مقدمه‌ای بر فناوری اینرسی

(3) ترکیب سیستم ناوبری اینرسیایی

سیستم ناوبری اینرسیایی (INS) یک راه‌حل ناوبری کاملاً خودکار است که به طور گسترده در هوافضا، پهپادها، کشتی‌ها، رباتیک و کاربردهای صنعتی پیشرفته استفاده می‌شود. بر خلاف سیستم‌های مبتنی بر ماهواره، INS به سیگنال‌های خارجی متکی نیست. در عوض، موقعیت، سرعت و جهت‌گیری را صرفاً از طریق حسگرهای داخلی و الگوریتم‌ها محاسبه می‌کند.

این مقاله ترکیب کامل سیستم یک INS و نحوه عملکرد زیرسیستم‌های آن برای ارائه ناوبری دقیق و قابل اعتماد را توضیح می‌دهد.

1. مروری بر سیستم ناوبری اینرسیایی

یک INS حرکت یک پلتفرم را با اندازه‌گیری مداوم شتاب و سرعت زاویه‌ای تعیین می‌کند. این اندازه‌گیری‌ها از طریق الگوریتم‌های ناوبری پردازش می‌شوند تا موارد زیر محاسبه شوند:

• موقعیت

• سرعت

• جهت‌گیری (چرخش، گام، انحراف)

برای دستیابی به این هدف، یک INS ترکیبی از سخت‌افزار دقیق، ساختارهای مکانیکی، الکترونیک و روش‌های کالیبراسیون را ادغام می‌کند.

2. ترکیب سیستم

اجزای اصلی یک سیستم ناوبری اینرسیایی عبارتند از:

(1) واحد اندازه‌گیری اینرسیایی (IMU)

IMU هسته حسگر INS است. این موارد را ادغام می‌کند:

• ژیروسکوپ
  سرعت زاویه‌ای چرخش حول سه محور را اندازه‌گیری می‌کند.

• شتاب‌سنج
  شتاب خطی را در امتداد سه محور اندازه‌گیری می‌کند.

این شش درجه آزادی با هم داده‌های حرکتی خام مورد نیاز برای محاسبات ناوبری را فراهم می‌کنند.

(2) کامپیوتر ناوبری

کامپیوتر ناوبری مسئول تبدیل سیگنال‌های خام IMU به اطلاعات ناوبری قابل استفاده است.

این کارها را انجام می‌دهد:

• جمع‌آوری و پردازش داده‌ها
  فیلتر کردن، نمونه‌برداری و تبدیل خروجی‌های حسگر.

• راه‌حل ناوبری
  الگوریتم‌هایی مانند محاسبه استرپ‌داون، ادغام جهت‌گیری، به‌روزرسانی سرعت و محاسبه موقعیت را پیاده‌سازی می‌کند.

• جبران خطا
  داده‌های کالیبراسیون، حذف بایاس، تصحیح ضریب مقیاس و جبران دما را اعمال می‌کند.

(3) سیستم میرایی

برای اطمینان از دقت مداوم، سیستم میرایی حرکت پلتفرم را تثبیت می‌کند و تأثیر ارتعاشات، ضربه و اختلالات مکانیکی را کاهش می‌دهد.

عملکردهای آن عبارتند از:

• به حداقل رساندن نویز حسگر ناشی از ارتعاش

• تامین میرایی برای نوسانات مکانیکی

• کمک به تراز دقیق

طراحی میرایی به ویژه در کاربردهای هوابرد و سیار حیاتی است.

(4) سیستم الکترونیکی

سیستم الکترونیکی مدیریت توان، تنظیم سیگنال و رابط‌های ارتباطی را فراهم می‌کند.

عناصر کلیدی:

• تنظیم و توزیع توان

• مدارهای پردازش سیگنال دیجیتال

• پروتکل‌های ارتباطی (CAN، RS422، اترنت و غیره)

• نظارت و حفاظت از سیستم

(5) ساختار مکانیکی

ساختار مکانیکی، پایه فیزیکی INS را فراهم می‌کند.
یک ساختار مکانیکی با طراحی خوب، موارد زیر را بهبود می‌بخشد:

• مقاومت در برابر لرزش

• پایداری حرارتی

• یکپارچگی ساختاری بلندمدت

• مقاومت محیطی

این بخش تضمین می‌کند که سیستم تحت شرایط سخت به طور مداوم عمل می‌کند.

3. پارامترهای اولیه و مکانیزم‌های کالیبراسیون

برای دستیابی به دقت مطلوب، یک INS به چندین لایه کالیبراسیون و مقداردهی اولیه نیاز دارد.

(1) پارامترهای اولیه

اینها شامل بایاس حسگر، زوایای نصب، ضرایب مقیاس و ضرایب محیطی هستند.

(2) موقعیت اولیه

سیستم برای شروع محاسبات ناوبری به یک مختصات شروع دقیق نیاز دارد.

(3) کالیبراسیون دما

حسگرهای IMU بسیار به دما حساس هستند.
کالیبراسیون دما برای موارد زیر جبران می‌کند:

• راندگی بایاس

• تغییرات ضریب مقیاس

• اثرات غیرخطی دما

این برای عملکرد با دقت بالا ضروری است.

(4) تراز و کالیبراسیون اولیه

تراز اولیه، مرجع جهت‌گیری (چرخش / گام / هدینگ) را ایجاد می‌کند.
دو نوع تراز رایج:

• تراز استاتیک – انجام شده زمانی که سیستم ثابت است

• تراز دینامیکی – انجام شده در حین حرکت، با کمک الگوریتم‌ها

تراز مناسب، خروجی هدینگ و جهت‌گیری دقیق را در طول عملیات تضمین می‌کند.

4. خروجی INS

پس از پردازش تمام داده‌های حسگر و اعمال اصلاحات، INS خروجی می‌دهد:

• جهت‌گیری (چرخش، گام، انحراف)

• سرعت (شمال/شرق/پایین یا XYZ)

• موقعیت (مختصات GPS یا سیستم مختصات محلی)

• پارامترهای خطا (تشخیص، وضعیت، شاخص‌های کیفیت)

دقت این خروجی‌ها به کیفیت حسگر، تکمیل کالیبراسیون و عملکرد الگوریتم بستگی دارد.

5. نتیجه‌گیری

سیستم ناوبری اینرسیایی یک فناوری پیچیده اما قدرتمند است که بر اساس حسگرهای دقیق، الگوریتم‌های پیچیده و فرآیندهای کالیبراسیون پیشرفته ساخته شده است. توانایی آن در ارائه ناوبری بدون وقفه در محیط‌های فاقد GNSS، آن را در کاربردهای مدرن هوافضا، دفاعی، رباتیک و صنعتی غیرقابل جایگزین می‌کند.

درک ترکیب کامل سیستم INS—IMU، کامپیوتر ناوبری، میرایی، زیرسیستم الکترونیکی، ساختار مکانیکی و گردش کار کالیبراسیون—به کاربران کمک می‌کند تا عمق و اهمیت فنی آن را درک کنند.