Kardánkerekes girostabilizált platformokSzerkesztés
Egyes rendszerek a lineáris gyorsulásmérőket kardánkerekes girostabilizált platformon helyezik el. A kardántengelyek három gyűrűből álló készletet alkotnak, amelyek mindegyike egy-egy, kezdetben derékszögben elhelyezett csapágypárral rendelkezik. Ezek lehetővé teszik, hogy a platform bármely forgástengely körül elforduljon (vagy inkább lehetővé teszik, hogy a platform megtartja ugyanazt az orientációt, miközben a jármű körülötte forog). A platformon (általában) két giroszkóp van.
A két giroszkópot a giroszkópos precesszió, azaz a giroszkóp hajlamának a bemeneti nyomatékkal derékszögben történő elfordulására való hajlamának megszüntetésére használják. Egy pár (azonos forgási tehetetlenségű és azonos sebességgel, ellentétes irányban forgó) giroszkóp derékszögben történő felszerelésével a precesszió megszűnik, és a platform ellenáll a csavarodásnak.
Ez a rendszer lehetővé teszi, hogy a jármű gördülési, dőlés- és állásszögét közvetlenül a kardánok csapágyainál mérjék. Viszonylag egyszerű elektronikus áramkörökkel összeadhatók a lineáris gyorsulások, mivel a lineáris gyorsulásmérők iránya nem változik.
A rendszer nagy hátránya, hogy sok drága precíziós mechanikai alkatrészt használ. Emellett mozgó alkatrészek is vannak benne, amelyek elhasználódhatnak vagy elakadhatnak, és érzékeny a kardántengely rögzítésére. Az Apollo űrhajó elsődleges irányítási rendszere háromtengelyes girostabilizált platformot használt, amely az adatokat az Apollo irányítószámítógépbe táplálta. A manővereket gondosan meg kellett tervezni, hogy elkerüljék a kardánelzárást.
Folyadék felfüggesztésű girostabilizált platformokSzerkesztés
A kardánelzárás korlátozza a manőverezést, és előnyös lenne a kardánok csúszógyűrűinek és csapágyainak kiküszöbölése. Ezért egyes rendszerek folyadékcsapágyakat vagy lebegőkamrát használnak a girostabilizált platform rögzítéséhez. Ezek a rendszerek nagyon nagy pontosságúak lehetnek (pl. Advanced Inertial Reference Sphere). Mint minden girostabilizált platform, ez a rendszer is jól működik viszonylag lassú, kis teljesítményű számítógépekkel.
A folyadékcsapágyak olyan lyukakkal ellátott párnák, amelyeken keresztül nyomás alatt lévő inert gáz (pl. hélium) vagy olaj nyomódik a platform gömbhéjához. A folyadékcsapágyak nagyon csúszósak, és a gömbplatform szabadon foroghat. Általában négy csapágybetét van, amelyek tetraéderes elrendezésben vannak felszerelve a platform alátámasztására.
A prémium rendszerekben a szögérzékelők általában speciális transzformátor-tekercsek, amelyek egy rugalmas nyomtatott áramköri lapon, csíkban készülnek. A girostabilizált platform gömbhéja köré több tekercscsíkot szerelnek nagy körökre. A platformon kívüli elektronika hasonló szalag alakú transzformátorokat használ a gömb alakú platform köré tekert transzformátorok által keltett változó mágneses mezők leolvasására. Amikor a mágneses mező megváltoztatja alakját, vagy elmozdul, az elvágja a külső transzformátorcsíkokon lévő tekercsek vezetékeit. A vágás elektromos áramot generál a külső szalag alakú tekercsekben, és az elektronika mérni tudja ezt az áramot, hogy szögeket származtasson.
Az olcsóbb rendszerek néha vonalkódokat használnak az orientáció érzékelésére, és napelemeket vagy egyetlen transzformátort használnak a platform energiaellátására. Néhány kis rakéta a platformot egy ablakból vagy optikai szálakból a motorhoz érkező fénnyel táplálja. Egy kutatási téma a platform felfüggesztése a kipufogógázok nyomásával. Az adatok a transzformátorokon, vagy néha a külső fotodiódákkal kommunikáló LED-eken keresztül jutnak vissza a külvilágba.
Strapdown rendszerekSzerkesztés
A könnyű digitális számítógépek lehetővé teszik a kardánok kiiktatását, létrehozva a strapdown rendszereket, amelyeket azért hívnak így, mert érzékelőiket egyszerűen a járműhöz szíjazzák. Ez csökkenti a költségeket, kiküszöböli a kardán rögzítését, megszünteti néhány kalibráció szükségességét, és növeli a megbízhatóságot a mozgó alkatrészek egy részének kiküszöbölésével. A szögsebesség-érzékelők, az úgynevezett sebességgiroszkópok a jármű szögsebességét mérik.
A hevederes rendszernek több százszor akkora dinamikus mérési tartományra van szüksége, mint egy kardánnal ellátott rendszernek. Azaz integrálnia kell a jármű dőlés-, gördülés- és görbülésbeli helyzetváltozásait, valamint a bruttó mozgásokat. A kardántengelyes rendszerek általában 50-60 Hz-es frissítési sebességgel is jól működnek. A hevederes rendszerek azonban általában 2000 Hz körüli frekvencián frissítenek. A magasabb frekvenciára azért van szükség, hogy a navigációs rendszer pontosan integrálhassa a szögsebességet a helyzetbe.
A vonatkozó adatfrissítési algoritmusok (iránykoszinuszok vagy kvaternionok) túl bonyolultak ahhoz, hogy csak digitális elektronikával lehessen pontosan elvégezni. A digitális számítógépek azonban ma már olyan olcsóak és gyorsak, hogy a sebességgiroszkópos rendszerek ma már gyakorlatilag alkalmazhatók és tömegesen gyárthatók. Az Apollo holdkompban a tartalék Abort Guidance System (AGS) rendszerben egy lefeszített rendszert használtak.
A lefeszített rendszereket manapság gyakran használják kereskedelmi és katonai alkalmazásokban (repülőgépek, hajók, ROV-ok, rakéták stb.). A legkorszerűbb leszorítórendszerek gyűrűs lézergiroszkópokon, száloptikai giroszkópokon vagy hemiszférikus rezonátoros giroszkópokon alapulnak. Digitális elektronikát és fejlett digitális szűrési technikákat, például Kálmán-szűrőt alkalmaznak.
Mozgásalapú igazításSzerkesztés
A giroszkópos rendszer orientációja néha egyszerűen a pozíciótörténetből (pl. GPS) is kikövetkeztethető. Ez különösen a repülőgépek és autók esetében van így, ahol a sebességvektorból általában következtetni lehet a járműtest orientációjára.
A Honeywell Align in Motion például egy olyan inicializálási folyamat, ahol az inicializálás a repülőgép mozgása közben történik, a levegőben vagy a földön. Ez a GPS és egy inerciális ésszerűségi vizsgálat segítségével történik, lehetővé téve ezzel a kereskedelmi adatok integritására vonatkozó követelmények teljesítését. Ezt az eljárást az FAA tanúsította, hogy akár 18 órán át tartó polgári repülési időre is visszaállítja a helyhez igazított eljárásokkal egyenértékű tiszta INS-teljesítményt.Ezzel elkerülhető, hogy a repülőgépen giroszkóp akkumulátorokra legyen szükség.
Vibráló giroszkópSzerkesztés
A gépkocsikban való használatra szánt, kevésbé költséges navigációs rendszerek az irányváltozások érzékelésére vibráló szerkezetű giroszkópot, a jármű nyomvonalán megtett távolság mérésére pedig kilométer-felvevőt használhatnak. Az ilyen típusú rendszer sokkal kevésbé pontos, mint egy magasabb kategóriájú INS, de megfelelő a tipikus autós alkalmazásokhoz, ahol a GPS az elsődleges navigációs rendszer, és a holtpontmérésre csak a GPS-lefedettség hiányosságainak pótlására van szükség, amikor épületek vagy terepviszonyok blokkolják a műholdas jeleket.
Félgömbrezonátoros giroszkópok (borospoharas vagy gombás giroszkópok)Szerkesztés
Ha egy félgömbrezonátoros szerkezetben állóhullámot indukálunk, majd a rezonátoros szerkezetet elforgatjuk, akkor a gömbharmonikus állóhullám a Coriolis-erő hatására a kvarcrezonátoros szerkezettől eltérő szögben elfordul. A külső burkolat mozgása az állóhullám-mintázathoz képest arányos a teljes forgási szöggel, és megfelelő elektronikával érzékelhető. A rendszer rezonátorai kiváló mechanikai tulajdonságai miatt olvasztott kvarcból vannak megmunkálva. Az állóhullámokat vezérlő és érzékelő elektródákat közvetlenül a rezonátort körülvevő különálló kvarcszerkezetekre helyezik. Ezek a giroszkópok vagy teljes szög üzemmódban (ami szinte korlátlan sebességet biztosít számukra), vagy erővisszahatásos üzemmódban működhetnek, amely az állóhullámot a giroszkóp házához képest rögzített orientációban tartja (ami sokkal jobb pontosságot biztosít).
Ez a rendszer szinte semmilyen mozgó alkatrésszel nem rendelkezik, és nagyon pontos. A precíziósan csiszolt és polírozott üreges kvarc félgömbök költségei miatt azonban még mindig viszonylag drága. A Northrop Grumman jelenleg IMU-kat (inerciális mérőegységeket) gyárt HRG-ket használó űrhajókhoz. Ezek az IMU-k rendkívül nagy megbízhatóságról tettek tanúbizonyságot 1996-os első alkalmazásuk óta. A Safran nagy számban gyárt HRG-alapú inerciális rendszereket, amelyek az alkalmazások széles skálájára vannak szánva.
Kvarc sebességérzékelőkSzerkesztés
Ezek közé a termékek közé tartoznak a “hangvillás giroszkópok”. Itt a giroszkópot elektronikusan meghajtott hangvillaként tervezik, amelyet gyakran egyetlen darab kvarcból vagy szilíciumból készítenek. Az ilyen giroszkópok annak a dinamikai elméletnek megfelelően működnek, hogy amikor egy mozgó testre szögsebességet alkalmaznak, Coriolis-erő keletkezik.
Ez a rendszer általában egy szilíciumchipbe van integrálva. Két tömegkiegyenlített kvarc hangvillával rendelkezik, amelyek “fogantyútól fogantyúig” vannak elrendezve, így az erők kioltják egymást. A villákra és az alatta lévő chipre párolt alumínium elektródák hajtják és érzékelik a mozgást. A rendszer gyártható és olcsó. Mivel a kvarc méretstabil, a rendszer pontos lehet.
Amint a villákat a fogantyú tengelye körül elforgatják, a fogak rezgése hajlamos ugyanabban a mozgássíkban folytatódni. Ennek a mozgásnak a fogak alatti elektródák elektrosztatikus erőivel kell ellenállni. A villa két tüskéje közötti kapacitáskülönbség mérésével a rendszer meghatározhatja a szögmozgás sebességét.
A jelenlegi legmodernebb nem katonai technológiával (2005-től) kis szilárdtest-érzékelők építhetők, amelyek képesek az emberi test mozgásának mérésére. Ezek az eszközök nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, és körülbelül 50 grammot nyomnak.
Az ugyanezen fizikai elveket alkalmazó szilárdtest-eszközöket kis fényképezőgépekben vagy videokamerákban képstabilizálásra használják. Ezek rendkívül kicsik lehetnek, körülbelül 5 milliméteresek (0,20 hüvelyk), és mikroelektromechanikus rendszerek (MEMS) technológiájával készülnek.
MHD érzékelőSzerkesztés
A magnetohidrodinamikai elveken alapuló érzékelők szögsebességek mérésére használhatók.
MEMS giroszkópSzerkesztés
A MEMS giroszkópok jellemzően a Coriolis-effektusra támaszkodnak a szögsebesség méréséhez. Egy szilíciumba szerelt rezonáló próbatömegből áll. A giroszkóp a gyorsulásmérővel ellentétben aktív érzékelő. A próbatömeget hajtófésűk tolják előre-hátra. A giroszkóp elfordulása a tömegre ható Coriolis-erőt generál, ami egy másik irányú mozgást eredményez. Az ebbe az irányba történő mozgást az elektródák mérik, és ez jelenti a fordulatszámot.
Gyűrűs lézergiroszkóp (RLG)Edit
A gyűrűs lézergiroszkóp a lézerfénysugarat két ellentétes irányú sugárra osztja fel keskeny alagutakon keresztül egy zárt kör alakú optikai útvonalon egy háromszög alakú, hőmérsékletstabil Cervit üvegből készült tömb kerülete körül, amelynek minden sarkában visszaverő tükrök vannak elhelyezve. Amikor a giroszkóp bizonyos szögsebességgel forog, az egyes sugarak által megtett távolság különbözővé válik – a rövidebb út a forgással ellentétes irányú. A két sugár közötti fáziseltolódás interferométerrel mérhető, és arányos a forgási sebességgel (Sagnac-effektus).
