Cos'è la navigazione inerziale?
Fondamenti di navigazione inerziale
I principi fondamentali della navigazione inerziale sono simili a quelli di altri metodi di navigazione.Si basa sull'acquisizione di informazioni chiave, tra cui la posizione iniziale, l'orientamento iniziale, la direzione e l'orientamento del movimento in ogni momento, e sull'integrazione progressiva di questi dati (analoghi alle operazioni di integrazione matematica) per determinare con precisione i parametri di navigazione, come l'orientamento e la posizione.
Il ruolo dei sensori nella navigazione inerziale
Per ottenere l'orientamento attuale (atteggiamento) e le informazioni sulla posizione di un oggetto in movimento, i sistemi di navigazione inerziale utilizzano una serie di sensori critici, costituiti principalmente da accelerometri e giroscopi.Questi sensori misurano la velocità angolare e l'accelerazione del vettore in un sistema di riferimento inerziale.I dati vengono quindi integrati ed elaborati nel tempo per ricavare informazioni sulla velocità e sulla posizione relativa.Successivamente, queste informazioni vengono trasformate nel sistema di coordinate di navigazione, insieme ai dati di posizione iniziali, culminando nella determinazione della posizione attuale del vettore.
Principi di funzionamento dei sistemi di navigazione inerziale
I sistemi di navigazione inerziale funzionano come sistemi di navigazione interni autonomi a circuito chiuso.Non si basano su aggiornamenti di dati esterni in tempo reale per correggere errori durante il movimento del vettore.Pertanto, un singolo sistema di navigazione inerziale è adatto per compiti di navigazione di breve durata.Per le operazioni di lunga durata, deve essere combinato con altri metodi di navigazione, come i sistemi di navigazione satellitare, per correggere periodicamente gli errori interni accumulati.
L'occultamento della navigazione inerziale
Nelle moderne tecnologie di navigazione, compresa la navigazione celeste, la navigazione satellitare e la navigazione radio, la navigazione inerziale si distingue come autonoma.Non emette segnali verso l'ambiente esterno né dipende da oggetti celesti o segnali esterni.Di conseguenza, i sistemi di navigazione inerziale offrono il massimo livello di occultabilità, rendendoli ideali per applicazioni che richiedono la massima riservatezza.
Definizione ufficiale di navigazione inerziale
Il sistema di navigazione inerziale (INS) è un sistema di stima dei parametri di navigazione che utilizza giroscopi e accelerometri come sensori.Il sistema, basato sull'output dei giroscopi, stabilisce un sistema di coordinate di navigazione utilizzando l'output degli accelerometri per calcolare la velocità e la posizione della portaerei nel sistema di coordinate di navigazione.
Applicazioni della Navigazione Inerziale
La tecnologia inerziale ha trovato applicazioni ad ampio raggio in diversi settori, tra cui aerospaziale, aviazione, marittimo, esplorazione petrolifera, geodesia, indagini oceanografiche, perforazione geologica, robotica e sistemi ferroviari.Con l'avvento dei sensori inerziali avanzati, la tecnologia inerziale ha esteso la sua utilità all'industria automobilistica e ai dispositivi elettronici medici, tra gli altri campi.Questo ambito di applicazione in espansione sottolinea il ruolo sempre più centrale della navigazione inerziale nel fornire funzionalità di navigazione e posizionamento ad alta precisione per una moltitudine di applicazioni.
La componente principale della guida inerziale:Giroscopio a fibra ottica
Introduzione ai giroscopi a fibra ottica
I sistemi di navigazione inerziale fanno molto affidamento sull'accuratezza e sulla precisione dei loro componenti principali.Uno di questi componenti che ha migliorato significativamente le capacità di questi sistemi è il giroscopio a fibra ottica (FOG).Il FOG è un sensore fondamentale che svolge un ruolo fondamentale nel misurare la velocità angolare del vettore con notevole precisione.
Funzionamento del giroscopio a fibra ottica
I FOG funzionano secondo il principio dell'effetto Sagnac, che prevede la divisione di un raggio laser in due percorsi separati, consentendogli di viaggiare in direzioni opposte lungo un circuito in fibra ottica a spirale.Quando il trasportatore, incorporato nel FOG, ruota, la differenza nel tempo di viaggio tra i due raggi è proporzionale alla velocità angolare di rotazione del trasportatore.Questo ritardo temporale, noto come sfasamento di Sagnac, viene quindi misurato con precisione, consentendo al FOG di fornire dati accurati sulla rotazione del vettore.
Il principio di un giroscopio a fibra ottica prevede l'emissione di un raggio di luce da un fotorilevatore.Questo raggio luminoso passa attraverso un accoppiatore, entra da un'estremità ed esce da un'altra.Quindi viaggia attraverso un circuito ottico.Due raggi di luce, provenienti da direzioni diverse, entrano nel circuito e completano una sovrapposizione coerente dopo aver girato intorno.La luce di ritorno rientra in un diodo emettitore di luce (LED), che viene utilizzato per rilevarne l'intensità.Anche se il principio di un giroscopio a fibra ottica può sembrare semplice, la sfida più significativa consiste nell’eliminare i fattori che influenzano la lunghezza del percorso ottico dei due raggi luminosi.Questo è uno dei problemi più critici affrontati nello sviluppo dei giroscopi in fibra ottica.
1: diodo superluminescente 2: diodo fotorivelatore
3.accoppiatore sorgente luminosa 4.accoppiatore ad anello in fibra 5. anello in fibra ottica
Vantaggi dei giroscopi a fibra ottica
I FOG offrono numerosi vantaggi che li rendono preziosi nei sistemi di navigazione inerziale.Sono rinomati per la loro eccezionale precisione, affidabilità e durata.A differenza dei giroscopi meccanici, i FOG non hanno parti mobili, riducendo così il rischio di usura.Inoltre, sono resistenti agli urti e alle vibrazioni, il che li rende ideali per ambienti impegnativi come le applicazioni aerospaziali e della difesa.
Integrazione di giroscopi a fibra ottica nella navigazione inerziale
I sistemi di navigazione inerziale incorporano sempre più i FOG grazie alla loro elevata precisione e affidabilità.Questi giroscopi forniscono le misurazioni cruciali della velocità angolare necessarie per la determinazione accurata dell'orientamento e della posizione.Integrando i FOG nei sistemi di navigazione inerziale esistenti, gli operatori possono beneficiare di una migliore precisione di navigazione, soprattutto in situazioni in cui è necessaria un'estrema precisione.
Applicazioni dei giroscopi a fibra ottica nella navigazione inerziale
L'inclusione dei FOG ha ampliato le applicazioni dei sistemi di navigazione inerziale in vari domini.Nel settore aerospaziale e dell'aviazione, i sistemi dotati di FOG offrono soluzioni di navigazione precise per aerei, droni e veicoli spaziali.Sono inoltre ampiamente utilizzati nella navigazione marittima, nei rilievi geologici e nella robotica avanzata, consentendo a questi sistemi di operare con prestazioni e affidabilità migliorate.
Diverse varianti strutturali dei giroscopi a fibra ottica
I giroscopi a fibra ottica sono disponibili in varie configurazioni strutturali, di cui quella predominante che attualmente entra nel campo dell'ingegneria è ilgiroscopio in fibra ottica a mantenimento della polarizzazione a circuito chiuso.Al centro di questo giroscopio c'è ilanello in fibra che mantiene la polarizzazione, composto da fibre che mantengono la polarizzazione e da una struttura progettata con precisione.La costruzione di questo circuito prevede un metodo di avvolgimento simmetrico quadruplo, integrato da un gel sigillante unico per formare una bobina del circuito in fibra allo stato solido.
Caratteristiche principali diFibra ottica a mantenimento della polarizzazione Gyro Bobina
▶Design unico della struttura:I loop del giroscopio presentano un design della struttura distintivo che accoglie facilmente vari tipi di fibre che mantengono la polarizzazione.
▶Tecnica di avvolgimento simmetrico quadruplo:La tecnica di avvolgimento simmetrico quadruplo riduce al minimo l'effetto Shupe, garantendo misurazioni precise e affidabili.
▶Materiale gel sigillante avanzato:L'impiego di materiali gel sigillanti avanzati, combinato con una tecnica di polimerizzazione unica, migliora la resistenza alle vibrazioni, rendendo questi circuiti giroscopici ideali per applicazioni in ambienti difficili.
▶Stabilità della coerenza alle alte temperature:I circuiti del giroscopio mostrano stabilità di coerenza alle alte temperature, garantendo precisione anche in condizioni termiche variabili.
▶Quadro leggero semplificato:I loop del giroscopio sono progettati con una struttura semplice ma leggera, che garantisce un'elevata precisione di elaborazione.
▶Processo di avvolgimento coerente:Il processo di avvolgimento rimane stabile, adattandosi ai requisiti di vari giroscopi a fibra ottica di precisione.
Riferimento
Groves, DP (2008).Introduzione alla navigazione inerziale.Il giornale della navigazione, 61(1), 13-28.
El-Sheimy, N., Hou, H. e Niu, X. (2019).Tecnologie dei sensori inerziali per applicazioni di navigazione: stato dell'arte.Navigazione satellitare, 1(1), 1-15.
Woodman, GU (2007).Introduzione alla navigazione inerziale.Università di Cambridge, Laboratorio informatico, UCAM-CL-TR-696.
Chatila, R. e Laumond, JP (1985).Riferimento di posizione e modellazione mondiale coerente per robot mobili.Negli Atti della Conferenza Internazionale IEEE del 1985 sulla Robotica e l'Automazione(Vol. 2, pp. 138-145).IEEE.
Hai bisogno di una consulenza gratuita?
ALCUNI DEI MIEI PROGETTI
LAVORI IMPRESSIONANTI A CUI HO CONTRIBUITO.CON ORGOGLIO!
