Gimballed gyrostabilized platformsEdit
Vissa system placerar de linjära accelerometrarna på en gimballed gyrostabilized platform. Gimbalsystemet är en uppsättning av tre ringar, var och en med ett par lager som initialt står i rät vinkel. De låter plattformen vrida sig runt vilken rotationsaxel som helst (eller snarare låter de plattformen behålla samma orientering medan fordonet roterar runt den). Det finns två gyroskop (vanligtvis) på plattformen.
Två gyroskop används för att upphäva den gyroskopiska precessionen, dvs. tendensen hos ett gyroskop att vrida sig i rät vinkel i förhållande till ett ingående vridmoment. Genom att montera ett par gyroskop (med samma rotationströghet och som snurrar med samma hastighet i motsatt riktning) i rät vinkel upphävs precessionen och plattformen kommer att motstå vridning.
Detta system gör det möjligt att mäta ett fordons rull-, pitch- och giravinkel direkt vid kardanernas lager. Relativt enkla elektroniska kretsar kan användas för att addera de linjära accelerationerna, eftersom riktningarna för de linjära accelerometrarna inte ändras.
Den stora nackdelen med detta system är att det använder många dyra precisionsmekaniska delar. Det har också rörliga delar som kan slitas ut eller fastna och är sårbart för kardanlås. Det primära styrsystemet för Apollo-rymdfarkosten använde en treaxlig gyrostabiliserad plattform som matade data till Apollo Guidance Computer. Manövrer måste planeras noggrant för att undvika kardanlås.
Fluidupphängda gyrostabiliserade plattformarRedigera
Gimballås begränsar manövreringen och det skulle vara fördelaktigt att eliminera kardanernas glidringar och lager. Därför använder vissa system vätskelager eller en flytkammare för att montera en gyrostabiliserad plattform. Dessa system kan ha mycket hög precision (t.ex. Advanced Inertial Reference Sphere). Liksom alla gyrostabiliserade plattformar fungerar det här systemet bra med relativt långsamma datorer med låg effekt.
Vätskelagren är kuddar med hål genom vilka trycksatt inert gas (t.ex. helium) eller olja pressas mot plattformens sfäriska skal. Vätskelagren är mycket glidande och den sfäriska plattformen kan vrida sig fritt. Det finns vanligtvis fyra lagerplattor, monterade i ett tetraederformat arrangemang för att stödja plattformen.
I premiumsystem är vinklingsgivarna vanligtvis specialiserade transformatorspolar som tillverkas i en remsa på ett flexibelt tryckt kretskort. Flera spolremsor är monterade på stora cirklar runt den gyrostabiliserade plattformens sfäriska skal. Elektroniken utanför plattformen använder liknande bandformade transformatorer för att läsa av de varierande magnetfält som produceras av transformatorerna som är lindade runt den sfäriska plattformen. Närhelst ett magnetfält ändrar form eller rör sig kommer det att klippa av trådarna i spolarna på de yttre transformatorremsorna. Skärningen genererar en elektrisk ström i de yttre bandformade spolarna och elektronik kan mäta denna ström för att härleda vinklar.
Billiga system använder ibland streckkoder för att känna av riktningar och använder solceller eller en enda transformator för att driva plattformen. Vissa små missiler har drivit plattformen med ljus från ett fönster eller optiska fibrer till motorn. Ett forskningsämne är att hänga upp plattformen med tryck från avgaser. Data återförs till omvärlden via transformatorerna, eller ibland lysdioder som kommunicerar med externa fotodioder.
Strapdown-systemRedigera
Lättviktiga digitala datorer gör det möjligt att eliminera gimbalsystemen och skapa strapdown-system, som kallas så eftersom deras sensorer helt enkelt är fastspända på fordonet. Detta minskar kostnaden, eliminerar kardanlåsningen, eliminerar behovet av vissa kalibreringar och ökar tillförlitligheten genom att vissa rörliga delar elimineras. Vinkelhastighetssensorer, så kallade hastighetsgyroskop, mäter fordonets vinkelhastighet.
Ett strapdown-system behöver ett dynamiskt mätområde som är flera hundra gånger större än det som krävs för ett kardanbaserat system. Det vill säga, det måste integrera fordonets attitydförändringar i pitch, roll och yaw samt grova rörelser. Gimballed-system kan vanligtvis klara sig bra med uppdateringshastigheter på 50-60 Hz. Nedfällbara system uppdateras dock normalt med cirka 2 000 Hz. Den högre hastigheten behövs för att navigationssystemet ska kunna integrera vinkelhastigheten i en attityd på ett korrekt sätt.
De algoritmer för uppdatering av data (riktningskosiner eller kvaternioner) som är inblandade är för komplexa för att kunna utföras korrekt utom av digital elektronik. Digitala datorer är dock numera så billiga och snabba att hastighetsgyrosystem nu kan användas praktiskt och massproduceras. I Apollo månmodul användes ett strapdown-system i dess backup Abort Guidance System (AGS).
