Введение в инерциальную технологию

(3) Состав системы инерциальной навигационной системы

Инерциальная навигационная система (ИНС) - это полностью автономное навигационное решение, широко используемое в аэрокосмической отрасли, БПЛА, морских судах, робототехнике и высокотехнологичных промышленных приложениях. В отличие от спутниковых систем, ИНС не полагается на внешние сигналы. Вместо этого она вычисляет положение, скорость и ориентацию исключительно с помощью внутренних датчиков и алгоритмов.

В этой статье объясняется полный состав системы ИНС и то, как ее подсистемы работают вместе, чтобы обеспечить точную и надежную навигацию.

1. Обзор инерциальной навигационной системы

ИНС определяет движение платформы, непрерывно измеряя ускорение и угловую скорость. Эти измерения обрабатываются с помощью навигационных алгоритмов для вычисления:

• Положение

• Скорость

• Ориентация (крен, тангаж, рысканье)

Для достижения этого ИНС объединяет комбинацию прецизионного оборудования, механических конструкций, электроники и методов калибровки.

2. Состав системы

Основные компоненты инерциальной навигационной системы включают:

(1) Инерциальный измерительный блок (IMU)

IMU является сенсорным ядром ИНС. Он объединяет:

• Гироскоп
  Измеряет угловую скорость вращения вокруг трех осей.

• Акселерометр
  Измеряет линейное ускорение вдоль трех осей.

Вместе эти шесть степеней свободы обеспечивают необработанные данные о движении, необходимые для навигационных расчетов.

(2) Навигационный компьютер

Навигационный компьютер отвечает за преобразование необработанных сигналов IMU в полезную навигационную информацию.

Он выполняет:

• Сбор и обработку данных
  Фильтрацию, дискретизацию и преобразование выходных данных датчиков.

• Навигационное решение
  Реализует алгоритмы, такие как расчет по жесткой привязке, интегрирование ориентации, обновление скорости и вычисление положения.

• Компенсацию ошибок
  Применяет данные калибровки, удаление смещения, коррекцию масштабного коэффициента и температурную компенсацию.

(3) Демпфирующая система

Для обеспечения стабильной точности демпфирующая система стабилизирует движение платформы и уменьшает влияние вибраций, ударов и механических возмущений.

Ее функции включают:

• Минимизацию шума датчиков, вызванного вибрацией

• Обеспечение демпфирования механических колебаний

• Помощь в прецизионном выравнивании

Конструкция демпфирования особенно важна в воздушных и мобильных приложениях.

(4) Электронная система

Электронная система обеспечивает управление питанием, обработку сигналов и интерфейсы связи.

Ключевые элементы:

• Регулирование и распределение питания

• Схемы цифровой обработки сигналов

• Протоколы связи (CAN, RS422, Ethernet и т. д.)

• Мониторинг и защита системы

(5) Механическая структура

Механическая структура обеспечивает физическую основу ИНС.
Хорошо спроектированная механическая структура улучшает:

• Виброустойчивость

• Термическую стабильность

• Долгосрочную структурную целостность

• Устойчивость к воздействиям окружающей среды

Эта часть обеспечивает стабильную работу системы в сложных условиях.

3. Инициализация параметров и механизмы калибровки

Для достижения оптимальной точности ИНС требует нескольких уровней калибровки и инициализации.

(1) Начальные параметры

Они включают смещения датчиков, углы установки, масштабные коэффициенты и коэффициенты окружающей среды.

(2) Начальное положение

Системе требуются точные начальные координаты для начала навигационных расчетов.

(3) Температурная калибровка

Датчики IMU очень чувствительны к температуре.
Температурная калибровка компенсирует:

• Дрейф смещения

• Изменения масштабного коэффициента

• Нелинейные температурные эффекты

Это необходимо для высокоточной работы.

(4) Начальное выравнивание и калибровка

Начальное выравнивание устанавливает эталон ориентации (крен / тангаж / курс).
Два распространенных типа выравнивания:

• Статическое выравнивание– выполняется, когда система неподвижна

• Динамическое выравнивание– выполняется во время движения, с помощью алгоритмов

Правильное выравнивание обеспечивает точный вывод курса и ориентации на протяжении всей работы.

4. Вывод ИНС

После обработки всех данных датчиков и применения коррекций ИНС выводит:

• Ориентацию(крен, тангаж, рысканье)

• Скорость(север/восток/вниз или XYZ)

• Положение(координаты GPS или локальная система координат)

• Параметры ошибок(диагностика, статус, индикаторы качества)

Точность этих выходных данных зависит от качества датчиков, полноты калибровки и производительности алгоритмов.

5. Заключение

Инерциальная навигационная система - это сложная, но мощная технология, основанная на точных датчиках, сложных алгоритмах и передовых процессах калибровки. Ее способность обеспечивать бесперебойную навигацию в условиях отсутствия GNSS делает ее незаменимой в современной аэрокосмической, оборонной, робототехнической и промышленной сферах.

Понимание полного состава системы ИНС — IMU, навигационный компьютер, демпфирование, электронная подсистема, механическая структура и рабочий процесс калибровки — помогает пользователям оценить ее глубину и техническую значимость.