Наука и истраживање

Решења за компоненте FOG-а

Шта је инерцијална навигација?

Основе инерцијалне навигације

Основни принципи инерцијалне навигације слични су принципима других метода навигације. Она се ослања на прикупљање кључних информација, укључујући почетну позицију, почетну оријентацију, смер и оријентацију кретања у сваком тренутку, и прогресивно интегрисање ових података (аналогно математичким операцијама интеграције) како би се прецизно одредили параметри навигације, као што су оријентација и позиција.

Улога сензора у инерцијалној навигацији

Да би се добиле информације о тренутној оријентацији (ставу) и положају објекта у покрету, инерцијални навигациони системи користе скуп критичних сензора, који се првенствено састоје од акцелерометара и жироскопа. Ови сензори мере угаону брзину и убрзање носача у инерцијалном референтном систему. Подаци се затим интегришу и обрађују током времена да би се добиле информације о брзини и релативном положају. Након тога, ове информације се трансформишу у навигациони координатни систем, заједно са почетним подацима о положају, што кулминира одређивањем тренутне локације носача.

Принципи рада инерцијалних навигационих система

Инерцијални навигациони системи функционишу као самостални, интерни навигациони системи затворене петље. Они се не ослањају на ажурирања спољних података у реалном времену како би исправили грешке током кретања носача. Као такав, један инерцијални навигациони систем је погодан за краткотрајне навигационе задатке. За дуготрајне операције, мора се комбиновати са другим методама навигације, као што су сателитски навигациони системи, како би се периодично исправљале акумулиране интерне грешке.

Прикривеност инерцијалне навигације

У модерним навигационим технологијама, укључујући небеску навигацију, сателитску навигацију и радио-навигацију, инерцијална навигација се истиче као аутономна. Она не емитује сигнале у спољашње окружење нити зависи од небеских објеката или спољашњих сигнала. Сходно томе, инерцијални навигациони системи нуде највиши ниво прикривености, што их чини идеалним за примене које захтевају највећу поверљивост.

Званична дефиниција инерцијалне навигације

Инерцијални навигациони систем (INS) је систем за процену параметара навигације који користи жироскопе и акцелерометре као сензоре. Систем, заснован на излазу жироскопа, успоставља навигациони координатни систем док користи излаз акцелерометара за израчунавање брзине и положаја носача у навигационом координатном систему.

Примене инерцијалне навигације

Инерцијална технологија је пронашла широку примену у различитим областима, укључујући ваздухопловство, авијацију, поморство, истраживање нафте, геодезију, океанографска истраживања, геолошко бушење, роботику и железничке системе. Појавом напредних инерцијалних сензора, инерцијална технологија је проширила своју применљивост на аутомобилску индустрију и медицинске електронске уређаје, између осталих области. Овај растући обим примене наглашава све кључнију улогу инерцијалне навигације у пружању високопрецизних могућности навигације и позиционирања за мноштво примена.

Основна компонента инерцијалног вођења:Оптички жироскоп

Увод у влакнасто-оптичке жироскопе

Инерцијални навигациони системи у великој мери зависе од тачности и прецизности својих основних компоненти. Једна таква компонента која је значајно побољшала могућности ових система је влакнасто-оптички жироскоп (FOG). FOG је кључни сензор који игра кључну улогу у мерењу угаоне брзине носача са изузетном тачношћу.

Рад оптичког жироскопа

ФОГ-ови раде на принципу Сањаковог ефекта, који подразумева поделу ласерског снопа на две одвојене путање, омогућавајући му да путује у супротним смеровима дуж спиралне оптичке петље. Када се носач, у који је уграђен ФОГ, ротира, разлика у времену путовања између два снопа је пропорционална угаоној брзини ротације носача. Ово временско кашњење, познато као Сањаков фазни помак, се затим прецизно мери, омогућавајући ФОГ-у да пружи тачне податке о ротацији носача.

Принцип рада влакнасто-оптичког жироскопа подразумева емитовање светлосног снопа из фотодетектора. Овај светлосни сноп пролази кроз спојницу, улазећи са једног краја и излазећи са другог. Затим путује кроз оптичку петљу. Два светлосна снопа, која долазе из различитих праваца, улазе у петљу и завршавају кохерентну суперпозицију након што обиђу круг. Враћена светлост поново улази у светлосну диоду (ЛЕД), која се користи за детекцију њеног интензитета. Иако принцип рада влакнасто-оптичког жироскопа може деловати једноставно, најзначајнији изазов лежи у елиминисању фактора који утичу на оптичку дужину пута два светлосна снопа. Ово је једно од најкритичнијих питања са којима се суочавамо у развоју влакнасто-оптичких жироскопа.