Strapdown-system är numera vanligt förekommande i kommersiella och militära tillämpningar (flygplan, fartyg, ROV:er, missiler etc.). De senaste strapdown-systemen är baserade på ringlasergyroskop, fiberoptiska gyroskop eller hemisfäriska resonatorgyroskop. De använder digital elektronik och avancerade digitala filtreringstekniker som Kalman-filter.
Rörelsebaserad inriktningRedigera
Orienteringen av ett gyroskopiskt system kan ibland också härledas helt enkelt från dess positionshistorik (t.ex. GPS). Detta är i synnerhet fallet med flygplan och bilar, där hastighetsvektorn vanligtvis innebär fordonskroppens orientering.
Till exempel är Honeywells Align in Motion en initialiseringsprocess där initialiseringen sker medan flygplanet är i rörelse, i luften eller på marken. Detta sker med hjälp av GPS och ett tröghetsmässigt rimlighetstest, vilket gör att kommersiella krav på dataintegritet kan uppfyllas. Denna process har FAA-certifierats för att återfå ren INS-prestanda som är likvärdig med stationära anpassningsförfaranden för civila flygtider på upp till 18 timmar och undviker behovet av gyroskopbatterier i flygplanet.
Vibrerande gyroskopEdit
Lagre navigationssystem, avsedda att användas i bilar, kan använda ett vibrerande strukturgyroskop för att upptäcka förändringar i kurs och kilometerräknarens pickup för att mäta den sträcka som tillryggalagts längs fordonets spår. Den här typen av system är mycket mindre exakt än ett INS i högre prisklass, men det är tillräckligt för den typiska biltillämpningen där GPS är det primära navigationssystemet och dödräkning endast behövs för att fylla luckor i GPS-täckningen när byggnader eller terräng blockerar satellitsignalerna.
Hemisfäriska resonatorgyrografer (vinglas- eller svampgyrografer)Redigera
Om en stående våg induceras i en hemisfärisk resonansstruktur och sedan resonansstrukturen roteras, roterar den sfäriska harmoniska stående vågen genom en vinkel som skiljer sig från kvartsresonatorstrukturen på grund av Corioliskraften. Det yttre höljets rörelse i förhållande till det stående vågmönstret är proportionell mot den totala rotationsvinkeln och kan avkännas med hjälp av lämplig elektronik. Systemets resonatorer är bearbetade av smält kvarts på grund av dess utmärkta mekaniska egenskaper. Elektroderna som driver och känner av de stående vågorna deponeras direkt på separata kvartsstrukturer som omger resonatorn. Dessa gyroskop kan fungera antingen i ett helvinkelläge (vilket ger dem nästan obegränsad hastighetskapacitet) eller i ett kraftombalanseringsläge som håller den stående vågen i en fast orientering i förhållande till gyrohuset (vilket ger dem mycket bättre noggrannhet).
Detta system har nästan inga rörliga delar och är mycket exakt. Det är dock fortfarande relativt dyrt på grund av kostnaden för de precisionsslipade och polerade ihåliga kvartshalvorna. Northrop Grumman tillverkar för närvarande IMU:er (tröghetsmätningsenheter) för rymdfarkoster som använder HRG:er. Dessa IMU:er har visat extremt hög tillförlitlighet sedan de började användas 1996. Safran tillverkar ett stort antal HRG-baserade tröghetssystem avsedda för ett brett spektrum av tillämpningar.
Quartz rate sensorsEdit
Dessa produkter inkluderar ”stämgaffelgyro”. Här är gyroskopet konstruerat som en elektroniskt driven stämgaffel, ofta tillverkad av en enda bit kvarts eller kisel. Sådana gyroskop fungerar i enlighet med den dynamiska teorin att när en vinkelhastighet tillämpas på en rörlig kropp genereras en corioliskraft.
Detta system är vanligtvis integrerat på ett kiselchip. Det har två massbalanserade kvartsstämgafflar som är placerade ”handtag mot handtag” så att krafterna upphävs. Aluminiumelektroder som förångats på gafflarna och det underliggande chipet både driver och känner av rörelsen. Systemet är både tillverkningsbart och billigt. Eftersom kvarts är dimensionellt stabilt kan systemet vara exakt.
När gafflarna vrids runt handtagets axel tenderar tändernas vibrationer att fortsätta i samma rörelseplan. Denna rörelse måste motverkas av elektrostatiska krafter från elektroderna under tänderna. Genom att mäta skillnaden i kapacitans mellan en gaffels två tänder kan systemet bestämma vinkelrörelsens hastighet.
Med den senaste icke-militära tekniken (2005) kan man bygga små sensorer i fast tillstånd som kan mäta människokroppens rörelser. Dessa enheter har inga rörliga delar och väger cirka 50 gram.
Fasta enheter som använder samma fysiska principer används för bildstabilisering i små kameror eller videokameror. Dessa kan vara extremt små, cirka 5 millimeter (0,20 tum) och byggs med teknik för mikroelektromekaniska system (MEMS).
MHD-sensorRedigera
Sensorer som bygger på magnetohydrodynamiska principer kan användas för att mäta vinkelhastigheter.
