Nawigacja inercyjna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Nawigacja inercyjna, nawigacja bezwładnościowa, nawigacja inercjalna – nawigacja polegająca na pomiarze przyśpieszeń działających na obiekt oraz prędkości kątowych w celu określenia jego orientacji i położenia (jako nawigacja zliczeniowa). Najczęściej stosowana jest do pomiaru orientacji obiektów nieposiadających innych punktów odniesienia (np. wielopunktowego kontaktu z podłożem). Urządzenia tego typu są szeroko używane do stabilizacji, między innymi, statków wodnych, powietrznych i kosmicznych, platform stabilizowanych, platform balansujących (np. Segway HT).

Nawigacja – dział wiedzy zajmujący się określaniem bieżącego położenia oraz optymalnej drogi do celu dla ludzi, statków, pojazdów lądowych i innych przemieszczających się obiektów.Mikroprocesor – układ cyfrowy wykonany jako pojedynczy układ scalony o wielkim stopniu integracji (LSI) zdolny do wykonywania operacji cyfrowych według dostarczonego ciągu instrukcji.

Typy układów nawigacji inercyjnej[ | edytuj kod]

Można wyróżnić dwie podstawowe klasy układów nawigacji bezwładnościowej:

Statek wodny – dość szerokie i nie do końca sprecyzowane pojęcie, zawężające określenie jednostki pływającej do takich jednostek, które mogą poruszać się samodzielnie, lub też, w myśl innych definicji, są wykorzystywane ogólnie jako środek transportu (z własnym napędem lub bez). Przykładowo w rozumieniu międzynarodowego prawa drogi morskiej statek oznacza wszelkiego rodzaju urządzenie pływające, nie wyłączając urządzeń bezwypornościowych i wodnosamolotów, używane lub nadające się do użytku jako środek transportu wodnego.Filtr Kalmana - algorytm rekurencyjnego wyznaczania minimalno-wariancyjnej estymaty wektora stanu modelu liniowego dyskretnego układu dynamicznego na podstawie pomiarów wyjścia oraz wejścia tego układu. Przyjmuje się założenie, że zarówno pomiar, jak i proces przetwarzania wewnątrz układu jest obarczony błędem o rozkładzie gaussowskim.
  • bez układów odniesienia
  • z układami odniesienia.
  • Pierwsze z nich stanowią rozwiązanie historyczne – operator przed uruchomieniem systemu musiał ręcznie wprowadzić ustawienia kątów, położenia i prędkości (dla nawigacji zliczeniowej). Układy tego typu były szczególnie narażone na dryf oraz błąd systematyczny czujników, przez co ich wskazania obarczone były błędem, którego wartość rosła w czasie.

    Samolot – statek powietrzny cięższy od powietrza (aerodyna), utrzymujący się w powietrzu dzięki wytwarzanej sile nośnej za pomocą nieruchomych, w danych warunkach względem statku, skrzydeł. Ciąg potrzebny do utrzymania prędkości w locie poziomym wytwarzany jest przez jeden lub więcej silników.Precesja lub ruch precesyjny – zjawisko zmiany kierunku osi obrotu obracającego się ciała. Oś obrotu sama obraca się wówczas wokół pewnego kierunku w przestrzeni zakreślając powierzchnię boczną stożka.

    Nowoczesne systemy (AHRS, IMU) posiadają wewnętrzne źródło sygnału odniesienia, pozwalające na ustalenie orientacji początkowej oraz kompensację dryfu oraz błędu systematycznego czujników.

    IMU[ | edytuj kod]

    IMU (ang. inertial measurement unit) jest jednostką do nawigacji inercyjnej wyposażoną w jeden lub wiele trójosiowych żyroskopów i trójosiowych przyspieszeniomierzy. Rozwiązanie to pozwala na dokładne śledzenie orientacji obiektu w dwóch osiach. Pomiar azymutu odbywa się metodą zliczeniową, przez co podatny jest na zjawisko dryfu.

    Biblioteka Narodowa Izraela (hebr. הספרייה הלאומית; dawniej: Żydowska Biblioteka Narodowa i Uniwersytecka, hebr. בית הספרים הלאומי והאוניברסיטאי) – izraelska biblioteka narodowa w Jerozolimie.Prędkość kątowa w fizyce – wielkość wektorowa opisująca ruch obrotowy (np. ruch po okręgu). Jest wektorem (pseudowektorem) leżącym na osi obrotu i skierowanym zgodnie z regułą śruby prawoskrętnej.