1: суперлуминесцентна диода 2: фотодетекторска диода

3. спојница извора светлости 4.спојница од влакана 5. оптички прстен од влакана

Предности влакнасто-оптичких жироскопа

FOG-ови нуде неколико предности које их чине непроцењивим у инерцијалним навигационим системима. Познати су по својој изузетној тачности, поузданости и издржљивости. За разлику од механичких жироскопа, FOG-ови немају покретне делове, што смањује ризик од хабања. Поред тога, отпорни су на ударце и вибрације, што их чини идеалним за захтевна окружења као што су ваздухопловне и одбрамбене примене.

Интеграција влакнасто-оптичких жироскопа у инерцијалну навигацију

Инерцијални навигациони системи све више укључују FOG-ове због њихове високе прецизности и поузданости. Ови жироскопи пружају кључна мерења угаоне брзине потребна за прецизно одређивање оријентације и положаја. Интеграцијом FOG-ова у постојеће инерцијалне навигационе системе, оператери могу имати користи од побољшане тачности навигације, посебно у ситуацијама где је неопходна екстремна прецизност.

Примене влакнасто-оптичких жироскопа у инерцијалној навигацији

Укључивање FOG-ова (флотских иглених гравитационих система) проширило је примену инерцијалних навигационих система у различитим областима. У ваздухопловству и авијацији, системи опремљени FOG-ом нуде прецизна навигациона решења за авионе, дронове и свемирске летелице. Такође се широко користе у поморској навигацији, геолошким истраживањима и напредној роботици, омогућавајући овим системима да раде са побољшаним перформансама и поузданошћу.

Различите структурне варијанте влакнасто-оптичких жироскопа

Оптички жироскопи долазе у различитим структурним конфигурацијама, а доминантна која тренутно улази у област инжењерства јеЖироскоп од оптичких влакана са одржавањем поларизације у затвореној петљиУ сржи овог жироскопа јевлакнаста петља која одржава поларизацију, који се састоји од влакана која одржавају поларизацију и прецизно дизајнираног оквира. Конструкција ове петље укључује метод четвороструког симетричног намотавања, допуњен јединственим заптивним гелом за формирање завојнице од чврстих влакана.

Кључне карактеристикеОптичка влакна са одржавањем поларизације GYro Coil

▶Јединствени дизајн оквира:Жироскопске петље имају препознатљив дизајн оквира који лако прихвата различите типове влакана која одржавају поларизацију.

▶Техника четвороструког симетричног намотавања:Техника четвороструког симетричног намотавања минимизира Шупеов ефекат, обезбеђујући прецизна и поуздана мерења.

▶Напредни материјал за заптивање гела:Употреба напредних материјала за заптивање у облику гела, у комбинацији са јединственом техником очвршћавања, повећава отпорност на вибрације, што ове жироскопске петље чини идеалним за примену у захтевним окружењима.

▶Кохерентна стабилност на високим температурама:Жироскопске петље показују високу температурну кохерентну стабилност, обезбеђујући тачност чак и у различитим термичким условима.

▶Поједностављени лагани оквир:Жироскопске петље су пројектоване са једноставним, али лаганим оквиром, што гарантује високу прецизност обраде.

▶Константан процес намотавања:Процес намотавања остаје стабилан, прилагођавајући се захтевима различитих прецизних влакнасто-оптичких жироскопа.

Референца

Гроувс, П.Д. (2008). Увод у инерцијалну навигацију.Часопис за навигацију, 61(1), 13–28.

Ел-Шејми, Н., Хоу, Х. и Ниу, X. (2019). Технологије инерцијалних сензора за навигационе примене: најсавременије стање технике.Сателитска навигација, 1(1), 1–15.

Вудман, ОЈ (2007). Увод у инерцијалну навигацију.Универзитет у Кембриџу, Рачунарска лабораторија, UCAM-CL-TR-696.

Чатила, Р. и Ломонд, ЈП (1985). Референцирање положаја и конзистентно моделирање света за мобилне роботе.У Зборнику радова са Међународне конференције IEEE о роботици и аутоматизацији из 1985. године(Том 2, стр. 138–145). IEEE.