Platforme girostabilizate cu cardanEdit
Câteva sisteme plasează accelerometrele liniare pe o platformă girostabilizată cu cardan. Cardanele sunt un set de trei inele, fiecare cu o pereche de rulmenți aflați inițial în unghiuri drepte. Acestea permit platformei să se răsucească în jurul oricărei axe de rotație (sau, mai degrabă, permit platformei să își păstreze aceeași orientare în timp ce vehiculul se rotește în jurul ei). Există două giroscoape (de obicei) pe platformă.
Două giroscoape sunt folosite pentru a anula precesia giroscopică, tendința unui giroscop de a se roti în unghiuri drepte față de un cuplu de intrare. Prin montarea unei perechi de giroscoape (cu aceeași inerție de rotație și care se rotesc cu aceeași viteză în direcții opuse) la unghiuri drepte, precesiile sunt anulate, iar platforma va rezista la răsucire.
Acest sistem permite măsurarea unghiurilor de ruliu, de tangaj și de cădere ale unui vehicul direct la rulmenții cardanelor. Se pot utiliza circuite electronice relativ simple pentru a însuma accelerațiile liniare, deoarece direcțiile accelerometrelor liniare nu se schimbă.
Marele dezavantaj al acestui sistem este că utilizează multe piese mecanice de precizie costisitoare. De asemenea, are părți mobile care se pot uza sau bloca și este vulnerabilă la blocarea cardanului. Sistemul primar de ghidare al navei spațiale Apollo a folosit o platformă girostabilizată pe trei axe, care alimenta cu date calculatorul de ghidare Apollo. Manevrele trebuiau să fie planificate cu atenție pentru a evita blocarea cardanică.
Platforme girostabilizate cu suspensie de fluidEdit
Blocarea cardanică constrânge manevrele și ar fi benefic să se elimine inelele de alunecare și rulmenții cardanici. Prin urmare, unele sisteme utilizează rulmenți cu fluid sau o cameră de flotare pentru a monta o platformă girostabilizată. Aceste sisteme pot avea precizii foarte mari (de exemplu, Advanced Inertial Reference Sphere). La fel ca toate platformele girostabilizate, acest sistem funcționează bine cu calculatoare relativ lente și de mică putere.
Curenții de fluid sunt tampoane cu găuri prin care gaz inert presurizat (cum ar fi heliu) sau ulei presează împotriva cochiliei sferice a platformei. Rulmenții cu fluid sunt foarte alunecoși, iar platforma sferică se poate roti liber. Există, de obicei, patru plăcuțe de rulmenți, montate într-un aranjament tetraedric pentru a susține platforma.
În sistemele premium, senzorii unghiulari sunt, de obicei, bobine specializate de transformator realizate într-o bandă pe o placă flexibilă de circuite imprimate. Mai multe benzi de bobine sunt montate pe cercuri mari în jurul cochiliei sferice a platformei girostabilizate. Electronica din afara platformei folosește transformatoare similare în formă de bandă pentru a citi câmpurile magnetice variabile produse de transformatoarele înfășurate în jurul platformei sferice. Ori de câte ori un câmp magnetic își schimbă forma sau se mișcă, acesta va tăia firele bobinelor de pe benzile exterioare ale transformatorului. Tăierea generează un curent electric în bobinele externe în formă de bandă, iar electronica poate măsura acel curent pentru a deriva unghiurile.
Sistemele ieftine folosesc uneori coduri de bare pentru a detecta orientările și folosesc celule solare sau un singur transformator pentru a alimenta platforma. Unele rachete mici au alimentat platforma cu lumină de la o fereastră sau cu fibre optice către motor. Un subiect de cercetare este suspendarea platformei cu ajutorul presiunii din gazele de eșapament. Datele sunt returnate către lumea exterioară prin intermediul transformatoarelor sau, uneori, prin LED-uri care comunică cu fotodiode externe.
Sisteme strapdownEdit
Computerele digitale ușoare permit eliminarea cardanelor, creând sisteme strapdown, denumite astfel deoarece senzorii lor sunt pur și simplu legați de vehicul. Acest lucru reduce costurile, elimină blocarea cardanului, înlătură necesitatea unor calibrări și crește fiabilitatea prin eliminarea unora dintre piesele mobile. Senzorii de viteză unghiulară, numiți giroscoape de viteză, măsoară viteza unghiulară a vehiculului.