    AHRS[ | edytuj kod]

    System AHRS (ang. attitude and heading reference system) stanowi uzupełnienie IMU o pomiar pola magnetycznego Ziemi przy użyciu magnetometru, dzięki czemu układ jest w stanie dokładnie śledzić orientację obiektu we wszystkich trzech osiach. Wyznaczanie orientacji odbywa się najczęściej przy użyciu algorytmów bazujących na filtrze Kalmana lub pochodnych Algorytmu Madgwicka.

    Stan ustalony – stan układu fizycznego, w którym opis tego układu jest niezależny od zmiennej czasu. Należy zwrócić uwagę, iż nie oznacza to braku ruchu, przepływu ciepła itp., a jedynie niezmienność tych wielkości w czasie.Library of Congress Control Number (LCCN) – numer nadawany elementom skatalogowanym przez Bibliotekę Kongresu wykorzystywany przez amerykańskie biblioteki do wyszukiwania rekordów bibliograficznych w bazach danych i zamawiania kart katalogowych w Bibliotece Kongresu lub u innych komercyjnych dostawców.

    Urządzenia stosowane do budowy układów nawigacji inercyjnej[ | edytuj kod]

    Żyroskop[ | edytuj kod]

    Jest to czujnik dostarczający informacji o prędkości kątowej obiektu, stanowiący podstawę działania układu nawigacji bezwładnościowej. Dzięki jego obecności możliwe jest śledzenie zmian orientacji obiektu, a przy znajomości orientacji początkowej także jego orientacji bezwzględnej.

    Statek powietrzny – urządzenie zdolne do unoszenia się (lotu) w atmosferze na skutek statycznego lub aerodynamicznego oddziaływania powietrza.Biblioteka Narodowa Francji (fr. Bibliothèque nationale de France, BnF) – francuska biblioteka narodowa, znajdująca się w Paryżu. Przewidziana jest jako repozytorium dla wszystkich materiałów bibliotecznych, wydawanych we Francji. Obecnym dyrektorem Biblioteki jest Bruno Racine.

    Urządzenia tego typu początkowo były wykonywane mechanicznie jako masywny, obracający się z dużą prędkością wirnik oraz układu śledzącego zmiany jego położenia. Jego zasada działania polegała na wymuszaniu precesji wirnika zgodnie z zasadą wahadła Schulera. Rozwiązania te cechowały się wysoką dokładnością, lecz jednocześnie niską wytrzymałością mechaniczną oraz odpornością na przeciążenia.

    Segway HT (czyli Segway Human Transporter; od drugiej generacji nazywa się Segway Personal Transporter – Segway PT) – dwuśladowy, dwukołowy, jednoosobowy pojazd elektryczny, zasilany z wbudowanych akumulatorów, kontrolowany przez komputer pokładowy, który jest odpowiedzialny za utrzymanie równowagi. Pojazd może rozwijać prędkość do 20 km/h (model P do 16 km/h).Statek kosmiczny – pojazd poruszający się poza atmosferą Ziemi. Pojazd ten musi być wyniesiony i rozpędzony do odpowiedniej prędkości przez silniki napędowe. Współczesne statki kosmiczne wynoszone są w górę dzięki napędowi rakietowemu, który wytwarza siłę odrzutu. Wyróżnia się kilka rodzajów statków kosmicznych:

    Rosnące, wraz z rozwojem techniki rakietowej oraz lotniczej, wymagania stawiane żyroskopom sprawiły, iż opracowano mikroukłady elektromechaniczne cechujące się miniaturowym rozmiarem oraz większą odpornością na przeciążenia – jednak kosztem dokładności i podatności na wpływ temperatury. Układy tego typu chętnie stosowane są do stabilizacji bezzałogowców, ponieważ mają niską wagę i cenę oraz posiadają interfejsy analogowe lub cyfrowe do komunikacji z mikroprocesorami.

    Żyroskop (gr. gyros - obrót, skopeo - obserwować) – urządzenie do pomiaru lub utrzymywania położenia kątowego, działające w oparciu o zasadę zachowania momentu pędu. Został wynaleziony przez francuskiego fizyka Jeana Foucaulta w 1852 roku.Analogowe przetwarzanie sygnałów – dział techniki dotyczący przetwarzania sygnałów analogowych, czyli takich, które mogą zmieniać się w sposób ciągły. Matematyczne algorytmy przetwarzania analogowego są implementowane w postaci obwodów elektronicznych, układów mechaniczno-pneumatycznych. W obwodach elektronicznych operacje matematyczne takie jak mnożenie czy całkowanie realizują odpowiednie układy rezystorów, kondensatorów, cewek, wzmacniaczy operacyjnych i innych elementów. W przypadku układów pneumatycznych odpowiednie zestawy zbiorników, zaworów i dysz wykonują podobne funkcje.

