И снова мы здесь..
Всем привет!
После долгого перерыва мы возвращаемся с новой статьей в стиле НаучПоп!
Инерциальная навигационная система - это модуль, состоящий из триады гироскопов, акселерометров, встроенного приемника ГНСС и микроконтроллера. Гироскоп (датчик угловой скорости) определяет угловые скорости, а акселерометр фиксирует линейные ускорения. Опционально добавляют барометр и магнетометр для дополнительной коррекции инерциальных данных. С помощью ИНС можно обеспечить беспрерывное навигационное решение (данные о положении тела в трех-осевой системе координат) даже в ситуации с временными прерываниями сигнала от спутника. В этой статье мы подробно разберем то, из чего ИНС состоят и в каких отраслях инерциальные системы используются.
"Поехали, братцы!" - А.С. Тимошенков, д.т.н.
Ориентация и навигация
Давайте начнем издалека. Для того, чтобы мы успешно ходили по этой бренной земле и не путали потолок с паркетом, природа дала нам (впрочем не стоит обольщаться - природа дала его не только нам) удивительный механизм - вестибулярный аппарат. Это чрезвычайно сложный орган, задача которого воспринимать положение и движение в пространстве человеческого тела, а также его частей. Сигналы вестибулярного аппарата обрабатываются мощнейшим компьютером - головным мозгом.
Забегая вперед, скажу, что природа нас укомплектовала почти совершенной "инерциальной навигационной системой" с высокоэффективным вычислителем.
По аналогии с нашим организмом, представим какую-нибудь подводную лодку, робота или самолет. Всем этим супер сложным системам нужно понимать свое положение в пространстве и мы, как изобретатели, должны обеспечить их этим благом.
Наиболее распространенный метод навигации сегодня - СНС (спутниковая навигационная система). СНС имеет ряд недостатков, самый критичный из которых - возможность пропадания сигнала от спутника, что, безусловно, довольно грустно, если речь идет о самолете.
Не забываем, что мы - изобретатели!
Как будем выходить из ситуации с пропаданием спутникового сигнала?
ИНС
Для того, чтобы обеспечить навигацию в отсутствии спутника используются инерциальные навигационные системы, благодаря которым мы получаем готовое навигационное решение на основе инерциальных данных. Триада акселерометров и гироскопов позволяет определять крен(roll), тангаж(pitch) и курс(yaw), магнетометр и барометр используются для коррекции данных, а встроенный ГНСС приемник позволяет корректировать и улучшать инерциальные данные, когда спутниковый сигнал есть. Когда сигнал пропадает, мы получаем необходимое время, чтобы выйти из зоны помех.
Гироскоп
В нашем мире есть множество сил и ускорений. Различные инерциальные воздействия, возмущения и их сигналы уже вряд ли пропадут, соответственно осталось найти сенсор, который бы эти возмущения фиксировал. В первой статье я рассказывал про гироскоп, на сегодняшний день гироскоп - это датчик угловых скоростей. Измерив угловые скорости, мы их интегрируем и получаем углы наклона тела, соответственно, решаем задачу ориентации. Вот первый необходимый нам сенсор.
Помимо скоростей в мире есть еще и ускорения, например различные линейные ускорения, к которым относится ускорение свободного падения g. Мы, как инженеры-изобретатели, знаем, что это такое, но я проговорю еще раз, на всякий случай. Сила тяжести - это сила притяжения любых объектов, обладающих массой, причем, чем больше масса, тем больше и сила тяжести. Физика нам говорит, что сила раскладывается на ускорение и массу, которая этому ускорению подвержена. Вектор Силы тяжести направлен к центру земли.
Акселерометр
Чтобы точнее считать навигацию и ориентацию создали акселерометр - это сенсор, который определяет вектор кажущейся Силы тяжести. Аксы позволили нашему самолету понимать его положение относительно земли. Более того, когда тело находится без движения, то есть никаких скоростей нет, гироскопы не могут определить ориентацию. А вот акселерометры это сделать могут, т.к. они знают, где находится земля. К примеру, в наших модулях ГКВ есть выставка в статике, когда модуль выдает крен и тангаж, находясь в покое.
Вычислитель
Как у человека есть мозг, так и технике нужен компьютер, который будет обрабатывать данные с сенсоров. То есть сенсоры - это просто чувствительные элементы, они фиксируют воздействия.
Данные с датчиков идут в микроконтроллер ИНС, содержащий математические алгоритмы. Математический движок, включающий в себя, к примеру Фильтр Калмана, решает задачи навигации и ориентации, а потом выдает обработанные данные о положении тела в пространстве.
Фильтр Калмана - это мощный математический инструмент, позволяющий определять ложные данные от сенсора, говоря простыми словами, он позволяет предугадать следующую координату тела, основываясь на предыдущих данных. Таким образом навигационное решение становится стабильнее и качественнее.
Авиация
Самолет - это самый простой пример. Нет ничего ценнее жизней людей. Поэтому на борту устанавливается избыток датчиков, в том числе и резервных.
На летательных аппаратах, от которых зависит безопасность человека помимо основных ИНС, стоят дублирующие навигационные системы. Не волнуйтесь насчет плохой погоды или каких-либо помех спутникам - бортовая аппаратура на гражданских самолетах, устойчива к внешним факторам.
Судостроение
Под водой спутниковый сигнал не ловит. Абсолютно.
На воде тоже есть трудности, так как качка не способствует точности СНС-данных, а ориентироваться как-то нужно. Именно поэтому на кораблях используют гирокомпасы или же полноценные инерциальные системы.
С подводными лодками еще интереснее - под толщей воды спутниковый сигнал не проходит, но ориентироваться как-то надо. Задачу навигации подводных лодок начали решать с середины прошлого века, причем огромный вклад в это внесли советские ученые того же МИЭА. Проблема в том, что по определению все объекты в нашем мире "шумят", что приводит к дезориентации инерциальных датчиков. То есть у всех видов инерциальных систем, если не использовать внешние корректоры, появляется проблема "уплывания показаний" - навигационное решение разваливается. Причем неважно, используете ли вы эталонные волоконно-оптические системы за много миллионов или же новые микроэлектромеханические модули. Поэтому на подводных лодках используют большие механические гиросистемы, которые создаются в специальных условиях и эксплуатируются в резервуаре с вязкой жидкостью, они не имеют потерь стабильности от "шума" и являются самыми точными приборами, которые можно придумать.
Заключение
Мы рассмотрели основные составляющие инерциальной навигационной системы и принцип их работы, в общих чертах обсудили отрасли использования ИНС. А в следующей статье мы более детально рассмотрим, как ИНС решает различные задачи, где применяется, а также приведем примеры кейсов нашей компании.