מהו ניווט אינרציאלי?
יסודות הניווט האינרציאלי
עקרונות היסוד של ניווט אינרציאלי דומים לאלה של שיטות ניווט אחרות. הוא מסתמך על רכישת מידע מפתח, כולל המיקום ההתחלתי, הכיוון הראשוני, כיוון התנועה והאוריינטציה בכל רגע, ושילוב הדרגתי של נתונים אלה (בדומה לפעולות אינטגרציה מתמטיות) כדי לקבוע במדויק פרמטרי ניווט, כגון אוריינטציה ומיקום.
תפקידם של חיישנים בניווט אינרציאלי
כדי לקבל את המידע הנוכחי על הכיוון (הגישה) והמיקום של עצם נע, מערכות ניווט אינרציאליות משתמשות במערכת של חיישנים קריטיים, המורכבים בעיקר מדי תאוצה וג'ירוסקופים. חיישנים אלה מודדים את המהירות הזוויתית והתאוצה של נושא הגל במערכת ייחוס אינרציאלית. הנתונים משולבים ומעובדים לאורך זמן כדי להפיק מידע על מהירות ומיקום יחסי. לאחר מכן, מידע זה מומר למערכת קואורדינטות ניווט, יחד עם נתוני המיקום ההתחלתיים, ומסתיים בקביעת המיקום הנוכחי של נושא הגל.
עקרונות הפעולה של מערכות ניווט אינרציאליות
מערכות ניווט אינרציאליות פועלות כמערכות ניווט פנימיות עצמאיות בלולאה סגורה. הן אינן מסתמכות על עדכוני נתונים חיצוניים בזמן אמת כדי לתקן שגיאות במהלך תנועת נושאת המטוסים. ככזו, מערכת ניווט אינרציאלית אחת מתאימה למשימות ניווט קצרות טווח. עבור פעולות ארוכות טווח, יש לשלב אותה עם שיטות ניווט אחרות, כגון מערכות ניווט מבוססות לוויינים, כדי לתקן מעת לעת את השגיאות הפנימיות המצטברות.
הסתרת הניווט האינרציאלי
בטכנולוגיות ניווט מודרניות, כולל ניווט שמימי, ניווט לווייני וניווט רדיו, ניווט אינרציאלי בולט כאוטונומי. הוא אינו פולט אותות לסביבה החיצונית ואינו תלוי בעצמים שמימיים או באותות חיצוניים. כתוצאה מכך, מערכות ניווט אינרציאליות מציעות את רמת ההסתרה הגבוהה ביותר, מה שהופך אותן לאידיאליות עבור יישומים הדורשים סודיות מרבית.
הגדרה רשמית של ניווט אינרציאלי
מערכת ניווט אינרציאלית (INS) היא מערכת להערכת פרמטרים של ניווט המשתמשת בג'ירוסקופים ומדי תאוצה כחיישנים. המערכת, המבוססת על פלט הג'ירוסקופים, יוצרת מערכת קואורדינטות ניווט תוך שימוש בפלט של מדי תאוצה לחישוב המהירות והמיקום של נושא הגלגל במערכת קואורדינטות הניווט.
יישומים של ניווט אינרציאלי
טכנולוגיה אינרציאלית מצאה יישומים נרחבים בתחומים מגוונים, כולל תעופה וחלל, ימית, חיפושי נפט, גיאודזיה, סקרים אוקיינוגרפיים, קידוחים גיאולוגיים, רובוטיקה ומערכות רכבת. עם הופעתם של חיישנים אינרציאליים מתקדמים, הטכנולוגיה האינרציאלית הרחיבה את שימושה לתעשיית הרכב ולמכשירים אלקטרוניים רפואיים, בין היתר. היקף יישומים הולך וגובר זה מדגיש את התפקיד המרכזי ההולך וגדל של ניווט אינרציאלי במתן יכולות ניווט ומיקום מדויקות עבור מגוון רחב של יישומים.
המרכיב המרכזי של הנחיה אינרציאלית:גירוסקופ סיבים אופטיים
מבוא לגירוסקופים של סיבים אופטיים
מערכות ניווט אינרציאלי מסתמכות במידה רבה על הדיוק והדיוק של רכיבי הליבה שלהן. רכיב אחד כזה ששיפר משמעותית את יכולותיהן של מערכות אלו הוא גירוסקופ סיבים אופטיים (FOG). FOG הוא חיישן קריטי הממלא תפקיד מרכזי במדידת מהירות הזווית של נושא הגל בדיוק יוצא דופן.
פעולת גירוסקופ סיבים אופטיים
סיבים אופטיים מסוג FOG פועלים על פי עקרון אפקט סגנאק, הכולל פיצול קרן לייזר לשני מסלולים נפרדים, המאפשרים לה לנוע בכיוונים מנוגדים לאורך לולאת סיב אופטי מפותלת. כאשר הגליל, המשובץ ב-FOG, מסתובב, ההפרש בזמן התנועה בין שתי הקרניים פרופורציונלי למהירות הזוויתית של סיבוב הגליל. השהיית זמן זו, המכונה הסטה פאזתית של סגנאק, נמדדת במדויק, מה שמאפשר ל-FOG לספק נתונים מדויקים בנוגע לסיבוב הגליל.
עקרון הפעולה של גירוסקופ סיב אופטי כרוך בפליטת קרן אור מגלאי אור. קרן אור זו עוברת דרך מצמד, נכנסת מקצה אחד ויוצאת מקצה אחר. לאחר מכן היא עוברת דרך לולאה אופטית. שתי אלומות אור, המגיעות מכיוונים שונים, נכנסות ללולאה ומשלימות סופרפוזיציה קוהרנטית לאחר סיבוב. האור החוזר נכנס שוב לדיודה פולטת אור (LED), המשמשת לגילוי עוצמתה. בעוד שעקרון הפעולה של גירוסקופ סיב אופטי עשוי להיראות פשוט, האתגר המשמעותי ביותר טמון בביטול גורמים המשפיעים על אורך הנתיב האופטי של שתי אלומות האור. זוהי אחת הסוגיות הקריטיות ביותר העומדות בפני פיתוח גירוסקופים סיב אופטי.