MEMS-gyroskopRedigera
MEMS-gyroskop förlitar sig vanligtvis på Corioliseffekten för att mäta vinkelhastigheten. Det består av en resonerande bevismassa monterad i kisel. Gyroskopet är, till skillnad från en accelerometer, en aktiv sensor. Provmassan skjuts fram och tillbaka av drivkammar. En rotation av gyroskopet genererar en Corioliskraft som verkar på massan vilket resulterar i en rörelse i en annan riktning. Rörelsen i denna riktning mäts av elektroder och representerar vridningshastigheten.
Ringlasergyroskop (RLG)Edit
En ringlasergyroskop delar upp en laserstråle i två strålar i motsatta riktningar genom smala tunnlar i en sluten cirkulär optisk bana runt omkretsen av ett triangulärt block av temperaturstabilt Cervitglas med reflekterande speglar placerade i varje hörn. När gyroskopet roterar med en viss vinkelhastighet blir den sträcka som varje stråle tillryggalägger olika – den kortare vägen är motsatt till rotationen. Fasförskjutningen mellan de två strålarna kan mätas med en interferometer och är proportionell mot rotationshastigheten (Sagnac-effekten).
I praktiken kan utgångsfrekvensen vid låga rotationshastigheter sjunka till noll till följd av återspridning, vilket leder till att strålarna synkroniseras och låses ihop. Detta är känt som en lock-in, eller laser-lock. Resultatet är att det inte sker någon förändring av interferensmönstret och därmed ingen mätningsförändring.
För att frigöra de motroterande ljusstrålarna har lasergyron antingen oberoende ljusvägar för de två riktningarna (vanligtvis i fiberoptiska gyroskop), eller så är lasergyron monterad på en piezoelektrisk skakmotor som snabbt vibrerar laserringen fram och tillbaka runt sin ingångsaxel genom lock-in-regionen för att frikoppla ljusvågorna.
Skakmotorn är den mest exakta, eftersom båda ljusstrålarna använder exakt samma väg. Lasergyros har alltså kvar rörliga delar, men de rör sig inte lika långt.
Fiberoptiska gyros (FOG)Redigera
En nyare variant av det optiska gyroskopet, det fiberoptiska gyroskopet, använder en extern laser och två strålar som går i motsatt riktning (motstridiga) i långa spolar (flera kilometer) av fiberoptiska trådar, där fasskillnaden mellan de två strålarna jämförs efter att de har färdats genom spolarna av fiber.
Den grundläggande mekanismen, monokromatiskt laserljus som färdas i motsatta riktningar och Sagnac-effekten, är densamma i en FOG och en RLG, men de tekniska detaljerna är väsentligt annorlunda i FOG jämfört med tidigare lasergyroskop.
Den exakta lindningen av den fiberoptiska spolen krävs för att se till att de vägar som ljuset i motsatta riktningar tar är så lika som möjligt. FOG kräver mer komplexa kalibreringar än en laserringgyro vilket gör utvecklingen och tillverkningen av FOG mer tekniskt utmanande än för en RLG. FOG:er drabbas dock inte av laserlåsning vid låga hastigheter och behöver inte innehålla några rörliga delar, vilket ökar den maximala potentiella noggrannheten och livslängden för en FOG jämfört med en motsvarande RLG.
Pendulära accelerometrarRedigera
Den grundläggande accelerometern med öppen slinga består av en massa som är fäst vid en fjäder. Massan är tvungen att röra sig endast i linje med fjädern. Acceleration orsakar massans avböjning och förskjutningsavståndet mäts. Accelerationen härleds från värdena för avböjningsavståndet, massan och fjäderkonstanten. Systemet måste också dämpas för att undvika svängningar. en accelerometer med sluten krets uppnår högre prestanda genom att använda en återkopplingsslinga för att upphäva avböjningen och på så sätt hålla massan nästan stationär. Varje gång massan böjs ut, får återkopplingsslingan en elektrisk spole att utöva en lika negativ kraft på massan, vilket upphäver rörelsen. Accelerationen härleds från mängden negativ kraft som tillämpas. Eftersom massan knappt rör sig är effekterna av fjäder- och dämpningssystemets icke-linjäritet kraftigt reducerade. Dessutom ger denna accelerometer en ökad bandbredd utöver den naturliga frekvensen hos det avkännande elementet.
Båda typerna av accelerometrar har tillverkats som integrerade mikromaskiner på kiselchips.
TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit)-sensorerEdit
DARPA:s avdelning Microsystems Technology Office (MTO) arbetar med ett Micro-PNT-program (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) för att utforma TIMU-chips (Timing & Inertial Measurement Unit) som kan göra absolut positionsspårning på ett enda chip utan GPS-understödd navigation.
Micro-PNT lägger till en mycket noggrann huvudtidsklocka integrerad i ett IMU-chip (Inertial Measurement Unit), vilket gör det till ett Timing & Inertial Measurement Unit-chip. Ett TIMU-chip integrerar 3-axelgyroskop, 3-axelaccelerometer och 3-axelmagnetometer tillsammans med en mycket noggrann huvudtidsklocka, så att den samtidigt kan mäta den rörelse som spåras och kombinera det med tidtagning från den synkroniserade klockan.