2. Базовые элементы инерциальных навигационных приборов
Основой инерциальной навигационной системы являются установленные на платформу тройки акселерометров и гироскопов, оси чувствительности которых ориентированы по координатным осям целевой системы координат. Рассмотрим конструктивные особенности этих приборов.
Акселерометр (от лат. accelero «ускоряю» и греч. μετρεσ «измеряю») предназначен для измерения возникающих на движущихся объектах ускорений (перегрузок), которые необходимы для счисления пути. Акселерометры различаются:
по виду исследуемого движения (датчик линейный или угловой скорости, ускорения и др.);
по принципу действия (механический акселерометр, электромеханический и др.);
по назначению (для измерений ускорения и определения скорости и ускорения, определения местоположения и др.),
Т
ак,
в механическом акселерометре с одной
осью чувствительности ускорение
воспринимается маятниковым устройством,
отклонение которого от положения
равновесия фиксируется с помощью
стрелки-указателя, потенциометра и пр.
В электромеханическом акселерометре
ускорение воспринимается специальным
датчиком, изменяющим свой параметр
(сопротивление, емкость и пр.) пропорционально
воздействию внешней силы, и фиксируется,
например, на осциллографе.
Простейший механический маятниковый акселерометр (рис. 10.3) представляет собой инерционную массу m (например, грузик), которая через упругую пружину связана корпусом прибора. Под воздействием ускорения масса m перемещается вдоль оси чувствительности l1l2 и сжимает (растягивает) пружину.
Величина смещения инерционной массы регистрируется датчиком перемещения (потенциометром), вырабатывающим сигнал U, величина напряжения которого пропорциональна этому смещению (связь показаний потенциометра и силой натяжения пружины устанавливается при изготовлении и тарировании прибора). Усиленный сигнал используется для выработки противодействующей силы пружины, что позволяет возвратить грузик в исходное положение. Тем самым осуществляется мгновенная реакция акселерометра на возникающие ускорения путем измерения и регистрации данных. На основе этой информации определяется мгновенное ускорение, скорость перемещения объекта и его мгновенное пространственное положение.
Акселерометры характеризуются стабильностью масштабного коэффициента (нелинейностью), чувствительностью и диапазоном измерений, причем, два первых параметра определяют точность работы системы в целом, класс прибора и возможности его использования для решения конкретных задач.
Точность показаний акселерометра определяется погрешностями измерения ускорения, и, следовательно, зависит от точности регистрации смещений чувствительной массы, сил трения, параметров жесткости пружины (для механических приборов) и пр.
Уменьшение погрешностей измерений достигается снижением трения в элементах конструкции акселерометра. С этой целью инерционную массу m акселерометра (рис. 10.3) помещают на бесконтактном подвесе в электрическое или магнитное поле, вакуум или в жидкость с большим удельным весом (для уравновешивания массы m гидростатическими силами) и пр. Точность измерения ускорения современными акселерометрами сопоставима с точностью полевых гравиметров и достигает 0,1 мГал (10−7g).
Гироскоп (греч. γυρο – «вращение» и σκοπεω – «смотрю», «наблюдаю») используется в инерциальной навигации для воспроизведения системы отсчёта путем определения углов поворота и наклона платформы. Прибор был предложен в 1852 г. французским ученым Леоном Фуко для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. Обычно он представляет собой вращающийся маховик, помещенный в кардановый подвес, поэтому долгое время слово «гироскоп» использовалось для обозначения быстро закрученного вращающегося симметричного твердого тела.
Простейшим, с детства знакомым гироскопом является волчок, стремящийся сохранить направление своей оси в пространстве. Такой гироскоп называется позиционным и используется для стабилизации положения платформы (или аэрокамеры).
В инерциальной навигации находят применение гироскопы – датчики угловой скорости (ДУСы), у которых, в отличие от позиционных гироскопов, ось вращения зажата, и при повороте платформы возникает кориолисова сила, величина которой пропорциональна угловой скорости; ее интегрирование по времени позволяет вычислить угол наклона соответствующей координатной оси.
Области применения гироскопов достаточно разнообразны, поскольку с их помощью можно определять угловые отклонения от заданного направления и угловые скорости перемещения, стабилизировать положение объектов в пространстве и пр.
В настоящее время создано ряд конструкций гироскопов, в частности [37]:
поплавковые с погруженными в жидкость элементами и ротором, вращающимся на воздушной подушке в аэродинамических подшипниках при практически полном отсутствии трения;
кольцевые лазерные гироскопы (RLG – Ring Laser Gyroscope), в которых угол отклонения оси чувствительности определяется на основе эффекта интерференции встречных волн, распространяющихся по замкнутому кругу;
волоконно-оптические (FOG – Fiber-Optic Gyroscope), использующие аналогичный эффект распространения встречных волн в многовитковой катушке оптического волновода, частью которого является свернутое в спираль оптическое волокно;
м
икромеханические,
построенные по технологии MEMS
(Micro
Electro
Mechanical
Systems)
или iMEMS
(интегральные MEMS)
и представляющие собой выполненную на
одном кристалле кремния интегральную
микросхему малого размера и веса (рис.
10.4). Низкая
стоимость и малые размеры таких
гироскопов открывают возможность их
широкого применения в автомобилях,
телескопах, персональных компьютерах,
мобильных робототехнических устройствах,
детских игрушках и пр.
Погрешности работы гироскопа характеризуются стабильностью масштабного коэффициента, измеряемой в процентах, и дрейфом (скоростью ухода его оси от первоначального положения), измеряемым в градусах в час (/час). Численные значения этих показателей определяются особенностями конструкции гироскопа и составляют [37]:
стабильность масштабного коэффициента: от 10 – 100 % у кварцевых, кремниевых и микромеханических гироскопов, до 10-4 – 10-5 % у волоконно-оптических и лазерных гироскопов;
дрейф: от 1 – 100 /час у механических и микромеханических гироскопов до 10-3 – 10-5 у электростатических, поплавковых и кольцевых лазерных гироскопов.
Значительные погрешности работы гироскопов требуют коррекции их показаний, способ выполнения и периодичность которой определяется величинами погрешностей измерений. В последние годы для этой цели используются спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС, что объясняет повышенный интерес к интегрированным навигационным системам, объединяющим инерциальные и спутниковые измерения.