Gimballed gyrostabilized platformsEdit
Niektóre systemy umieszczają akcelerometry liniowe na gimballed gyrostabilized platform. Kardan to zestaw trzech pierścieni, każdy z parą łożysk ustawionych początkowo pod kątem prostym. Pozwalają one platformie obracać się wokół dowolnej osi obrotu (lub raczej pozwalają platformie zachować tę samą orientację, podczas gdy pojazd obraca się wokół niej). Na platformie znajdują się dwa żyroskopy (zazwyczaj).
Dwa żyroskopy są używane do anulowania precesji żyroskopowej, tendencji żyroskopu do skręcania się pod kątem prostym do momentu wejściowego. Poprzez zamontowanie pary żyroskopów (o tej samej bezwładności obrotowej i obracających się z tą samą prędkością w przeciwnych kierunkach) pod kątem prostym, precesja jest znoszona, a platforma będzie odporna na skręcanie.
System ten pozwala na pomiar kątów przechyłu, skoku i odchylenia pojazdu bezpośrednio w łożyskach kardanów. Stosunkowo proste obwody elektroniczne mogą być używane do sumowania przyspieszeń liniowych, ponieważ kierunki przyspieszeniomierzy liniowych nie ulegają zmianie.
Dużą wadą tego systemu jest to, że wykorzystuje on wiele drogich precyzyjnych części mechanicznych. Ma również ruchome części, które mogą się zużywać lub zacinać i jest podatny na blokadę gimbala. Główny system naprowadzania statku kosmicznego Apollo wykorzystywał trzyosiową stabilizowaną żyroskopowo platformę, dostarczającą dane do komputera naprowadzania Apollo. Manewry musiały być starannie zaplanowane, aby uniknąć blokady kardana.
Platformy żyrostabilizowane zawieszone w płynieEdit
Blokada kardana ogranicza manewrowanie i korzystne byłoby wyeliminowanie pierścieni ślizgowych i łożysk kardana. Dlatego niektóre systemy wykorzystują łożyska płynne lub komorę flotacyjną do montażu platformy żyrostabilizowanej. Systemy te mogą mieć bardzo wysoką precyzję (np. Advanced Inertial Reference Sphere). Podobnie jak wszystkie platformy żyrostabilizowane, system ten działa dobrze ze stosunkowo wolnymi komputerami o niskiej mocy.
Łożyska płynne to podkładki z otworami, przez które gaz obojętny pod ciśnieniem (taki jak hel) lub olej naciska na sferyczną powłokę platformy. Łożyska płynne są bardzo śliskie, a platforma sferyczna może się swobodnie obracać. Zazwyczaj są cztery podkładki łożyskowe, zamontowane w układzie tetraedrycznym w celu wsparcia platformy.
W systemach premium, czujniki kątowe są zazwyczaj wyspecjalizowanymi cewkami transformatorowymi wykonanymi w postaci paska na elastycznej płytce drukowanej. Kilka pasków cewek jest zamontowanych na wielkich okręgach wokół sferycznej powłoki żyrostabilizowanej platformy. Elektronika poza platformą używa podobnych transformatorów w kształcie pasków do odczytywania zmiennych pól magnetycznych wytwarzanych przez transformatory owinięte wokół sferycznej platformy. Kiedykolwiek pole magnetyczne zmienia swój kształt lub porusza się, przecina ono druty cewek na zewnętrznych listwach transformatorów. Cięcie generuje prąd elektryczny w zewnętrznych cewkach w kształcie paska i elektronika może zmierzyć ten prąd, aby wyprowadzić kąty.
Tanie systemy czasami używają kodów kreskowych, aby wyczuć orientacje i używają ogniw słonecznych lub pojedynczego transformatora do zasilania platformy. Niektóre małe pociski zasilały platformę światłem z okna lub światłowodów do silnika. Jednym z tematów badań jest zawieszenie platformy pod ciśnieniem gazów spalinowych. Dane są zwracane do świata zewnętrznego przez transformatory, lub czasami diody LED komunikujące się z zewnętrznymi fotodiodami.
Systemy strapdownEdit
Lekkie komputery cyfrowe pozwalają na wyeliminowanie gimbali, tworząc systemy strapdown, tak zwane, ponieważ ich czujniki są po prostu przywiązane do pojazdu. Zmniejsza to koszty, eliminuje blokadę kardana, usuwa potrzebę niektórych kalibracji i zwiększa niezawodność poprzez wyeliminowanie niektórych ruchomych części. Czujniki prędkości kątowej, zwane żyroskopami, mierzą prędkość kątową pojazdu.
