И снова мы здесь..
Всем привет!
После долгого перерыва мы возвращаемся с новой статьей в стиле НаучПоп. Здесь мы расскажем про инерциальные навигационные системы: из чего они состоят и где применяются. "Поехали, братцы!"
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 мощнейшим 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?
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. Измеряя 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.
По теме: Астрономы впервые наблюдали за рождением системы с двумя нейтронными звездами.
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.
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 или Меджвика, решает задачи навигации и ориентации, а потом выдает обработанные данные о положении тела в пространстве.
ИНС
Таким образом, мы собираем инерциальную навигационную систему, которая может выдавать готовое навигационное решение. Теперь нужно объяснить, где она необходима, ведь есть же спутниковая навигация, зачем нам добавлять еще одно устройство.
Авиация
Самолет, это самый простой пример. Жизни людей в приоритете, соответственно, нам нужен избыток датчиков, в том числе и резервных, поэтому на летательных аппаратах, от которых зависят жизни людей стоят дублирующие навигационные системы. Не волнуйтесь насчет плохой погоды или каких-либо помех спутникам - на гражданских самолетах есть несколько резервных и основных инерциальных навигационных систем, которые устойчивы к внешним факторам.
Мониторы Курса, Крена и ТангажаСудостроение
Под водой спутниковый сигнал не ловит. Абсолютно.
На воде тоже 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 огромные 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.
Вывод
Таким образом мы рассмотрели основные составляющие инерциальной навигационной системы и отрасли ее использования, в следующей статье мы более детально рассмотрим применения ИНС на примерах кейсов нашей компании.
Стоит еще зайти сюда: Новости науки и техники.
Источник статьи: Инерциальные навигационные системы.