Измерения какой величины предоставляет гироскоп в инерциальной измерительной системе
Обновлено: 07.07.2024
повреждаются при ударах. Поэтому гироскопы спускают в скважины только в периоды остановок буровых операций и извлекают перед их возобновлением. Магнитометры (электромагнитные приборы, которые ориентируются по магнитному полю Земли) могут перемещаться в бурильной колонне при вращении долота и выполнять измерения непосредственно в процессе бурения.
Гироскопическая телеметрия. Так как гироскопы чувствительны к вибрациям и ударам, бурильный инструмент должен простаивать, пока любой гироскопический прибор спускают или поднимают в скважине. Поэтому гироскопические устройства используют во многом как гирофотографические приборы. Отличие состоит в том, как получают результаты измерений. В фотографических устройствах данные о направлении скважины недоступны до тех пор, пока пленка не проявлена и не проанализирована, в то время как при гироскопической телеметрии данные высвечиваются на поверхностном мониторе буровой установки точно такие же, какими они извлекаются из автономного скважинного прибора.
Простейшая гироскопическая телеметрическая установка включает одноразовый гироскоп и акселерометр (устройство для определения изменения скорости движения) для измерения направления и искривления скважины. Так же, как в фотографическом приборе, гироскоп ориентируется на поверхности и спускается в скважину в точку измерения. Однако в отличие от фотографического, телеметрический прибор читает направление и угол наклона скважины посредством электроники и передает сигналы на поверхность по кабелю.
Один из недостатков гироскопов – их тенденция дрейфа от начальной установки. Трение и другие силы замедляют вращение, и он отклоняется от первоначальной установки. Чем длиннее путь движения гироскопа в скважине, тем больше вероятность ошибок. Используя космические технологии, разрабатывают новые типы гироскопов, которые позволяют преодолеть эти проблемы и увеличить точность и достоверность гироскопического сервиса: скоростные гироскопы и специальные платформы.
Совместно с акселерометрами, скоростной гироскоп чувствует разницу между направлением ствола скважины и осью вращения земли. Для этого случая скоростной прибор иногда называют североуказывающим, а полученные с его помощью данные называют сервисом по установлению направления на истинный север.
Распространенные скоростные гироскопические приборы не удовлетворяют условиям бурения на дальнем Севере, потому что скорость вращения Земли на высоких широтах недостаточна для реагирования на нее гироскопа. Кроме того, скоростные гироскопы намного чувствительней к вибрациям, чем обычные, и поэтому их использование в морском бурении затруднено.
Многие измерительные системы с указанием истинного севера должны простаивать, пока считывают результаты. Но устройства длительного действия, как это подразумевает их название, могут читать и передавать данные о направлении скважины в период движения вниз в скважину или вверх из нее.
Инерциальные системы измерения. Многоразовый гироскоп для космической навигации назвали инерциальной платформой, измеряющей параметры направления в инерциальных измерительных системах. Инерциальная платформа представляет собой группу из трех гироскопов и трех
акселерометров, которая может вращаться в любом направлении. Гироскопы держат инерциальную платформу ориентированной вертикально вдоль меридиана в точке расположения скважины. Акселерометры измеряют общее движение во всех трех измерениях. Процессоры и компьютер на поверхности преобразуют эти данные в виде данных в трехмерных координатах для каждой точки измерения. Так как диаметр прибора более 254 мм, он не может быть спущен внутрь бурильной колонны подобно другим гироскопическим приборам, но должен спускаться на кабеле или на бурильных трубах в открытый или обсаженный ствол. Дрейф гироскопа измеряется каждый раз, когда инструмент останавливают. Компьютер учи- тывает величину дрейфа и вносит поправку в данные измерений без руч- ной перекалибровки прибора.
Гироскопы не могут быть приспособлены к вибрациям и ударам, поэтому бурение необходимо остановить на несколько часов, чтобы спустить в скважину и извлечь из нее прибор. Однако существуют две негироскопические телеметрические системы, которые могут быть спущены в скважину, чтобы выполнять измерения в процессе бурения (MWD) – это системы измерения в процессе бурения. Одни MWD-системы передают информацию на поверхность по кабелю, другие – посредством промывочной буровой жидкости.