System strapdown wymaga zakresu pomiaru dynamicznego kilkaset razy większego niż wymagany przez system z zawieszeniem kardanowym. Oznacza to, że musi on uwzględniać zmiany położenia pojazdu w zakresie nachylenia, przechyłu i odchylenia, jak również ruchy całkowite. Systemy z zawieszeniem kardanowym zwykle dobrze radzą sobie z częstotliwością aktualizacji wynoszącą 50-60 Hz. Jednak systemy mocowane pasami zwykle aktualizują dane z częstotliwością około 2000 Hz. Wyższa częstotliwość jest potrzebna, aby system nawigacyjny mógł dokładnie zintegrować prędkość kątową z postawą.
Algorytmy aktualizacji danych (kosinusy kierunku lub kwaterniony) są zbyt złożone, aby mogły być dokładnie wykonane z wyjątkiem elektroniki cyfrowej. Jednakże, komputery cyfrowe są obecnie tak tanie i szybkie, że systemy żyroskopowe mogą być obecnie praktycznie stosowane i produkowane masowo. Moduł księżycowy Apollo używał systemu strapdown w swoim zapasowym systemie AGS (Abort Guidance System).
Systemy strapdown są obecnie powszechnie używane w zastosowaniach komercyjnych i wojskowych (samoloty, statki, ROV, rakiety, itp.). Najnowocześniejsze systemy strapdown oparte są na laserowych żyroskopach pierścieniowych, żyroskopach światłowodowych lub żyroskopach rezonatora hemisferycznego. Wykorzystują one elektronikę cyfrową i zaawansowane techniki filtrowania cyfrowego, takie jak filtr Kalmana.
Wyrównanie na podstawie ruchuEdit
Orientacja systemu żyroskopowego może być czasami wywnioskowana na podstawie historii jego pozycji (np. GPS). Jest to w szczególności przypadek samolotów i samochodów, gdzie wektor prędkości zazwyczaj implikuje orientację nadwozia pojazdu.
Na przykład, Align in Motion firmy Honeywell jest procesem inicjalizacji, w którym inicjalizacja następuje podczas ruchu samolotu, w powietrzu lub na ziemi. Jest to realizowane przy użyciu GPS i inercyjnego testu zasadności, co pozwala na spełnienie wymagań komercyjnych w zakresie integralności danych. Proces ten został certyfikowany przez FAA w celu odzyskania czystej wydajności INS równoważnej procedurom wyrównania stacjonarnego dla lotów cywilnych trwających do 18 godzin.Unika konieczności stosowania baterii żyroskopowych w samolotach.
Żyroskopy wibracyjneEdit
Mniej kosztowne systemy nawigacyjne, przeznaczone do użytku w samochodach, mogą wykorzystywać żyroskop o strukturze wibracyjnej do wykrywania zmian w kursie i przetwornik odometru do pomiaru odległości pokonanej wzdłuż toru pojazdu. Ten typ systemu jest znacznie mniej dokładny niż wyższej klasy INS, ale jest odpowiedni dla typowego zastosowania samochodowego, gdzie GPS jest podstawowym systemem nawigacji i dead reckoning jest potrzebny tylko do wypełnienia luk w pokryciu GPS, gdy budynki lub teren blokują sygnały satelitarne.
Żyroskop rezonator półkulisty (kieliszek do wina lub grzybek żyroskop)Edytuj
Jeśli fala stojąca jest indukowana w półkulistej strukturze rezonansowej, a następnie struktura rezonansowa jest obracana, sferyczna harmoniczna fala stojąca obraca się o kąt inny niż struktura rezonatora kwarcowego z powodu siły Coriolisa. Ruch obudowy zewnętrznej w stosunku do wzorca fali stojącej jest proporcjonalny do całkowitego kąta obrotu i może być wykrywany przez odpowiednią elektronikę. Rezonatory systemu są wykonane z topionego kwarcu ze względu na jego doskonałe właściwości mechaniczne. Elektrody, które napędzają i wyczuwają fale stojące są osadzone bezpośrednio na oddzielnych strukturach kwarcowych, które otaczają rezonator. Żyroskopy te mogą pracować zarówno w trybie całego kąta (co daje im niemal nieograniczone możliwości) lub w trybie równoważenia sił, który utrzymuje falę stojącą w stałej orientacji względem obudowy żyroskopu (co daje im znacznie lepszą dokładność).