Un sistem strapdown are nevoie de un domeniu de măsurare dinamică de câteva sute de ori mai mare decât cel cerut de un sistem cu cardan. Adică, trebuie să integreze modificările de atitudine ale vehiculului în tangaj, ruliu și lactație, precum și mișcările brute. De obicei, sistemele cu cardan se pot descurca bine cu rate de actualizare de 50-60 Hz. Cu toate acestea, sistemele strapdown se actualizează în mod normal la aproximativ 2000 Hz. Rata mai mare este necesară pentru a permite sistemului de navigație să integreze cu acuratețe rata unghiulară într-o atitudine.
Algoritmii de actualizare a datelor (cosinusuri de direcție sau quaternioni) implicați sunt prea complecși pentru a fi realizați cu acuratețe decât de electronica digitală. Cu toate acestea, computerele digitale sunt în prezent atât de ieftine și rapide încât sistemele giroscopice de viteză pot fi acum utilizate practic și produse în masă. Modulul lunar Apollo a folosit un sistem strapdown în sistemul său de ghidare de rezervă în caz de avort (AGS).
Sistemele strapdown sunt în prezent utilizate în mod obișnuit în aplicații comerciale și militare (aeronave, nave, ROV-uri, rachete etc.). Sistemele de strapdown de ultimă generație se bazează pe giroscoape cu laser inelar, giroscoape cu fibră optică sau giroscoape cu rezonator hemisferic. Acestea utilizează electronică digitală și tehnici avansate de filtrare digitală, cum ar fi filtrul Kalman.
Aliniere bazată pe mișcareEdit
Orientarea unui sistem giroscopic poate fi uneori dedusă și pur și simplu din istoricul poziției sale (de exemplu, GPS). Acesta este, în special, cazul avioanelor și mașinilor, unde vectorul de viteză implică, de obicei, orientarea corpului vehiculului.
De exemplu, Align in Motion de la Honeywell este un proces de inițializare în care inițializarea are loc în timp ce aeronava este în mișcare, în aer sau la sol. Acest lucru se realizează cu ajutorul GPS și al unui test de rezonabilitate inerțial, permițând astfel respectarea cerințelor de integritate a datelor comerciale. Acest proces a fost certificat de FAA pentru a recupera performanțe INS pure echivalente cu cele ale procedurilor de aliniere staționară pentru durate de zbor civile de până la 18 ore, evitându-se astfel nevoia de baterii pentru giroscop pe aeronave.
Giroscoape vibranteEdit
Sistemele de navigație mai puțin costisitoare, destinate utilizării în automobile, pot utiliza un giroscop cu structură vibrantă pentru a detecta schimbările de direcție și captarea odometrului pentru a măsura distanța parcursă de-a lungul traseului vehiculului. Acest tip de sistem este mult mai puțin precis decât un INS din gama superioară, dar este adecvat pentru aplicația tipică pentru automobile, în care GPS-ul este sistemul principal de navigație, iar recunoașterea morții este necesară doar pentru a umple golurile din acoperirea GPS atunci când clădirile sau terenul blochează semnalele satelitare.
Giroscoape cu rezonator hemisferic (giroscoape de sticlă de vin sau de ciupercă)Edit
Dacă o undă staționară este indusă într-o structură rezonantă emisferică și apoi structura rezonantă este rotită, unda staționară sferică armonică se rotește cu un unghi diferit de cel al structurii rezonatoare din cuarț datorită forței Coriolis. Mișcarea carcasei exterioare în raport cu structura undei staționare este proporțională cu unghiul total de rotație și poate fi detectată prin intermediul unor dispozitive electronice adecvate. Rezonatoarele sistemului sunt prelucrate din cuarț topit datorită proprietăților mecanice excelente ale acestuia. Electrozii care conduc și detectează undele staționare sunt depozitați direct pe structuri separate de cuarț care înconjoară rezonatorul. Aceste giroscoape pot funcționa fie în modul „unghi întreg” (care le oferă o capacitate de viteză aproape nelimitată), fie în modul de reechilibrare a forței care menține unda staționară într-o orientare fixă în raport cu carcasa giroscopului (ceea ce le conferă o precizie mult mai bună).