Кабельная телеметрическая система. Управляющий инструмент – это кабельный телеметрический прибор, который измеряет искривление и направление скважины в процессе ее углубления. Так как в нем используется кабель, управляющий инструмент можно применять только с забойным двигателем, который приводит в действие долото, когда бурильная колонна не вращается (зафиксирована).
Управляющий инструмент включает магнитометры, которые продолжительно измеряют направление скважины и ее искривление, и устройства поверхностной ориентации. Сигналы от магнитометров передаются по кабелю из скважины на поверхность в компьютер, который конвертирует сигналы и дает возможность считывать данные с дисплея. Этот инструмент позволяет как выполнить измерения, так и сориентировать забойный двигатель с отклоняющим устройством для проходки скважины по плану.
Телеметрия посредством пульсаций бурового раствора. Другой тип телеметрической системы передает сигналы из скважины посредством бурового раствора, позволяя бурильщику получать во временной шкале направление и другие параметры скважины без кабеля, и, следовательно, в периоды работ в скважине, связанные с вращением бурильной колонны. Как и другие телеметрические системы, система пульсации бурового раствора имеет два основных блока: забойную сборку, определяющую направление и искривление, и поверхностную сборку, дисплей которой показывает эти данные. Микропроцессор и передатчики в забойной сборке конвертируют измеренные величины в серию пульсаций давлений. Положительные импульсы бурового раствора – серия увеличения давления; отрицательные – уменьшения давления. Сигналы могут быть переданы на несущей волне подобно радиосигналам. Компьютер на поверхности расшифровывает сигналы и передает их для считывания.
Не все пульсационные системы требуют питания электрической энергией. Полностью механическое устройство использует пружинный приводной механизм для измерения отклонения. Сброшенное в циркулирующий поток механическое устройство падает и устанавливается в посадочное гнездо. Восстанавливают циркуляцию буровым насосом, чтобы послать серию пульсаций давлений на поверхность при помощи бурового раствора, находящегося внутри бурильного инструмента. На поверхности эти пульсации записываются на ленточном самописце. Число пульсаций прямо пропорционально углу наклона: амплитуда замера может быть изменена. Этот инклинометр можно использовать во вращающейся и невращающейся системах. Отдельный измеритель направления, включающий в себя магнитный компас и немагнитный корпус, используют только с забойным двигателем.
В отечественной практике бурения наклонно направленных скважин чаще всего применяют телеметрические системы типа СТ. Использование телеметрической системы СТЭ при электробурении позволяет непрерывно управлять траекторией скважины в пространстве. Глубинные датчики этой системы размещают в корпусах диаметрами 164 и 215 мм (СТЭ 164 и СТЭ 215).
Комплект телеметрической системы включает следующие узлы: глубинный блок телеметрической системы (БГТС), глубинное измерительное устройство (УГИ), наземный пульт телеметрической системы (ПНТС), наземное измерительное устройство (УНИ), присоединительный фильтр (ФП).
Герметичный контейнер с глубинной аппаратурой устанавливают над электробуром. В контейнере размещают датчики и электронные преобразователи. Информацию передают по проводному каналу связи на дневную
поверхность. В приемном устройстве сигналы, полученные с забоя, преобразуются и поступают на приборы, шкалы которых градуируют в значениях измеряемых величин.
Телеметрическая система СТЭ рассчитана на работу при гидростати- ческом давлении до 80 МПа и температуре окружающей среды до 100 °С. Пределы измерений параметров забойных данных: угол наклона 0–110°, азимут 0–360°.
Гироскоп – вращающееся колесо или диск, где ось свободна для любой ориентации.
Задача обучения
- Сравните концепцию вращающегося колеса с гироскопом.
Основные пункты
- Вращательный момент расположен перпендикулярно плоскости, созданной r и F. Сожмите пальцы правой руки в направлении F и ваш большой укажет на нужное направление.
- Получается, что сторона вращательного момента сходится с угловым.
- Гироскоп прецессирует вокруг вертикальной оси, потому что вращательный момент к L установлен всегда горизонтально и перпендикулярно. Если гироскоп не вращается, то наделяется угловым моментом в направлении вращательного и совершает обороты вокруг горизонтальной оси.
