjestelmän epälineaarisuuden vaikutukset vähenevät huomattavasti. Lisäksi tämä kiihtyvyysmittari mahdollistaa suuremman kaistanleveyden kuin anturielementin ominaistaajuus.
Kummankin tyyppisiä kiihtyvyysmittareita on valmistettu integroituina mikrokoneina piisiruilla.
TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit) -anturitEdit
DARPA:n Microsystems Technology Office (MTO) -osasto työskentelee Micro-PNT-ohjelman (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) parissa, jonka tarkoituksena on suunnitella Timing & Inertial Measurement Unit (TIMU) -järjestelmäpiirejä, jotka suorittavat absoluuttisen sijainninseurannan yhdellä ainoalla mikrosirulla ilman GPS:n avulla tapahtuvaa navigointia.
Micro-PNT lisää IMU (Inertiamittausyksikkö) -piiriin integroidun erittäin tarkan pääaikakellon, mikä tekee siitä Timing & Inertiamittausyksikkö -piirin. TIMU-siru integroi 3-akselisen gyroskoopin, 3-akselisen kiihtyvyysmittarin ja 3-akselisen magnetometrin yhdessä erittäin tarkan pääaikakellon kanssa, jotta se voi samanaikaisesti mitata seuratun liikkeen ja yhdistää sen synkronoidusta kellosta saatavaan ajoitukseen.