System ten nie posiada prawie żadnych ruchomych części i jest bardzo dokładny. Jednakże jest on nadal stosunkowo drogi ze względu na koszt precyzyjnie szlifowanych i polerowanych pustych półkul kwarcowych. Northrop Grumman produkuje obecnie IMU (inercyjne jednostki pomiarowe) dla statków kosmicznych, które wykorzystują HRG. Te IMU wykazały się wyjątkowo wysoką niezawodnością od czasu ich pierwszego użycia w 1996 roku. Firma Safran produkuje dużą liczbę systemów inercyjnych opartych na HRG, przeznaczonych do szerokiej gamy zastosowań.
Kwarcowe czujniki tempaEdit
Wśród tych produktów znajdują się „tuning fork gyros”. W tym przypadku, żyroskop jest zaprojektowany jako elektronicznie napędzany widelec stroikowy, często wykonany z pojedynczego kawałka kwarcu lub krzemu. Takie żyroskopy działają zgodnie z teorią dynamiki, według której, gdy do przesuwającego się ciała przyłożona jest prędkość kątowa, powstaje siła Coriolisa.
System ten jest zazwyczaj zintegrowany na chipie krzemowym. Posiada on dwa zrównoważone masowo kwarcowe widelce stroikowe, ułożone „rączka w rączkę”, więc siły się znoszą. Aluminiowe elektrody naparowane na widełki i leżący u ich podstaw chip zarówno napędzają, jak i wyczuwają ruch. System ten jest zarówno możliwy do wyprodukowania, jak i niedrogi. Ponieważ kwarc jest stabilny wymiarowo, system może być dokładny.
Jak widły są skręcone wokół osi uchwytu, drgania zębów mają tendencję do kontynuowania w tej samej płaszczyźnie ruchu. Ruchowi temu muszą przeciwstawić się siły elektrostatyczne pochodzące z elektrod umieszczonych pod zębami. Mierząc różnicę w pojemności pomiędzy dwoma zębami widelca, system może określić szybkość ruchu kątowego.
Obecnie najnowocześniejsza technologia niewojskowa (stan na 2005 r.) może budować małe czujniki półprzewodnikowe, które mogą mierzyć ruchy ludzkiego ciała. Urządzenia te nie mają ruchomych części i ważą około 50 gramów (2 uncje).
Urządzenia półprzewodnikowe wykorzystujące te same zasady fizyczne są używane do stabilizacji obrazu w małych aparatach lub kamerach. Mogą one być bardzo małe, około 5 milimetrów (0,20 cala) i są zbudowane z technologii systemów mikroelektromechanicznych (MEMS).
Czujnik MHDEdit
Czujniki oparte na zasadach magnetohydrodynamiki mogą być wykorzystywane do pomiaru prędkości kątowych.
MEMS gyroscopeEdit
Żyroskopy MEMS zazwyczaj opierają się na efekcie Coriolisa do pomiaru prędkości kątowej. Składa się on z rezonującej masy dowodowej zamontowanej w krzemie. Żyroskop jest, w przeciwieństwie do akcelerometru, czujnikiem aktywnym. Masa próbna jest popychana do przodu i do tyłu przez grzebienie napędowe. Obrót żyroskopu generuje siłę Coriolisa, która działa na masę, co powoduje ruch w innym kierunku. Ruch w tym kierunku jest mierzony przez elektrody i reprezentuje szybkość obrotu.
Pierścieniowe żyroskopy laserowe (RLG)Edycja
Pierścieniowy żyroskop laserowy rozdziela wiązkę światła laserowego na dwie wiązki w przeciwnych kierunkach przez wąskie tunele w zamkniętej kołowej ścieżce optycznej po obwodzie trójkątnego bloku ze stabilnego temperaturowo szkła Cervit ze zwierciadłami odbijającymi umieszczonymi w każdym rogu. Kiedy żyroskop obraca się z pewną prędkością kątową, odległość przebyta przez każdą wiązkę staje się inna – krótsza ścieżka jest przeciwna do rotacji. Przesunięcie fazowe pomiędzy dwiema wiązkami może być zmierzone przez interferometr i jest proporcjonalne do szybkości obrotu (efekt Sagnaca).