Термины
- Вращательный момент – вращательный эффект силы, измеряемый в ньютонах на метр.
- Правило правой руки – направление для угловой скорости ω и момента L, на который указывает большой палец правой руки, когда вы зажимаете пальцы в направлении вращения.
- Универсальный шарнир – устройство для приостановки чего-либо (например, корабельного компаса, чтобы он оставался на уровне).
Гироскоп – устройство для измерения или поддержания ориентации, основывающееся на принципах углового момента. Это вращающееся колесо или диск, чья ось выступает свободной для любой ориентации. Она практически фиксирована, потому что установка в универсальном шарнире сводит внешний вращательный момент к минимуму.
Как это работает?
Давайте рассмотрим принцип работы гироскопа. Вращательный момент: измеряет угловой момент по формуле τ = ΔL/Δt.
Мы видим, что направление ΔL сходится с направленностью создающего его вращательного момента. Направление можно вывести, воспользовавшись правилом правой руки: пальцы ладони зажимаются в сторону вращения или силы, а большой палец показывает на угловой момент или скорость.
В (а) вращательный момент расположен перпендикулярно плоскости, созданной r и F (сюда указывает ваш большой палец, если вы скручиваете пальцы в направлении F). На (b) видно, что направление вращательного и углового моментов совпадает
Вращающееся колесо: изучите велосипедное колесо и спицы. При вращении угловой момент направлен к левой стороне девушки (на рисунке). Допустим, что мы повторяем движение. Она ожидает, что колесо будет вращаться в ту же сторону, на которую она влияет силой. Но все совсем наоборот. Силы создают вращательный момент, выступающий горизонтальным по отношению к человеку, и именно он формирует изменения в угловом моменте, перпендикулярном изначальному. Выходит, направление L изменилось, а величина нет.
Теперь направление углового момента больше склоняется к человеку, чем раньше. Так что ось колеса смещается перпендикулярно приложенной силе, а не в ожидаемом направлении.
На рисунке (a) девушка поднимает колесо правой рукой и толкает левой. Это создает вращательный момент прямо к ней. Он приводит к изменению углового момента ΔL в том же направлении. На (b) видна векторная диаграмма, изображающая добавление ΔL и L, создающих новый момент движения, указывающий больше на девушку. Колесо движется к ней, и выступает перпендикулярным силам, которые она применила
Гироскоп: точно также можно объяснить поведение гироскопа. В момент вращения на нем активируются две силы. Вращательный момент выступает перпендикулярным угловому, поэтому второй меняет направление, но не величину. Устройство прецессирует (прецессия гироскопа) вокруг вертикальной оси, потому что вращательный момент всегда горизонтален и перпендикулярен L. Если на гироскопе не наблюдается вращения, то он получает угловой момент в направлении вращательного (L = ΔL) и начинает совершать обороты вокруг горизонтальной оси.
В (а) вы видите, что силами на вращающемся гироскопе выступают его вес и опорная сила от стойки. Они создают горизонтальный вращательный момент, который вносит изменения в угловой (ΔL). На (b) ΔL и L добавляют для формирования нового момента импульса с одной величиной, но в ином направлении. Поэтому гироскоп прецессирует в указанном направлении, избавляясь от падения
Применение
Гироскопы выступают в качестве датчиков вращения. Поэтому их используют в инерциальных системах навигации, где не срабатывают магнитные компасы (как в космическом телескопе Хаббл) или не отвечают точности. Также они необходимы для стабилизации летательных аппаратов, вроде радиоуправляемых вертолетов или беспилотных.
ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ, метод измерения ускорения судна или летательного аппарата и определения его скорости, положения и расстояния, пройденного им от исходной точки, при помощи автономной системы. Системы инерциальной навигации (наведения) вырабатывают навигационную информацию и данные для управления на борту самолетов, ракет, космических аппаратов, морских судов и подлодок.
Теоретические основы.
Ускорение есть быстрота изменения скорости, а скорость – быстрота изменения положения. Измеряя ускорение движения, можно путем его интегрирования вычислять скорость. Интегрированием же скорости можно определять текущее местоположение (координаты) летательного аппарата или судна. Таким образом, система инерциальной навигации есть система счисления пути.