1: דיודה סופר-לומינסנטית 2: דיודת פוטוגלאי
3. מצמד מקור אור 4.מצמד טבעת סיבים 5. טבעת סיבים אופטיים
יתרונות של גירוסקופים סיבים אופטיים
ל-FOGs מספר יתרונות שהופכים אותם לבעלי ערך רב במערכות ניווט אינרציאליות. הם ידועים בדיוקם יוצאי הדופן, אמינותם ועמידותם. בניגוד לג'ירוסקופים מכניים, ל-FOGs אין חלקים נעים, מה שמפחית את הסיכון לבלאי. בנוסף, הם עמידים בפני זעזועים ורעידות, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור סביבות תובעניות כמו יישומי תעופה וחלל וביטחון.
שילוב של גירוסקופים סיבים אופטיים בניווט אינרציאלי
מערכות ניווט אינרציאליות משלבות יותר ויותר ג'ירוסקופים מסוג FOG (גירוסקופים בעלי מהירות זוויתית) בשל דיוקן ואמינותן הגבוהים. ג'ירוסקופים אלה מספקים את מדידות המהירות הזוויתיות החשובות הנדרשות לקביעה מדויקת של כיוון ומיקום. על ידי שילוב ג'ירוסקופים מסוג FOG במערכות ניווט אינרציאליות קיימות, מפעילים יכולים ליהנות מדיוק ניווט משופר, במיוחד במצבים בהם נדרש דיוק קיצוני.
יישומים של גירוסקופים סיבים אופטיים בניווט אינרציאלי
הכללתן של מערכות ניווט אינרציאליות (FOGs) הרחיבה את היישומים של מערכות ניווט אינרציאליות בתחומים שונים. בתעופה וחלל, מערכות המצוידות ב-FOG מציעות פתרונות ניווט מדויקים עבור מטוסים, רחפנים וחלליות. הן נמצאות בשימוש נרחב גם בניווט ימי, סקרים גיאולוגיים ורובוטיקה מתקדמת, מה שמאפשר למערכות אלו לפעול עם ביצועים ואמינות משופרים.
וריאציות מבניות שונות של גירוסקופים סיבים אופטיים
גירוסקופים של סיבים אופטיים מגיעים בתצורות מבניות שונות, כאשר השולט שבהם הנכנס כיום לתחום ההנדסה הוא ה-גירוסקופ סיב אופטי לשמירת קיטוב בלולאה סגורהבליבת הג'ירוסקופ הזה נמצא ה-לולאת סיבים לשמירה על קיטוב, הכולל סיבים השומרים על קיטוב ומסגרת שתוכננה במדויק. בניית לולאה זו כוללת שיטת ליפוף סימטרית מרובעת, בתוספת ג'ל איטום ייחודי ליצירת סליל לולאת סיב במצב מוצק.
תכונות עיקריות שלסיבים אופטיים לשמירה על קיטוב Gסליל יירו
▶עיצוב מסגרת ייחודי:לולאות הג'ירוסקופ כוללות עיצוב מסגרת ייחודי המתאים בקלות לסוגים שונים של סיבים השומרים על קיטוב.
▶טכניקת ליפוף סימטרי ארבע-פעמי:טכניקת הליפוף הסימטרית הארבע-פימית ממזערת את אפקט Shupe, ומבטיחה מדידות מדויקות ואמינות.
▶חומר ג'ל איטום מתקדם:השימוש בחומרי ג'ל איטום מתקדמים, בשילוב עם טכניקת ריפוי ייחודית, משפר את העמידות בפני רעידות, מה שהופך את לולאות הגירוסקופ הללו לאידיאליות עבור יישומים בסביבות תובעניות.
▶ יציבות קוהרנטית בטמפרטורה גבוהה:לולאות הגירוסקופ מפגינות יציבות קוהרנטיות גבוהה בטמפרטורה, מה שמבטיח דיוק גם בתנאים תרמיים משתנים.
▶מסגרת קלת משקל פשוטה:לולאות הגירוסקופ מתוכננות עם מסגרת פשוטה אך קלת משקל, המבטיחה דיוק עיבוד גבוה.
▶ תהליך ליפוף עקבי:תהליך הליפוף נשאר יציב, ומתאים את עצמו לדרישות של גירוסקופים אופטיים מדויקים שונים.
הַפנָיָה
גרובס, פ.ד. (2008). מבוא לניווט אינרציאלי.כתב העת לניווט, 61(1), 13-28.
אל-שיימי, נ., הו, ה., וניו, ש. (2019). טכנולוגיות חיישנים אינרציאליים ליישומי ניווט: הטכנולוגיה העדכנית ביותר.ניווט לווייני, 1(1), 1-15.
וודמן, או ג'יי (2007). מבוא לניווט אינרציאלי.אוניברסיטת קיימברידג', מעבדת מחשבים, UCAM-CL-TR-696.
צ'אטילה, ר., ולומונד, ג'יי.פי. (1985). ייחוס מיקום ומידול עולם עקבי עבור רובוטים ניידים.בדברי הכנס הבינלאומי של IEEE לרובוטיקה ואוטומציה משנת 1985(כרך 2, עמ' 138-145). IEEE.
צריכים ייעוץ חינם?
חלק מהפרויקטים שלי
עבודות מדהימות שתרמתי להן. בגאווה!
