יחידת מדידה אינרציאלית – הבדלי גרסאות
תוכן שנמחק תוכן שנוסף
מ הוספת קטגוריה:ניווט באמצעות HotCat |
העברה מהערך "מערכת ניווט אינרציאלית" |
||
שורה 1:
{{בעבודה}}
'''IMU''' (ראשי תיבות של: Internal Measurement Unit) הוא הכינוי הנפוץ למערכת אלקטרונית אשר מודדת ומדווחת על כח כלשהוא שפועל עליה, על שעור הסיבוב ולפעמים על השדה המגנטי שסביבה בעזרת שילוב של מדי תאוצה, גירוסקופים ומגנטומטרים.
== פירוט סוגי IMU שונים ==
[[מערכת ניווט אינרציאלית|מערכות ניווט אינרציאליות]] כוללת סוגים שונים של רכיבי IMU, ביניהם מדי תאוצה זוויתית ומדי תאוצה קווית, חלקן כוללות גירוסקופים המאפשרים התייחסות לאוריינטציה המוחלטת, לכיוון אליו פונה המערכת ללא תלות במדידות וחישובים קודמים של המערכת.
[[קובץ:Flight dynamics with text heb.PNG|שמאל|גבול|250px|צירי התנועה ה"טבעיים" של ה[[מטוס]]]]
מדי תאוצה זוויתית מודדים את תאוצת המערכת בחלל. לרוב ימצא בכל מישור תנועה לפחות מד תאוצה זוויתית אחד. התנועות הסיבוביות במישורי התנועה הן עלרוד (חרטום עולה או יורד), סבסוב (חרטום פונה ימינה או שמאלה) וגלגול (סיבוב בציר המקביל לכיוון ההתקדמות).
מדי תאוצה קווית מודדים את התאוצה (ללא הכבידה) של המערכת. למנ"א מד תאוצה קווית לכל אחד משלושת צירי התנועה, מעלה ומטה, ימינה ושמאלה וקדימה ואחורה.
חלקה השני של המערכת כולל מחשב המחשב ללא הרף את מיקומה. ראשית, לגבי כל אחת משש [[דרגת חופש|דרגות החופש]] (x,y,z ו- θ<sub>x</sub>, θ<sub>y</sub>, θ<sub>z</sub>) משולב המידע מהתאוצות המדודות בגודלה המשוער של ה[[כבידה]] לחישוב המהירות הנוכחית. לאחר מכן משולבת המהירות בחישוב המיקום הנוכחי. העדרו של מחשב מקשה על בניית מנ"א. הצורך בהנחיה אינרציאלית ל[[תוכנית אפולו]] ול[[טיל בליסטי בין-יבשתי|טיל הבליסטי הבין-יבשתי]] [[מיניטמן]] דחף לניסיונות הראשונים למזעור מחשבים.
היום משולבות מנ"א עם מערכות ניווט לווייניות בעזרת סינון דיגיטלי. המנ"א מספקת מידע מיידי והמערכת הלוויינית מתקנת את הטעויות המצטברות של המנ"א.
מנ"א המופעלות על רכבים הנעים סמוך לפני כדור הארץ כוללות מתקן נוסף (Schuler tuning) המשמר את כיוון המערכת כולה ביחס למרכז כדור הארץ. בעת תנועת הרכב על פני השטח, נשארת המנ"א פונה לכיוון מרכז הכדור.
===פלטפורמה מיוצבת גירוסקופים בגימבלים===
אחת הדרכים לסידור חיישני תאוצה היא הצבת מדי התאוצה הקווית על פלטפורמה מיוצבת גירוסקופים בגימבלים (gimbaled gyrostabilized platform). [[גימבל]]ים הן שלוש טבעות המחוברות זו לזו דרך מיסבים המונחים בדרך המציבה את הטבעות בזווית ישרה זו לזו. הגימבלים מאפשרות לפלטפורמה במרכזן להסתובב לכל כיוון או לרכב שאליו מחוברת הפלטפורמה להסתובב לכל כיוון מסביב לפלטפורמה, בלי שישפיע על כיוונה.
על הפלטפורמה נמצאים בדרך כלל שני גירוסקופים כדי לייצב אותה. לגירוסקופים מהירות ותאוצה שווים והם מותקנים בזווית ישרה המביאה לביטול הדדי של תופעת ה[[נקיפה]].
מדידת התאוצות הזוויתיות של המערכת (בסבסוב, בגלגול ובעלרוד) נעשית ישירות במיסבי הגימבלים. הוספת התאוצות הקוויות לחישוב נחשבת פשוטה יחסית שכן כיוון מדי התאוצה הקווית אינו משתנה.