Ускорение является векторной величиной, которая имеет не только численное значение, но и направление. Следовательно, система датчиков, определяющая ускорение, должна измерять и его величину, и его направление. Акселерометр измеряет величину. Информацию о направлении дают гироскопы, обеспечивающие опорную систему координат для акселерометров.
Акселерометры, измеряя фактическое ускорение, скажем, летательного аппарата, в то же время реагируют на гравитационное поле. Для компенсации этого ускорения система инерциальной навигации вычитает из выходных данных акселерометров вычисленное значение g. Величина g вычисляется как функция местоположения (координат), в частности долготы и широты.
Итак, система инерциальной навигации измеряет кажущееся ускорение, в которое входит ускорение свободного падения. Затем она, дважды интегрируя эту величину, находит местоположение. И наконец, исходя из этого вычисленного местоположения, вычисляет величину g, которая вычитается из кажущегося ускорения. Такая система с обратной связью второго порядка (рис. 1) ведет себя, как генератор колебаний очень низкой частоты в двух ортогональных горизонтальных направлениях. Период колебаний на уровне моря равен 84 мин; они называются колебаниями Шулера по имени немецкого изобретателя М.Шулера, запатентовавшего в 1908 первый практически пригодный гирокомпас.
Варианты системы.
В прежних системах инерциальной навигации опорная система координат обеспечивалась установкой акселерометров и гироскопов на стабилизированной платформе в кардановом подвесе. Такой подвес изолировал платформу от поворотов летательного аппарата или судна. Это позволяло удерживать акселерометры в неизменной ориентации относительно Земли при движении объекта.
В современных системах инерциальной навигации применяются компьютеры, следящие за ориентацией акселерометров. Такие системы называются бесплатформенными. Выходные данные гироскопов поступают непосредственно на компьютер, который вычисляет мгновенное направление акселерометров в опорной системе координат и соответствующие корректирующие сигналы.
Инерциальные приборы.
Основными приборами системы инерциальной навигации являются акселерометры и гироскопы. Акселерометр наиболее распространенного вида представляет собой чувствительную массу, связанную с корпусом пружиной того или иного рода. Пружина может быть механической, но чаще всего это электрическое (электромагнитное, электростатическое или пьезоэлектрическое) устройство, которое создает противодействующую силу. При отклонении корпуса (относительно массы), вызванном приложенным ускорением, появляется сигнал. Электронный усилитель, усилив этот сигнал, создает соответствующую ускорению противодействующую силу пружины (приложенную к массе), которая в системе обратной связи сводит сигнал рассогласования к нулю (рис. 2).
В системах наведения баллистических ракет и космических летательных аппаратов, где точность определения скорости является критически важной, в качестве противодействующей силы ранее использовалась реакция гироскопа, а ускорение автоматически интегрировалось для нахождения скорости. В обычном механическом гироскопе посредством вращающегося ротора, подобного юле, поддерживается фиксированное направление в пространстве. Чтобы прибор был достаточно стабилен для целей инерциальной навигации, должны быть исключены трение и другие возмущающие воздействия. Поэтому огромное значение имеют точные расчеты и тщательность изготовления гироскопических приборов. Тем не менее, основной причиной возникновения ошибки в механическом гироскопе является трение в движущихся частях.
В последнее время механические гироскопы все чаще заменяются оптическими. Последние особенно подходят для бесплатформенных систем инерциальной навигации. Оптические гироскопы основаны на принципе Саньяка, названном по имени французского физика С.Саньяка, который в 1913 построил оптический интерферометр для измерения скорости вращения.
Лазерный гироскоп
(рис. 3) представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам треугольника или квадрата. Два лазерных пучка, генерируемые в самой системе, проходят по резонатору в противоположных направлениях. Интерферируя, они дают картину из светлых и темных пятен. Эта картина сохраняет свое положение в пространстве, и при повороте резонатора (корпуса гироскопа) фотоприемник регистрирует поворот, считая пробегающие по нему пятна.
Работе лазерного гироскопа вредит обратное рассеяние, т.е. рассеяние лазерного луча на поверхностях зеркал и на молекулах газа, встречающихся на пути луча. Обратное рассеяние нарушает картину пятен таким образом, что она поворачивается вместе с корпусом. Устранение и сведение к минимуму обратного рассеяния требуют высочайшей точности при проектировании и изготовлении лазерных гироскопов. См. также ЛАЗЕР.