W praktyce, przy niskich szybkościach obrotu częstotliwość wyjściowa może spaść do zera w wyniku rozpraszania wstecznego powodując synchronizację i zablokowanie wiązek. Jest to znane jako lock-in, lub laser-lock. W rezultacie nie ma zmiany we wzorze interferencyjnym i dlatego nie ma zmiany pomiaru.
Aby odblokować przeciwbieżne wiązki światła, żyroskopy laserowe albo mają niezależne ścieżki światła dla dwóch kierunków (zwykle w żyroskopach światłowodowych), albo żyroskop laserowy jest zamontowany na piezoelektrycznym silniku dither, który szybko wibruje pierścień lasera tam i z powrotem wokół jego osi wejściowej przez region lock-in, aby oddzielić fale świetlne.
Wstrząsarka jest najdokładniejsza, ponieważ obie wiązki światła używają dokładnie tej samej ścieżki. Tak więc żyroskopy laserowe zachowują ruchome części, ale nie poruszają się tak daleko.
Żyroskopy światłowodowe (FOG)Edycja
Najnowsza wariacja na temat żyroskopu optycznego, żyroskop światłowodowy, wykorzystuje zewnętrzny laser i dwie wiązki idące w przeciwnych kierunkach (kontrpropagujące) w długich szpulach (kilka kilometrów) włókna światłowodowego, z różnicą fazową dwóch wiązek porównywanych po ich podróży przez szpule włókna.
Podstawowy mechanizm, monochromatyczne światło laserowe poruszające się po przeciwnych ścieżkach i efekt Sagnaca, jest taki sam w FOG i RLG, ale szczegóły techniczne różnią się zasadniczo w FOG w porównaniu z wcześniejszymi żyrami laserowymi.
Precyzyjne nawijanie cewki światłowodowej jest wymagane, aby zapewnić, że ścieżki światła w przeciwnych kierunkach są tak podobne, jak to tylko możliwe. FOG wymaga bardziej złożonych kalibracji niż laserowy żyroskop pierścieniowy, co sprawia, że opracowanie i produkcja FOG-ów stanowi większe wyzwanie techniczne niż w przypadku RLG. Jednak FOG nie cierpi z powodu blokady laserowej przy niskich prędkościach i nie musi zawierać żadnych ruchomych części, co zwiększa maksymalną potencjalną dokładność i żywotność FOG w porównaniu z równoważnym RLG.
Akcelerometry wahadłoweEdit
Podstawowy akcelerometr z otwartą pętlą składa się z masy przymocowanej do sprężyny. Masa jest ograniczona do poruszania się tylko zgodnie z kierunkiem ruchu sprężyny. Przyspieszenie powoduje odchylenie masy i mierzona jest odległość przesunięcia. Przyspieszenie uzyskuje się z wartości drogi odchylenia, masy i stałej sprężyny. System musi być również wytłumiony, aby uniknąć oscylacji. Akcelerometr z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego osiąga wyższą wydajność dzięki zastosowaniu pętli sprzężenia zwrotnego w celu wyeliminowania ugięcia, utrzymując w ten sposób masę w stanie prawie nieruchomym. Za każdym razem, gdy masa ulega odchyleniu, pętla sprzężenia zwrotnego powoduje, że cewka elektryczna wywiera na masę jednakowo ujemną siłę, anulując ruch. Przyspieszenie jest pochodną wielkości przyłożonej siły ujemnej. Ponieważ masa prawie się nie porusza, wpływ nieliniowości sprężyny i układu tłumiącego jest znacznie ograniczony. Ponadto akcelerometr ten zapewnia zwiększoną szerokość pasma poza częstotliwością naturalną elementu czujnikowego.
Oba typy akcelerometrów zostały wyprodukowane jako zintegrowane mikromaszyny na chipach krzemowych.
TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit) sensorsEdit
Departament DARPA Microsystems Technology Office (MTO) pracuje nad programem Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) mającym na celu zaprojektowanie chipów Timing & Inertial Measurement Unit (TIMU), które wykonują absolutne śledzenie pozycji na jednym chipie bez nawigacji wspomaganej przez GPS.
Micro-PNT dodaje bardzo dokładny główny zegar czasowy zintegrowany z układem IMU (Inertial Measurement Unit), czyniąc go układem TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit). Układ TIMU integruje 3-osiowy żyroskop, 3-osiowy akcelerometr i 3-osiowy magnetometr wraz z bardzo dokładnym głównym zegarem taktującym, tak że może jednocześnie mierzyć śledzony ruch i łączyć to z taktowaniem z synchronizowanego zegara.
.