    Przyspieszeniomierz[ | edytuj kod]

    Jest to czujnik, zwykle mikroukład elektromechaniczny, dostarczający informacji o wypadkowej sile działającej na obiekt. Ze względu na fakt, iż podczas poruszania się obiektu w stanie ustalonym działa na niego jedynie siła grawitacji, jest on chętnie stosowany do pomiaru wektora grawitacji jako układu odniesienia. Pomiary dokonywane przez ten czujnik mogą być także wykorzystywane do nawigacji zliczeniowej. Współcześnie przyśpieszeniomierze, podobnie do żyroskopów, wytwarzane są jako układy MEMS. Układu tego typu są wrażliwe na zmiany temperatury co rzutuje bezpośrednio na jakość pomiarów.

    Ziemskie pole magnetyczne – pole magnetyczne występujące naturalnie wewnątrz i wokół Ziemi. Odpowiada ono w przybliżeniu polu dipola magnetycznego z jednym biegunem magnetycznym w pobliżu geograficznego bieguna północnego i z drugim biegunem magnetycznym w pobliżu bieguna południowego. Linia łącząca bieguny magnetyczne tworzy z osią obrotu Ziemi kąt 11,3°. Pole magnetyczne rozciąga się na kilkadziesiąt tysięcy kilometrów od Ziemi, a obszar w którym ono występuje nazywa się ziemską magnetosferą.Mikroukład elektromechaniczny, mikrosystem elektromechaniczny, mikrourządzenie elektromechaniczne, MEMS (od ang. microelectromechanical system) – zintegrowana struktura elektromechaniczna, której co najmniej jeden wymiar szczególny znajduje się w skali mikro (0,1–100 μm).

    Magnetometr[ | edytuj kod]

    Kolejnym elementem używanym przez jednostki nawigacji bezwładnościowej jest magnetometr, mierzący ziemskie pole magnetyczne, wykonany zazwyczaj także jako układ scalony.

    Przypisy[ | edytuj kod]

    1. AHRS czyli punkt widzenia zależy od punktu siedzenia – becomeapro.pl, „becomeapro.pl”, 6 kwietnia 2017 [dostęp 2017-06-14] (pol.).
    2. Manon Kok, Jeroen D. Holand Thomas B. Schon, Using Inertial Sensors for Positionand Orientation Estimation, 2018.
    3. Kubeł zimnej wody - dokładność czujników – becomeapro.pl, „becomeapro.pl”, 8 marca 2017 [dostęp 2017-06-14] (pol.).
    Kontrola autorytatywna – w terminologii bibliotekoznawczej określenie procedur zapewniających utrzymanie w sposób konsekwentny haseł (nazw, ujednoliconych tytułów, tytułów serii i haseł przedmiotowych) w katalogach bibliotecznych przez zastosowanie wykazu autorytatywnego zwanego kartoteką wzorcową.Cyfrowe przetwarzanie sygnałów, CPS (ang.) Digital Signal Processing, DSP – dziedzina nauki i techniki zajmująca się sygnałami cyfrowymi i metodami ich przetwarzania.




    Warto wiedzieć że... beta

    Układ scalony (ang. integrated circuit, chip, potocznie po polsku kość) – zminiaturyzowany układ elektroniczny zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystor, dioda półprzewodnikowa, opornik i kondensator.
    Gemeinsame Normdatei (GND) – kartoteka wzorcowa, stanowiąca element centralnego katalogu Niemieckiej Biblioteki Narodowej (DNB), utrzymywanego wspólnie przez niemieckie i austriackie sieci biblioteczne.
    Bezzałogowy statek powietrzny (ang. unmanned aerial vehicle, UAV), bezzałogowy system powietrzny (ang. unmanned aerial system, UAS), dron – statek powietrzny, który nie wymaga do lotu załogi obecnej na pokładzie oraz nie ma możliwości zabierania pasażerów, pilotowany zdalnie lub wykonujący lot autonomicznie. Bezzałogowe statki powietrzne (BSP) są obecnie wykorzystywane głównie przez siły zbrojne do obserwacji i rozpoznania przez co zwykle wyposażone są w osprzęt służący do obserwacji w postaci głowic optoelektronicznych. Uzbrojone i przeznaczone do wykonywania działań bojowych statki są określane jako Unmanned combat air vehicle (UCAV).
    Nawigacja zliczeniowa – ustalanie pozycji statku uzyskiwane poprzez obliczenie przebytej przez statek drogi od ostatniej pozycji obserwowanej. Obliczenia dokonuje się ustalając pozycję jednostki na podstawie kursu i szybkości (według liczby obrotów śruby lub wskazań logu).

    Reklama