Волоконно-оптический гироскоп
(рис. 4) действует по принципу интерферометра Саньяка. Свет в нем направляется по замкнутому пути с помощью оптического волновода. Для увеличения длины оптического пути и повышения чувствительности гироскопа оптическое волокно свернуто в спираль. В волоконно-оптическом гироскопе используется внешний лазерный источник света. И здесь обратное рассеяние остается серьезной проблемой.
Достоинства и недостатки.
Поскольку системы инерциальной навигации автономны, на их работе не сказываются погодные условия. Они не поддаются радиоэлектронному подавлению и обеспечивают скрытность (не генерируют электромагнитного излучения, выдающего присутствие летательного аппарата).
Одним из недостатков систем инерциальной навигации является то, что их необходимо настраивать (выставлять) не только по скорости и местоположению, но и по пространственному положению (ориентации относительно заданной базы, например горизонта). Пространственное положение можно задать, пользуясь акселерометрами для определения направления вертикали и гироскопами для определения вращения Земли. Этими векторами определяются оси опорной системы координат (но только не в том случае, когда объект находится на Южном или Северном полюсе; в этом случае направление вертикали коллинеарно оси земного вращения и система не может определить азимут). Процесс выставки занимает несколько минут или более. Общее правило таково, что чем меньше время выставки, тем ниже чувствительность и точность системы.
Большим недостатком системы инерциальной навигации является то, что ее ошибка со временем накапливается. Это обусловлено интегрирующим действием самой системы. Скорость вычисляется интегрированием ускорения, и постоянная ошибка ускорения преобразуется в непрерывно нарастающую ошибку скорости. Благодаря обратной связи по ускорению свободного падения нарастание ошибки происходит лишь в пределах одного периода колебаний Шулера (84 мин). Однако для баллистических ракет и это много. Кроме того, из-за многочисленных малых погрешностей измерения амплитуда этих колебаний со временем увеличивается. В связи с ошибками гироскопа возникают ошибки направления при измерении кажущегося ускорения и ускорения свободного падения, что тоже приводит к нарастанию дополнительных ошибок.
Вспомогательные навигационные средства.
Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. М., 1967
Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М., 1976
Климов Д.М. Инерциальная навигация на море. М., 1984
Кавинов И.Ф. Инерциальная навигация в околоземном пространстве. М., 1988
Инерциальное навигационное устройство 1950-х годов, разработанное в Массачусетском технологическом институте.
An инерциальная навигационная система (INS) это навигация устройство, которое использует компьютер, датчики движения (акселерометры) и датчики вращения (гироскопы) для непрерывного вычисления счисление положение, ориентация и скорость (направление и скорость движения) движущегося объекта без необходимости внешних ссылок. [1] Часто инерционные датчики дополняются барометрическим высотомером, а иногда и магнитными датчиками (магнитометры) и / или устройства измерения скорости. ИНС используются на мобильные роботы [2] [3] и на таких транспортных средствах, как корабли, самолет, подводные лодки, управляемые ракеты, и космический корабль. [ нужна цитата ] Другие термины, используемые для обозначения инерциальных навигационных систем или близких к ним устройств, включают: инерциальная система наведения, инерционный прибор, инерциальная единица измерения (ИДУ) и многие другие варианты. Старые системы INS обычно использовали инерционная платформа в качестве точки крепления к автомобилю, и эти термины иногда считаются синонимами.
Сравнение точности различных навигационных систем. Радиус круга указывает на точность. Меньший радиус соответствует большей точности.
Содержание
Обзор
Инерциальная навигация - это автономный метод навигации, в котором измерения, обеспечиваемые акселерометрами и гироскопами, используются для отслеживания положения и ориентации объекта относительно известной начальной точки, ориентации и скорости. Инерциальные единицы измерения (IMU) обычно содержат три ортогональных гироскопа скорости и три ортогональных акселерометра, измеряющих угловую скорость и линейное ускорение соответственно. Обработка сигналов от этих устройств позволяет отслеживать положение и ориентацию устройства.
