Gegimbalde gyrostabiele platformsEdit
Sommige systemen plaatsen de lineaire versnellingsmeters op een gegimbald gyrostabiel platform. De gimbals zijn een set van drie ringen, elk met een paar lagers die aanvankelijk in een rechte hoek staan. Zij laten het platform om elke rotatie-as draaien (of, beter gezegd, zij laten het platform dezelfde oriëntatie behouden terwijl het voertuig eromheen draait). Er zijn (gewoonlijk) twee gyroscopen op het platform.
Twee gyroscopen worden gebruikt om gyroscopische precessie op te heffen, de neiging van een gyroscoop om haaks op een invoerkoppel te draaien. Door een paar gyroscopen (met dezelfde rotatietraagheid en draaiend met dezelfde snelheid in tegengestelde richtingen) in rechte hoeken te monteren, wordt de precessie geannuleerd en zal het platform bestand zijn tegen verdraaiing.
Met dit systeem kunnen de rol-, pitch- en yaw-hoeken van een voertuig rechtstreeks worden gemeten bij de lagers van de gimbals. Relatief eenvoudige elektronische schakelingen kunnen worden gebruikt om de lineaire versnellingen op te tellen, omdat de richtingen van de lineaire versnellingsmeters niet veranderen.
Het grote nadeel van dit systeem is dat er veel dure mechanische precisie-onderdelen worden gebruikt. Het heeft ook bewegende delen die kunnen slijten of vastlopen en het is kwetsbaar voor gimbal lock. Het primaire geleidingssysteem van het Apollo ruimtevaartuig gebruikte een drie-assig gyrogestabiliseerd platform, dat gegevens doorgaf aan de Apollo geleidecomputer. Manoeuvres moesten zorgvuldig worden gepland om gimbal lock te vermijden.
Gyrostabiele platforms met vloeistof-ophangingEdit
Gimbal lock beperkt de manoeuvres en het zou gunstig zijn om de slipringen en lagers van de gimbals te elimineren. Daarom gebruiken sommige systemen vloeistoflagers of een drijfkamer om een gyrogestabiliseerd platform te monteren. Deze systemen kunnen een zeer hoge nauwkeurigheid hebben (b.v. Advanced Inertial Reference Sphere). Zoals alle gyrostabiele platforms werkt dit systeem goed met relatief langzame computers met een laag vermogen.
De vloeistoflagers zijn kussentjes met gaten waardoor onder druk gezet inert gas (zoals helium) of olie tegen de bolvormige schaal van het platform drukt. De vloeistoflagers zijn zeer glad en het sferische platform kan vrij draaien. Er zijn gewoonlijk vier lagerblokken, gemonteerd in een tetrahedrale opstelling om het platform te ondersteunen.
In hoogwaardige systemen zijn de hoeksensoren gewoonlijk gespecialiseerde transformatorspoelen die in een strip op een flexibele gedrukte schakeling zijn gemaakt. Verschillende spoelstrips zijn gemonteerd op grote cirkels rond de bolvormige schil van het gyrogestabiliseerde platform. De elektronica buiten het platform gebruikt soortgelijke stripvormige transformatoren om de variërende magnetische velden af te lezen die worden geproduceerd door de transformatoren die rond het bolvormige platform zijn gewikkeld. Telkens wanneer een magnetisch veld van vorm verandert, of beweegt, zal het de draden van de spoelen op de externe transformatorstrips doorsnijden. Het doorknippen genereert een elektrische stroom in de externe stripvormige spoelen en elektronica kan die stroom meten om hoeken af te leiden.
Cheapere systemen gebruiken soms streepjescodes om oriëntaties waar te nemen en gebruiken zonnecellen of een enkele transformator om het platform van stroom te voorzien. Sommige kleine raketten hebben het platform aangedreven met licht van een venster of optische vezels naar de motor. Een onderzoeksthema is de ophanging van het platform met druk van uitlaatgassen. De gegevens worden naar de buitenwereld teruggezonden via de transformatoren, of soms LED’s die communiceren met externe fotodiodes.
Strapdown systemenEdit
Lichtgewicht digitale computers maken het mogelijk de gimbals te elimineren, waardoor strapdown systemen ontstaan, zo genoemd omdat hun sensoren eenvoudigweg aan het voertuig worden vastgebonden. Dit vermindert de kosten, elimineert gimbal lock, verwijdert de noodzaak voor sommige kalibraties en verhoogt de betrouwbaarheid door het elimineren van een aantal van de bewegende delen. Hoeksnelheidsensoren, koersgyroscopen genaamd, meten de hoeksnelheid van het voertuig.
Een strapdown-systeem heeft een dynamisch meetbereik nodig dat enkele honderden malen groter is dan dat van een cardanisch systeem. Dat wil zeggen, het moet de houdingsveranderingen van het voertuig in toonhoogte, rol en gierbeweging, alsmede de brutobewegingen integreren. Systemen met cardanische ophanging kunnen meestal goed uit de voeten met een updatefrequentie van 50-60 Hz. Vastzetsystemen hebben echter gewoonlijk een updatefrequentie van ongeveer 2000 Hz. De hogere snelheid is nodig om het navigatiesysteem de hoeksnelheid nauwkeurig in een stand te laten integreren.
De betrokken algoritmen voor het bijwerken van gegevens (richting cosinussen of quaternionen) zijn te complex om nauwkeurig te worden uitgevoerd, behalve door digitale elektronica. Digitale computers zijn nu echter zo goedkoop en snel dat gyroscopen in de praktijk kunnen worden gebruikt en in massaproduktie kunnen worden vervaardigd. De Apollo maanmodule maakte gebruik van een strapdown systeem in zijn backup Abort Guidance System (AGS).
Strapdown systemen worden tegenwoordig algemeen gebruikt in commerciële en militaire toepassingen (vliegtuigen, schepen, ROV’s, raketten, enz.). De modernste strapdown-systemen zijn gebaseerd op ringlasergyroscopen, glasvezelgyroscopen of hemisferische resonatorgyroscopen. Zij maken gebruik van digitale elektronica en geavanceerde digitale filtertechnieken zoals het Kalman-filter.
Op beweging gebaseerde uitlijningEdit
De oriëntatie van een gyroscoopsysteem kan soms ook eenvoudig worden afgeleid uit de positiegeschiedenis (b.v. GPS). Dit is met name het geval bij vliegtuigen en auto’s, waar de snelheidsvector gewoonlijk de oriëntatie van de voertuigcarrosserie impliceert.
Honeywell’s Align in Motion bijvoorbeeld is een initialisatieproces waarbij de initialisatie plaatsvindt terwijl het vliegtuig in beweging is, in de lucht of op de grond. Dit wordt bereikt met behulp van GPS en een inertiële redelijkheidstest, waardoor aan de commerciële vereisten voor gegevensintegriteit kan worden voldaan. Dit proces is FAA-gecertificeerd om zuivere INS-prestaties te herstellen die equivalent zijn aan stationaire uitlijningsprocedures voor civiele vluchttijden tot 18 uur.Het vermijdt de behoefte aan gyroscoopbatterijen op vliegtuigen.
Vibrerende gyroscopenEdit
Lagere navigatiesystemen, bedoeld voor gebruik in auto’s, kunnen gebruik maken van een vibrating structure gyroscoop om veranderingen in de koers te detecteren en de odometer pick-up om de afgelegde afstand langs het spoor van het voertuig te meten. Dit type systeem is veel minder nauwkeurig dan een high-end INS, maar het is adequaat voor de typische auto-toepassing waar GPS het primaire navigatiesysteem is en dead reckoning alleen nodig is om gaten in de GPS-dekking te vullen wanneer gebouwen of terrein de satellietsignalen blokkeren.
Hemisferische resonator gyroscopen (wijnglas of paddestoel gyroscopen)
Als een staande golf wordt geïnduceerd in een hemisferische resonantiestructuur en vervolgens de resonantiestructuur wordt gedraaid, draait de sferische harmonische staande golf door de Corioliskracht over een hoek die afwijkt van de kwartsresonatorstructuur. De beweging van de buitenkast ten opzichte van het staande-golfpatroon is evenredig met de totale draaiingshoek en kan worden waargenomen door geschikte elektronica. De systeemresonatoren zijn vervaardigd uit gesmolten kwarts vanwege zijn uitstekende mechanische eigenschappen. De elektroden die de staande golven aandrijven en waarnemen, zijn rechtstreeks aangebracht op afzonderlijke kwartsstructuren die de resonator omgeven. Deze gyroscopen kunnen werken in een volledige hoekmodus (die hen bijna onbeperkte snelheidsmogelijkheden geeft) of een krachtherbalanceringsmodus die de staande golf in een vaste oriëntatie houdt ten opzichte van de gyrobehuizing (die hen een veel grotere nauwkeurigheid geeft).
Dit systeem heeft bijna geen bewegende delen en is zeer nauwkeurig. Het is echter nog relatief duur vanwege de kosten van de met precisie geslepen en gepolijste holle kwartshemisferen. Northrop Grumman vervaardigt momenteel IMU’s (inertial measurement units) voor ruimtevaartuigen die gebruik maken van HRG’s. Deze IMU’s hebben sinds hun eerste gebruik in 1996 blijk gegeven van een zeer hoge betrouwbaarheid. Safran produceert grote aantallen op HRG’s gebaseerde traagheidssystemen voor een breed scala van toepassingen.
Quartz rate sensorsEdit
Deze producten omvatten ‘stemvorkgyroscopen’. Hierbij is de gyro ontworpen als een elektronisch aangedreven stemvork, vaak gefabriceerd uit één stuk kwarts of silicium. Dergelijke gyroscopen werken volgens de dynamische theorie dat wanneer een hoekverdraaiing wordt toegepast op een zich verplaatsend lichaam, een Corioliskracht wordt opgewekt.
Dit systeem is gewoonlijk geïntegreerd op een siliciumchip. Het heeft twee in massa uitgebalanceerde kwarts stemvorken, gerangschikt “handvat-aan-handvat” zodat de krachten annuleren. De aluminiumelektroden die op de vorken en de onderliggende spaander worden opgedampt drijven zowel als ontdekken de beweging. Het systeem is zowel maakbaar als goedkoop. Aangezien kwarts dimensionaal stabiel is, kan het systeem nauwkeurig zijn.
Als de vorken om de as van het handvat worden gedraaid, heeft de trilling van de tanden de neiging zich in hetzelfde bewegingsvlak voort te zetten. Deze beweging moet worden tegengewerkt door elektrostatische krachten van de elektroden onder de tanden. Door het verschil in capaciteit tussen de twee tanden van een vork te meten, kan het systeem de snelheid van de hoekbeweging bepalen.
De huidige state-of-the-art niet-militaire technologie (vanaf 2005) kan kleine solid-state sensoren bouwen die menselijke lichaamsbewegingen kunnen meten. Deze apparaten hebben geen bewegende delen en wegen ongeveer 50 gram (2 ounce).
Solid-state apparaten die dezelfde fysische principes gebruiken, worden gebruikt voor beeldstabilisatie in kleine camera’s of camcorders. Deze kunnen extreem klein zijn, ongeveer 5 millimeter (0,20 inch) en zijn gebouwd met micro-elektromechanische systemen (MEMS) technologieën.
MHD sensorEdit
Sensoren op basis van magnetohydrodynamische principes kunnen worden gebruikt om hoeksnelheden te meten.
MEMS-gyroscoopEdit
MEMS gyroscopen berusten doorgaans op het Coriolis-effect om de hoeksnelheid te meten. Hij bestaat uit een resonerende bewijsmassa gemonteerd in silicium. De gyroscoop is, in tegenstelling tot een versnellingsmeter, een actieve sensor. De bewijsmassa wordt heen en weer geduwd door aandrijfkammen. Een rotatie van de gyroscoop genereert een Corioliskracht die op de massa werkt en die een beweging in een andere richting tot gevolg heeft. De beweging in deze richting wordt gemeten door elektroden en geeft de draaisnelheid weer.
Ringlasergyroscopen (RLG)
Een ringlasergyro splitst een bundel laserlicht in twee bundels in tegengestelde richtingen door smalle tunnels in een gesloten cirkelvormig optisch pad rond de omtrek van een driehoekig blok temperatuurstabiel Cervit-glas met in elke hoek geplaatste reflecterende spiegels. Wanneer de gyro draait met een bepaalde hoeksnelheid, wordt de afstand die door elke straal wordt afgelegd verschillend – de kortere weg is tegengesteld aan de draaiing. De faseverschuiving tussen de twee bundels kan worden gemeten met een interferometer en is evenredig met de rotatiesnelheid (Sagnac-effect).
In de praktijk kan bij lage rotatiesnelheden de uitgangsfrequentie dalen tot nul ten gevolge van tegenverstrooiing, waardoor de bundels zich synchroniseren en in elkaar grijpen. Dit staat bekend als een lock-in, of laser-lock. Het resultaat is dat er geen verandering optreedt in het interferentiepatroon en dus ook geen verandering in de meting.
Om de tegengesteld draaiende lichtbundels te ontgrendelen, hebben lasergyroscopen ofwel onafhankelijke lichtpaden voor de twee richtingen (gewoonlijk in glasvezelgyroscopen), of de lasergyroscoop is gemonteerd op een piëzo-elektrische dithermotor die de laserring snel heen en weer trilt om zijn ingangsas door het lock-ingebied om de lichtgolven te ontkoppelen.
De triller is het nauwkeurigst, omdat beide lichtbundels precies hetzelfde pad gebruiken. Lasergyroscopen behouden dus bewegende delen, maar ze bewegen niet zo ver.
Vezeloptische gyroscopen (FOG)
Een meer recente variatie op de optische gyroscoop, de glasvezel gyroscoop, maakt gebruik van een externe laser en twee stralen die in tegengestelde richting gaan (contra-propageren) in lange spoelen (enkele kilometers) van glasvezel filament, met het faseverschil van de twee stralen vergeleken na hun reis door de spoelen van vezel.
Het basismechanisme, monochromatisch laserlicht dat in tegengestelde richting beweegt en het Sagnac-effect, is hetzelfde in een FOG en een RLG, maar de technische details zijn wezenlijk anders in de FOG vergeleken met vroegere lasergyroscopen.
Nauwkeurige wikkeling van de vezeloptische spoel is vereist om ervoor te zorgen dat de paden die het licht in tegengestelde richtingen aflegt, zo veel mogelijk overeenkomen. De FOG vereist complexere kalibraties dan een laserringgyro, waardoor de ontwikkeling en vervaardiging van FOG’s technisch een grotere uitdaging vormen dan die van een RLG. FOG’s hebben echter geen last van laser lock bij lage snelheden en hoeven geen bewegende delen te bevatten, waardoor de maximale potentiële nauwkeurigheid en levensduur van een FOG groter is dan die van een equivalente RLG.
Pendulaire versnellingsmetersEdit
De basisversnellingsmeter met open lus bestaat uit een massa die aan een veer is bevestigd. De massa mag alleen in het verlengde van de veer bewegen. Versnelling veroorzaakt doorbuiging van de massa en de offset-afstand wordt gemeten. De versnelling wordt afgeleid uit de waarden van de doorbuigingsafstand, de massa en de veerconstante. Het systeem moet ook worden gedempt om oscillatie te voorkomen. Een gesloten-lus versnellingsopnemer levert betere prestaties door gebruik te maken van een terugkoppellus om de doorbuiging op te heffen en zo de massa vrijwel stationair te houden. Telkens wanneer de massa doorbuigt, zorgt de terugkoppellus ervoor dat een elektrische spoel een even negatieve kracht uitoefent op de massa, waardoor de beweging wordt geannuleerd. De versnelling wordt afgeleid uit de hoeveelheid negatieve kracht die wordt uitgeoefend. Omdat de massa nauwelijks beweegt, worden de effecten van niet-lineariteiten van het veer- en dempingssysteem sterk verminderd. Bovendien biedt deze versnellingsmeter een grotere bandbreedte dan de natuurlijke frequentie van het sensorelement.
Beide typen versnellingsmeters zijn vervaardigd als geïntegreerde micromachinerie op siliciumchips.
TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit) sensorenEdit
DARPA’s Microsystems Technology Office (MTO) afdeling werkt aan een Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) programma om Timing & Inertial Measurement Unit (TIMU) chips te ontwerpen die absolute positie tracking doen op een enkele chip zonder GPS-ondersteunde navigatie.
Micro-PNT voegt een zeer nauwkeurige master timing klok geïntegreerd in een IMU (Inertial Measurement Unit) chip, waardoor het een Timing & Inertial Measurement Unit chip. Een TIMU-chip integreert een 3-assige gyroscoop, 3-assige versnellingsmeter en 3-assige magnetometer samen met een uiterst nauwkeurige mastertimingsklok, zodat hij gelijktijdig de gevolgde beweging kan meten en die kan combineren met de timing van de gesynchroniseerde klok.