A gyakorlatban alacsony forgási sebességnél a kimeneti frekvencia nullára csökkenhet a visszaszórás következtében, ami a sugarak szinkronizálódását és egymáshoz rögzülését eredményezi. Ezt nevezik lock-in-nek vagy lézer-lock-nak. Ennek eredményeként az interferenciaminta nem változik, és így a mérés sem változik.
Az ellentétesen forgó fénysugarak feloldásához a lézergiroszkópok vagy független fényútvonalakkal rendelkeznek a két irányhoz (általában az üvegszálas giroszkópoknál), vagy a lézergiroszkópot egy piezoelektromos rázómotorra szerelik, amely a fényhullámok szétkapcsolása érdekében gyorsan előre-hátra rezegteti a lézergyűrűt a bemeneti tengelye körül a lock-in tartományon keresztül.
A rázómotor a legpontosabb, mert mindkét fénysugár pontosan ugyanazt az utat használja. Így a lézergiroszkópok megtartják a mozgó alkatrészeket, de nem mozognak olyan messzire.
Száloptikai giroszkópok (FOG)Szerkesztés
Az optikai giroszkóp újabb változata, a száloptikai giroszkóp egy külső lézert és két ellentétes irányú (ellenkező irányban terjedő) sugarat használ hosszú (több kilométeres) száloptikai szálakból álló orsókban, a két sugár fáziskülönbségét pedig a szálak orsókon való áthaladása után összehasonlítják.
Az alapvető mechanizmus, az ellentétes irányban haladó monokromatikus lézerfény és a Sagnac-effektus a FOG-ban és az RLG-ben ugyanaz, de a műszaki részletek a FOG-ban lényegesen különböznek a korábbi lézergiroszkópoktól.
A száloptikai tekercs pontos tekercselésére van szükség ahhoz, hogy a fény által az ellentétes irányban megtett utak a lehető leghasonlóbbak legyenek. A FOG bonyolultabb kalibrálást igényel, mint egy lézergyűrűs giroszkóp, így a FOG-ok fejlesztése és gyártása technikailag nagyobb kihívást jelent, mint egy RLG esetében. A FOG-ok azonban kis sebességnél nem szenvednek a lézerelzáródástól, és nem kell mozgó alkatrészeket tartalmazniuk, ami növeli a FOG maximális lehetséges pontosságát és élettartamát az egyenértékű RLG-vel szemben.
Penduláris gyorsulásmérőkSzerkesztés
Az alapvető, nyílt hurkú gyorsulásmérő egy rugóhoz rögzített tömegből áll. A tömeg csak a rugóval egy vonalban mozoghat. A gyorsulás hatására a tömeg elhajlik, és az eltolt távolságot mérjük. A gyorsulás a kitérési távolság, a tömeg és a rugóállandó értékeiből adódik. A rendszert csillapítani is kell a rezgés elkerülése érdekében.A zárt hurkú gyorsulásmérő nagyobb teljesítményt ér el, ha egy visszacsatolási hurok segítségével megszünteti a kitérést, és így a tömeget szinte mozdulatlanul tartja. Amikor a tömeg elhajlik, a visszacsatolási hurok hatására egy elektromos tekercs ugyanolyan negatív erőt fejt ki a tömegre, ami megszünteti a mozgást. A gyorsulás az alkalmazott negatív erő nagyságából adódik. Mivel a tömeg alig mozog, a rugó- és csillapítórendszer nemlinearitásának hatása nagymértékben csökken. Ezenkívül ez a gyorsulásmérő megnövelt sávszélességet biztosít az érzékelő elem sajátfrekvenciáján túl.
A gyorsulásmérők mindkét típusát szilíciumchipekre integrált mikrogépként gyártották.
TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit) érzékelőkSzerkesztés
A DARPA Microsystems Technology Office (MTO) részlege egy Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) programon dolgozik, amelynek célja olyan Timing & Inertial Measurement Unit (TIMU) chipek tervezése, amelyek egyetlen chipen abszolút pozíciókövetést végeznek GPS-alapú navigáció nélkül.
A Micro-PNT egy IMU (Inertial Measurement Unit) chipbe integrált, nagy pontosságú fő időzítő órát ad hozzá, így az egy Timing & Inertial Measurement Unit chip lesz. A TIMU chip integrálja a 3 tengelyes giroszkópot, a 3 tengelyes gyorsulásmérőt és a 3 tengelyes magnetométert egy nagy pontosságú fő időzítő órával együtt, így egyszerre képes mérni a követett mozgást és kombinálni azt a szinkronizált órából származó időzítéssel.