Инерциальная навигация используется в широком диапазоне приложений, включая навигацию самолетов, тактических и стратегических ракет, космических кораблей, подводных лодок и кораблей. Он также встроен в большинство современных мобильных телефонов для определения местоположения и отслеживания мобильного телефона. [4] [5] Последние достижения в строительстве микроэлектромеханические системы (MEMS) сделали возможным производство небольших и легких инерциальных навигационных систем. Эти достижения расширили диапазон возможных приложений, включив такие области, как человек и животные. захвата движения.
Инерциальная навигационная система включает, по крайней мере, компьютер и платформу или модуль, содержащий акселерометры, гироскопы, или другие устройства обнаружения движения. INS изначально получает информацию о своем местоположении и скорости от другого источника (человек-оператор, спутниковый приемник GPS и т. Д.) Вместе с исходной ориентацией, а затем вычисляет свое собственное обновленное положение и скорость путем интегрирования информации, полученной от датчиков движения. Преимущество INS в том, что он не требует внешних ссылок для определения своего положения, ориентации или скорости после инициализации.
ИНС может обнаруживать изменение своего географического положения (например, движение на восток или север), изменение его скорости (скорости и направления движения) и изменение его ориентации (вращение вокруг оси). Он делает это путем измерения линейного ускорения и угловой скорости, приложенных к системе. Поскольку он не требует внешней ссылки (после инициализации), он невосприимчив к заклинивание и обман.
Инерциальные навигационные системы используются во многих различных движущихся объектах. Однако их стоимость и сложность накладывают ограничения на среду, в которой они практичны для использования.
Гироскопы измеряют угловая скорость корпуса датчика по отношению к инерциальная система отсчета. Используя исходную ориентацию системы в инерциальной системе отсчета в качестве начальное состояние и интеграция угловая скорость, текущая ориентация системы всегда известна. Это можно представить как способность пассажира в автомобиле с завязанными глазами чувствовать, как автомобиль поворачивается влево и вправо или наклоняется вверх и вниз, когда автомобиль поднимается или спускается с холма. Основываясь только на этой информации, пассажир знает, в каком направлении смотрит автомобиль, но не знает, насколько быстро или медленно он движется или скользит ли он вбок.
Акселерометры измеряют линейное ускорение движущегося транспортного средства в датчике или раме кузова, но в направлениях, которые можно измерить только относительно движущейся системы (поскольку акселерометры прикреплены к системе и вращаются вместе с системой, но не знают об их собственная ориентация). Это можно представить как способность пассажира в автомобиле с завязанными глазами чувствовать, что его прижимают обратно к сиденью, когда автомобиль ускоряется, или тянет вперед, когда он замедляется; и чувствую себя прижатым к своему сиденью, когда автомобиль ускоряется в гору или поднимается со своего места, когда автомобиль проезжает по гребню холма и начинает спуск. Основываясь только на этой информации, он знает, как транспортное средство ускоряется относительно самого себя, то есть ускоряется ли оно вперед, назад, влево, вправо, вверх (к потолку автомобиля) или вниз (к полу автомобиля), измеренное относительно. к машине, но не в направлении относительно Земли, поскольку он не знал, в каком направлении машина была обращена относительно Земли, когда они чувствовали ускорение.
Однако, отслеживая как текущую угловую скорость системы, так и текущее линейное ускорение системы, измеренное относительно движущейся системы, можно определить линейное ускорение системы в инерциальной системе отсчета. Выполнение интегрирования инерционных ускорений (с использованием исходной скорости в качестве начальных условий) с использованием правильного кинематические уравнения дает инерционные скорости системы, а повторное интегрирование (используя исходное положение в качестве начального условия) дает инерционное положение. В нашем примере, если пассажир с завязанными глазами знал, как была направлена машина и какова была ее скорость до того, как ему завязали глаза, и если он мог отслеживать как поворачивалась машина, так и как она с тех пор ускорялась и замедлялась, тогда он может точно знать текущую ориентацию, положение и скорость автомобиля в любое время.