Acest sistem nu are aproape nici o piesă mobilă și este foarte precis. Cu toate acestea, este încă relativ scump din cauza costului emisferelor de cuarț goale, rectificate și lustruite cu precizie. Northrop Grumman produce în prezent IMU (unități de măsurare inerțială) pentru navele spațiale care utilizează HRG-uri. Aceste IMU au demonstrat o fiabilitate extrem de ridicată de la utilizarea lor inițială în 1996. Safran produce un număr mare de sisteme inerțiale bazate pe HRG dedicate unei game largi de aplicații.
Senzori de viteză cu cuarțEdit
Aceste produse includ „giroscoape cu diapazon”. Aici, giroscopul este conceput ca un diapazon acționat electronic, adesea fabricat dintr-o singură bucată de cuarț sau siliciu. Astfel de giroscoape funcționează în conformitate cu teoria dinamică conform căreia, atunci când se aplică o viteză unghiulară unui corp în mișcare de translație, se generează o forță Coriolis.
Acest sistem este de obicei integrat pe un cip de siliciu. Acesta are două diapazoane de cuarț cu masă echilibrată, dispuse „mâner-la-mâner” astfel încât forțele să se anuleze. Electrozii de aluminiu evaporați pe furci și pe cipul subiacent conduc și detectează mișcarea. Sistemul este atât fabricabil, cât și ieftin. Deoarece cuarțul este stabil din punct de vedere dimensional, sistemul poate fi precis.
Pe măsură ce furculițele sunt răsucite în jurul axei mânerului, vibrația dinților tinde să continue în același plan de mișcare. Acestei mișcări trebuie să i se opună forțele electrostatice ale electrozilor de sub dinți. Prin măsurarea diferenței de capacitate dintre cele două dinți ai unei furculițe, sistemul poate determina rata de mișcare unghiulară.
Tehnologia actuală de ultimă generație nemilitară (începând cu 2005) poate construi mici senzori cu stare solidă care pot măsura mișcările corpului uman. Aceste dispozitive nu au părți mobile și cântăresc aproximativ 50 de grame (2 uncii).
Dispozitivele cu stare solidă care utilizează aceleași principii fizice sunt folosite pentru stabilizarea imaginii în aparate foto sau camere video mici. Acestea pot fi extrem de mici, în jur de 5 milimetri (0,20 inci) și sunt construite cu ajutorul tehnologiilor sistemelor microelectromecanice (MEMS).
Senzor MHDEdit
Senzorii bazați pe principii magnetohidrodinamice pot fi folosiți pentru a măsura vitezele unghiulare.
Giroscop MEMSEdit
Giroscoapele MEMS se bazează de obicei pe efectul Coriolis pentru a măsura viteza unghiulară. Acesta constă dintr-o masă de probă rezonantă montată în siliciu. Giroscopul este, spre deosebire de un accelerometru, un senzor activ. Masa de probă este împinsă înainte și înapoi de piepteni de acționare. O rotație a giroscopului generează o forță Coriolis care acționează asupra masei, ceea ce duce la o mișcare într-o direcție diferită. Mișcarea în această direcție este măsurată de electrozi și reprezintă viteza de rotație.
Gyros laser inelar (RLG)Edit
Un giroscop laser inelar împarte un fascicul de lumină laser în două fascicule în direcții opuse prin tuneluri înguste într-un traseu optic circular închis în jurul perimetrului unui bloc triunghiular de sticlă Cervit stabilă la temperatură cu oglinzi reflectorizante plasate în fiecare colț. Atunci când giroscopul se rotește cu o anumită viteză unghiulară, distanța parcursă de fiecare fascicul devine diferită – calea mai scurtă fiind opusă rotației. Defazajul dintre cele două fascicule poate fi măsurat cu ajutorul unui interferometru și este proporțional cu viteza de rotație (efectul Sagnac).
În practică, la viteze mici de rotație, frecvența de ieșire poate scădea la zero ca urmare a retrodifuziunii, ceea ce face ca fasciculele să se sincronizeze și să se blocheze împreună. Acest lucru este cunoscut sub numele de lock-in, sau blocare laser. Rezultatul este că nu există nicio modificare a modelului de interferență și, prin urmare, nicio modificare a măsurătorii.
Pentru a debloca fasciculele de lumină care se rotesc în sens contrar, giroscoapele laser fie au trasee de lumină independente pentru cele două direcții (de obicei în giroscoapele cu fibră optică), fie giroscopul laser este montat pe un motor piezo-electric dither care vibrează rapid inelul laser înainte și înapoi în jurul axei sale de intrare prin regiunea de blocare pentru a decupla undele de lumină.
Agitatorul este cel mai precis, deoarece ambele fascicule de lumină folosesc exact același traseu. Astfel, giroscoapele cu laser păstrează părțile mobile, dar nu se deplasează la fel de mult.
Giroscoape cu fibră optică (FOG)Edit
O variantă mai recentă a giroscopului optic, giroscopul cu fibră optică, folosește un laser extern și două fascicule care merg în direcții opuse (se propagă în sens contrar) în bobine lungi (câțiva kilometri) de filament de fibră optică, diferența de fază a celor două fascicule fiind comparată după parcurgerea lor prin bobinele de fibră.
Mecanismul de bază, lumina laser monocromatică care se deplasează pe traiectorii opuse și efectul Sagnac, este același în cazul unui FOG și al unui RLG, dar detaliile inginerești sunt substanțial diferite în cazul FOG în comparație cu giroscoapele laser anterioare.
Este necesară o înfășurare precisă a bobinei de fibră optică pentru a se asigura că traiectoriile parcurse de lumină în direcții opuse sunt cât mai asemănătoare posibil. FOG-ul necesită calibrări mai complexe decât un giroscop inelar cu laser, ceea ce face ca dezvoltarea și fabricarea FOG-urilor să fie mai dificilă din punct de vedere tehnic decât pentru un RLG. Cu toate acestea, FOG-urile nu suferă de blocarea laserului la viteze mici și nu trebuie să conțină piese mobile, ceea ce sporește potențialul maxim de precizie și durata de viață a unui FOG față de un RLG echivalent.
Accelerometre pendulareEdit
Accelerometrul de bază, în buclă deschisă, constă dintr-o masă atașată la un resort. Masa este constrânsă să se deplaseze numai în linie cu resortul. Accelerația provoacă deformarea masei și se măsoară distanța de deplasare. Accelerația este derivată din valorile distanței de deflexie, masei și constantei arcului. Sistemul trebuie, de asemenea, să fie amortizat pentru a evita oscilațiile.Un accelerometru în buclă închisă obține performanțe mai mari prin utilizarea unei bucle de reacție pentru a anula deviația, menținând astfel masa aproape staționară. Ori de câte ori masa deviază, bucla de reacție face ca o bobină electrică să aplice o forță la fel de negativă asupra masei, anulând mișcarea. Accelerația este derivată din cantitatea de forță negativă aplicată. Deoarece masa abia se mișcă, efectele neliniarităților arcului și ale sistemului de amortizare sunt mult reduse. În plus, acest accelerometru asigură o lățime de bandă crescută dincolo de frecvența naturală a elementului de detecție.
Ambele tipuri de accelerometre au fost fabricate ca micromașini integrate pe cipuri de siliciu.
TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit) senzoriEdit
Darpa’s Microsystems Technology Office (MTO) department is working on a Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) program pentru a proiecta cipuri Timing & Inertial Measurement Unit (TIMU) care realizează urmărirea poziției absolute pe un singur cip fără navigație asistată de GPS.
Micro-PNT adaugă un ceas principal de sincronizare de mare precizie integrat într-un cip IMU (Inertial Measurement Unit), transformându-l într-un cip Timing & Inertial Measurement Unit. Un cip TIMU integrează un giroscop pe 3 axe, un accelerometru pe 3 axe și un magnetometru pe 3 axe împreună cu un ceas principal de sincronizare de mare precizie, astfel încât poate măsura simultan mișcarea urmărită și o poate combina cu sincronizarea de la ceasul sincronizat.
.