חסרונה הגדול של מערכת כזו הוא מחירם של חלקיה המכנים המדויקים. בנוסף, היא כוללת חלקים נעים הנוטים לבלאי ולמעצורים ו"[[נעילת גימבל]]"{{הערה|1="נעילת גימבל" מתארת אובדן דרגת חופש המתרחש כאשר שתיים מהטבעות מגיעות לאותו מישור. ראו בוויקיפדיה באנגלית [[:en:Gimbal lock|Gimbal lock]]}} עלולה להתרחש בה. מערכת ההנחיה העיקרית של חלליות אפולו השתמשה בפלטפורמת גימבל תלת-צירית שהעבירה נתונים למחשב ההנחיה של החללית. תמרוני החללית תוכננו בדרך שלא תאפשר מצב של "נעילת גימבל".
===פלטפורמה מיוצבת גירוסקופים תלויה בנוזל===
אחד הפתרונות למגבלות התמרון בשל נעילת גימבל ולשימוש במיסבים ובטבעות הנוטים להישחק, הוא פלטפורמה מיוצבת גירוסקופים הצפה על מיסבי נוזלים או גז (Fluid-suspended gyrostabilized platform). למערכת זו רמות דיוק גבוהות והיא מאפשרת חישוב פשוט של התאוצות הודות לשמירה על כיוונם של חיישני התאוצה הקווית.
מיסבי נוזלים עשויים מרפידות מחוררות, דרך החורים עובר גז אינרטי או נוזל בלחץ המופעל נגד הפלטפורמה הכדורית של המערכת. למיסבים מקדם חיכוך נמוך במיוחד המאפשר לפלטפורמה לנוע בחופשיות. מערכת כזו כוללת בדרך כלל ארבעה מיסבים בתצורה של [[ארבעון]] התומכים בכדור.
במערכות בעלות איכות גבוהה חיישני התנועה הסיבובית הם מערך של [[סליל השראה|סלילים]] המורכבים על הספירה הכדורית ומחוץ לה. שינוי בכיוונה של הפלטפורמה והסלילים שעליה משפיע על השדה המגנטי סביב לה. השינוי משרה [[זרם חשמלי|זרמים חשמליים]] בסלילים החיצוניים ומדידת הזרמים מספקת מידע על תנועת הפלטפורמה. מערכות זולות יותר כוללות [[ברקוד]] למדידת תנועה ו[[תא סולרי]] או סליל בודד להעברת כוח לפלטפורמה.
מידע מהפלטפורמה החוצה מועבר דרך סלילים או בעזרת [[דיודה פולטת אור]] (לד) המאירה [[פוטודיודה]].
===מערכת מקובעת===
מחשבים דיגיטליים קלי משקל מאפשרים הקמת מערכות ניווט אינרציאליות ללא פלטפורמות מיוצבות (מכונות באנגלית strapdown systems). במערכות אלו חיישני התאוצה פשוט מחוברים לגוף הרכב. מערכות מקובעות זולות יותר, הן אינן פגיעות לנעילת גימבל והפעלתן דורשת פחות כיול. יש בהן פחות חלקים נעים ולכן אמינותן עולה.
מערכת מקובעת מקבלת נתונים מחיישניהּ בקצב גבוה בהרבה ממערכת עם גימבלים. קצב העדכון של מערכת עם גימבלים הוא 50-60 [[הרץ]] ואילו במערכת מקובעת קצב העדכון מגיע ל-2000 הרץ. חישוב מהירות המערכת נעשה בעזרת [[אלגוריתם]] מורכב שאפשר להריץ רק במחשב דיגיטלי.
העלויות הנמוכות ביצור מחשבים מודרניים ומהירותם, מאפשרים יצור המוני של מערכות מקובעות. מערכות אלו נפוצות במערכות מסחריות ובמערכות צבאיות (כגון מטוסים וטילים), אך נדירות יותר במקומות שרמת הדיוק הנדרשת גבוהה (למשל ב[[צוללת|צוללות]] ובטילים בליסטים בין-יבשתיים).
===אוריינטציה מבוססת תנועה===
אוריינטציה של מערכת ניווט אינרציאלית מקובעת יכולה להיקבע בעזרת מעקב אחרי נתוני המיקום של הרכב (מנתוני מערכת ניווט לווייני למשל). כיוון התנועה של רכבים כגון מטוסים ומכוניות הוא גם כיוונה של המנ"א.
בדרך זו נעשה כיול המערכת תוך כדי תנועת הרכב באוויר או ביבשה. אוריינטציה מבוססת תנועה מאושרת לשימוש על ידי [[מנהל התעופה הפדרלי של ארצות הברית]] (FAA) לטיסות מסחריות הנמשכות עד 18 שעות.
===גירוסקופ תנודות===
גירוסקופ תנודות מבוסס על נטייתם של גופים מתנודדים לנוע באותו מישור תנועה. גירוסקופ תנודות זול יותר ומדויק פחות מגירוסקופים אחרים. הוא משמש במערכות ניווט בהן הניווט האינרציאלי משני לניווט לווייני, כגון מערכת ניווט במכונית. נתונים מגירוסקופי תנודות וממד המרחק של המכונית משמשים לניווט עיוור ברגעים קצרים בהם מערכת הניווט הלווייני אינה מתפקדת עקב בעיית קליטה מהלוויינים כגון בעת נסיעה במנהרה.
מימוש גירוסקופ כזה באמצעות טכנולוגיות MEMS, Micro Electro Mechanical System איפשר הוזלה מהותית של המערכות האנרציליות ומערכות מסוג זה משולבות במכוניות ואפילו בחלק מה"סמארטפונים"
===גירוסקופ כיפת תהודה ===
{{ערך מורחב|HRG}}
HRG, או גירוסקופ כיפת תהודה ('''H'''emispherical '''R'''esonator '''G'''yro) בנוי כחצי כדור של גביש [[פיאזואלקטריות|פיזיואלקטרי]]. יכולתו לזהות ולמדוד תנועה מבוססת על תכונתו של [[גל עומד]] שנוצר בחלל תהודה לשמור על כיוונו גם אם חלל התהודה מסתובב. גביש פיזיואלקטרי יכול ליצור גל וכן למדוד השפעת גל קיים.
גירוסקופ תהודה חצי כדורי אינו כולל חלקים נעים ומדידותיו מדויקות. חסרונו במחירו הגבוה עקב הקושי בייצור חצי כדור מדויק.
===חיישן מגנטו-הידרודינמי===
חיישן מגנטו-הידרודינמי בנוי ממגנט קבוע ומערכת אלקטרודות בעלת יכולת תנועה על ציר. כאשר נוצרת תנועה יחסית בין המגנט לאלקטרודות, נוצר מתח שגודלו תלוי במהירות הסיבוב.
=== גירוסקופ מבוסס טבעת לייזר ===
{{ערך מורחב|RLG}}
במערכות אלו, מדידת האוריינטציה מבוססת על שתי קרני [[לייזר]] קוהורנטיות שנעות בכיוונים הפוכים לאורך אותו מסלול אופטי טבעתי. תמונת ההתאבכות המתקבלת בכתם האור שנוצר כתוצאה מההארה של שתי הקרניים, יוצרת "פסים של אור וחושך".
מערכת זו מבוססת על "[[אפקט סניאק]]" ("Sagnac effect").
מכיוון שלמערכות אלו אין חלקים נעים, שלושת הצירים בדרך כלל יצוקים לתוך אותו "גוש" אופטי וקריאת הנתונים מתבצעת אלקטרונית, מתקבלת מערכת עם אמינות טכנית טובה בהרבה ממערכות המבוססות על גירוסקופים מכניים.
רוב המערכות שנמצאות כיום בשימוש, משלבות RLG ביחד עם פתרון [[GPS]]. דוגמאות למערכות שבהן משולב RLG כמערכת עיקרית כוללות:
AIRBUS 320, Boeing 777, B52H, [[F16]]C/D, SUKHOI 30MKI, Trident missiles
=== ג'רוסקופ מבוסס סיב אופטי FIBER OPTIC GYRO ===
{{ערך מורחב|גירוסקופ סיב אופטי}}
גם מערכת זו נשענת על "אפקט סניאק", אלא שבמקום שהלייזר ינוע בתוך גביש במצב מוצק, הלייזר נע לאורך [[סיב אופטי]].
המעבר מגביש מוצק לסיב אופטי מקטין את הדיוק, אולם, הדיוק משתפר ככל שאורך הסיב מתארך. מקובל להשתמש באורך סיב של מאות מטרים ולפעמים אפילו יותר, בכל ציר.
סוג זה של מערכות אינרציליות מתאים במיוחד לכלי טיס בלתי מאוישים, במשולב עם מערכות GPS ולטילים טקטיים שזמן המעוף שלהם מוגבל לדקות בודדות.
[[קטגוריה:מכשירי מדידה]]
| |||