Скорость дрейфа
Все инерционный Навигационные системы страдают от дрейфа интеграции: небольшие ошибки в измерении ускорения и угловой скорости объединяются во все более крупные ошибки скорости, которые усугубляются еще большими ошибками в определении местоположения. [6] [7] Поскольку новое положение вычисляется из предыдущего рассчитанного положения и измеренных ускорений и угловой скорости, эти ошибки накапливаются примерно пропорционально времени, прошедшему с момента ввода исходного положения. Даже самые лучшие акселерометры со стандартной погрешностью 10 мкг накапливают ошибку 50 метров в течение 17 минут. [8] Следовательно, положение необходимо периодически корректировать, вводя данные от навигационной системы другого типа.
Соответственно, инерциальная навигация обычно используется в дополнение к другим навигационным системам, обеспечивая более высокую степень точности, чем это возможно при использовании любой отдельной системы. Например, если при наземном использовании инерционно отслеживаемая скорость периодически обновляется до нуля путем остановки, положение будет оставаться точным в течение гораздо более длительного времени, так называемая обновление нулевой скорости. В частности, в авиакосмической сфере для определения неточностей INS используются другие системы измерения, например в инерциальных навигационных системах Honeywell LaseRefV используется GPS и компьютер данных по воздуху результаты для поддержания необходимые навигационные характеристики. Погрешность навигации увеличивается с меньшей чувствительностью используемых датчиков. В настоящее время разрабатываются устройства, объединяющие разные датчики, например система ориентации и курса. Поскольку на ошибку навигации в основном влияет численное интегрирование угловых скоростей и ускорений Система сравнения давления был разработан для использования одного численного интегрирования измерений угловой скорости.
Теория оценок в целом и Фильтрация Калмана особенно, [9] обеспечивают теоретическую основу для объединения информации от различных датчиков. Одним из наиболее распространенных альтернативных датчиков является спутниковая навигация радио, такое как GPS, который может использоваться для всех видов транспортных средств с прямой видимостью неба. Внутренние приложения могут использовать шагомеры, оборудование для измерения расстояния или другие датчики положения. Путем правильного объединения информации от ИНС и других систем (GPS / ИНС), ошибки положения и скорости равны стабильный. Кроме того, INS может использоваться в качестве краткосрочного отката, когда сигналы GPS недоступны, например, когда транспортное средство проезжает через туннель.
В 2011 году глушение GPS на гражданском уровне стало проблемой правительства. [10] Относительная легкость подавления этих систем побудила военных уменьшить зависимость навигации от технологии GPS. [11] Датчики инерциальной навигации не могут быть заблокированы. [12] В 2012 году исследователи из Исследовательская лаборатория армии США сообщили об инерциальном измерительном блоке, состоящем из трехосных акселерометров микро-электромеханической системы и трехосных гироскопов с размером матрицы 10, которые имели Фильтр Калмана алгоритм для оценки мешающих параметров датчика (ошибок), положения и скорости боеприпаса. [11] Каждый массив измеряет шесть точек данных, и система координирует данные вместе, чтобы предоставить решение для навигации. Если один датчик постоянно превышает или недооценивает расстояние, система может отрегулировать, корректируя вклад поврежденного датчика в окончательный расчет. [13]
Добавление эвристического алгоритма уменьшило ошибку расчетной дальности полета со 120 м до 40 м от обозначенной цели. Исследователи объединили алгоритм с GPS или радарной технологией для инициализации и помощи алгоритму навигации. В разные моменты полета боеприпаса они отключили сопровождение и оценили точность приземления боеприпаса. В сорок секундном полете, 10 и 20 секунд доступности помощи продемонстрировали небольшую разницу в ошибке, поскольку оба были примерно в 35 метрах от цели. Никакой заметной разницы не наблюдалось, когда эксперименты проводились со 100 матрицами датчиков, а не с десятью. [11] Исследователи указывают, что эти ограниченные экспериментальные данные означают оптимизацию навигационных технологий и потенциальное снижение стоимости военных систем. [13]
История
Инерциальные навигационные системы изначально разрабатывались для ракеты. Пионер американской ракетной техники Роберт Годдард экспериментировал с элементарными гироскопический системы. Системы доктора Годдарда вызвали большой интерес у современных немецких пионеров, включая Вернер фон Браун. Эти системы получили более широкое распространение с появлением космический корабль, управляемые ракеты, и коммерческие авиалайнеры.
Ранний немецкий Вторая Мировая Война Системы наведения V2 объединил два гироскопа и боковой акселерометр с простым аналоговый компьютер отрегулировать азимут для ракеты в полете. Аналоговые компьютерные сигналы использовались для управления четырьмя графит рули в выхлопе ракеты для управления полетом. Система GN&C (Guidance, Navigation and Control) для V2 предоставила множество инноваций в виде интегрированной платформы с управлением по замкнутому циклу. В конце войны фон Браун спроектировал передачу американцам 500 своих ведущих ученых-ракетчиков, а также планы и испытательные машины. Они прибыли в Форт Блисс, Техас в 1945 г. в соответствии с положениями Операция Скрепка и впоследствии были перемещены в Хантсвилл, Алабама, в 1950 г. [14] где они работали в программах ракетных исследований армии США.
В начале 1950-х годов правительство США хотело обезопасить себя от чрезмерной зависимости от немецкой команды в военных приложениях, включая разработку полностью внутренней программы наведения ракет. Приборная лаборатория Массачусетского технологического института (впоследствии ставшая Лаборатория Чарльза Старка Дрейпера, Inc.) было выбрано Западным отделом разработки ВВС США для обеспечения автономной системы наведения для Convair в Сан Диего для новой межконтинентальной баллистической ракеты Атлас [15] [16] [17] [18] (Строительство и испытания были выполнены подразделением Arma компании AmBosch Arma). Техническим наблюдателем за задачей Массачусетского технологического института был молодой инженер по имени Джим Флетчер, который позже работал администратором НАСА. Система наведения Atlas должна была представлять собой комбинацию бортовой автономной системы и наземной системы слежения и управления. В конечном итоге автономная система стала преобладать в баллистических ракетах по очевидным причинам. В освоении космоса остается смесь двух.
Летом 1952 года д-р Ричард Баттин и д-р. Дж. Холкомб "Хэл" Лэнинг-младший, исследовал вычислительные решения для управления и провел начальную аналитическую работу по инерционному наведению Atlas в 1954 году. Другими ключевыми фигурами в Convair были Чарли Боссарт, главный инженер, и Вальтер Швейдецки, руководитель группы управления. Швейдецкий работал с фон Брауном в Пенемюнде во время Второй мировой войны.
Исходная система управления Delta оценила разницу в положении от эталонной траектории. Расчет скорости, которую необходимо набрать (VGO), выполняется для корректировки текущей траектории с целью приведения VGO к нулю. Математика этого подхода была принципиально верной, но отказалась от нее из-за проблем с точным инерционным наведением и аналоговой вычислительной мощностью. Проблемы, с которыми столкнулась компания Delta, были преодолены системой Q (см. Q-руководство) руководства. Революция системы Q заключалась в том, чтобы связать задачи наведения ракеты (и соответствующие уравнения движения) в матрице Q. Матрица Q представляет собой частные производные скорости по отношению к вектору положения. Ключевая особенность этого подхода позволила использовать компоненты векторного векторного произведения (v, xdv, / dt) в качестве основных сигналов скорости автопилота - метод, который стал известен как управление между продуктами. Q-система была представлена на первом техническом симпозиуме по баллистическим ракетам, состоявшемся в Ramo-Wooldridge Corporation в Лос-Анджелесе 21 и 22 июня 1956 года. Система Q была секретной информацией до 1960-х годов. Выводы этого наведения используются для современных ракет.
Наведение человека в космическом полете
В феврале 1961 года НАСА заключило с Массачусетским технологическим институтом контракт на предварительное проектирование системы наведения и навигации для Аполлона. MIT и Delco Electronics Div. компании General Motors Corp. получили совместный контракт на проектирование и производство систем наведения и навигации Apollo для командного модуля и лунного модуля. Delco произвела IMU (Инерционные единицы измерения) для этих систем компания Kollsman Instrument Corp. произвела оптические системы, а Компьютер наведения Apollo был построен Raytheon по субподряду (см. бортовую систему наведения, навигации и управления Apollo, Дэйв Хоаг, Конференция по посвящению в Международный зал космической славы в Аламогордо, штат Нью-Мексико, октябрь 1976 г. [19] ).
Инерциальное наведение самолета
Читайте также: