تتطلب زيادة متطلبات أنظمة الإحداثيات تطوير مبادئ جديدة للملاحة. على وجه الخصوص ، كان أحد الشروط التي تمليها الحداثة هو إدخال وسائل مستقلة نسبيًا لقياس موقع الأشياء المستهدفة. يتم توفير هذه القدرات من خلال نظام الملاحة بالقصور الذاتي الذي يلغي الحاجة إلى إشارات من منارات الراديو والأقمار الصناعية.
نظرة عامة على التكنولوجيا
يعتمد التنقل بالقصور الذاتي على قوانين الميكانيكا ، مما يسمح لك بإصلاح معلمات حركة الأجسام بالنسبة للإطار المرجعي المحدد. لأول مرة ، بدأ تطبيق مبدأ الملاحة هذا مؤخرًا نسبيًا في البوصلة الجيروسكوبية للسفن. مع تحسين أدوات القياس من هذا النوع نشأتتقنية تحدد المعلمات المقاسة بناءً على تسارع الأجسام. بدأت نظرية نظام الملاحة بالقصور الذاتي تتشكل بالقرب من الثلاثينيات. منذ تلك اللحظة ، بدأ الباحثون في هذا المجال في إيلاء المزيد من الاهتمام لمبادئ استقرار الأنظمة الميكانيكية. من الناحية العملية ، يصعب تنفيذ هذا المفهوم ، لذلك ظل لفترة طويلة في شكل نظري فقط. ولكن في العقود الأخيرة ، مع ظهور معدات خاصة تعتمد على أجهزة الكمبيوتر ، تم استخدام أدوات الملاحة بالقصور الذاتي بنشاط في الطيران وهندسة المياه وما إلى ذلك.
مكونات النظام
العناصر الإلزامية لأي نظام بالقصور الذاتي هي كتل من أجهزة القياس الحساسة وأجهزة الحوسبة. يتم تمثيل الفئة الأولى من العناصر بواسطة الجيروسكوبات ومقاييس التسارع ، والثانية هي أجهزة الكمبيوتر التي تنفذ خوارزميات حسابية معينة. تعتمد دقة الطريقة بشكل كبير على خصائص الأجهزة الحساسة. على سبيل المثال ، تتيح البيانات الموثوقة الحصول على أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي فقط باستخدام جيروسكوبات من النوع الدقيق مقترنة بمقاييس التسارع. لكن في هذه الحالة ، فإن المعدات التقنية لها عيب خطير يتمثل في التعقيد العالي للحشوة الكهروميكانيكية ، ناهيك عن الحجم الكبير للمعدات.
كيف يعمل النظام
طريقة تحديد الإحداثيات باستخدام نظام القصور الذاتي هي معالجة البيانات الخاصة بتسارع الأجسام ، وكذلكسرعات زاوية. لهذا ، مرة أخرى ، يتم استخدام العناصر الحساسة المثبتة مباشرة على الكائن الهدف ، وذلك بفضل المعلومات التي يتم إنشاؤها حول موضع التعريف ، ومسار الحركة ، والمسافة المقطوعة والسرعة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مبدأ تشغيل نظام الملاحة بالقصور الذاتي يجعل من الممكن استخدام وسائل لتحقيق الاستقرار وحتى التحكم تلقائيًا في كائن. لهذه الأغراض ، يتم استخدام مستشعرات التسارع الخطي مع المعدات الجيروسكوبية. بمساعدة هذه الأجهزة ، يتم تكوين نظام تقرير يعمل بالنسبة لمسار الكائن. وفقًا لنظام الإحداثيات الذي تم إنشاؤه ، يتم تحديد زوايا الميل والدوران. تشمل مزايا هذه التقنية الاستقلالية وإمكانية الأتمتة ودرجة عالية من المناعة ضد الضوضاء.
تصنيف أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي
بشكل أساسي ، يتم تقسيم أنظمة الملاحة المدروسة إلى منصة وحزام (SINS). يُطلق على السابق أيضًا اسم جغرافي وقد يحتوي على نظامين أساسيين. يتم توفير أحدهما بواسطة الجيروسكوبات ويتم توجيهه في مجال القصور الذاتي ، ويتم التحكم في الثاني بواسطة مقاييس التسارع ويستقر بالنسبة للمستوى الأفقي. نتيجة لذلك ، يتم تحديد الإحداثيات باستخدام معلومات حول الموضع النسبي للنظامين الأساسيين. تعتبر نماذج SINS أكثر تقدمًا من الناحية التكنولوجية. يخلو نظام الملاحة بالقصور الذاتي من العيوب المرتبطة بالقيود في استخدام المنصات الجيولوجية. السرعة ويتم تحويل مواقع الكائنات في مثل هذه النماذج إلى الحوسبة الرقمية ، والتي يمكنها أيضًا تسجيل البيانات على الاتجاه الزاوي. يهدف التطوير الحديث لأنظمة SINS إلى تحسين الخوارزميات الحسابية دون التقليل من دقة البيانات الأولية.
طرق تحديد اتجاه أنظمة المنصة
لا تفقد الصلة والأنظمة التي تعمل مع الأنظمة الأساسية لتحديد البيانات الأولية حول ديناميكيات الكائن. في الوقت الحالي ، يتم تشغيل الأنواع التالية من نماذج الملاحة بالقصور الذاتي للنظام الأساسي بنجاح:
- نظام هندسي. نموذج قياسي مع منصتين موصوفين أعلاه. هذه الأنظمة دقيقة للغاية ، لكن لها قيودًا في خدمة المركبات عالية القدرة على المناورة العاملة في الفضاء الخارجي.
- نظام تحليلي. كما أنها تستخدم مقاييس التسارع والجيروسكوبات ، وهي ثابتة بالنسبة إلى النجوم. تشمل مزايا هذه الأنظمة القدرة على الخدمة الفعالة للأشياء القابلة للمناورة مثل الصواريخ والمروحيات والمقاتلات. ولكن حتى بالمقارنة مع نظام الملاحة بالقصور الذاتي ، تظهر الأنظمة التحليلية دقة منخفضة في تحديد معلمات ديناميكيات الكائن.
- نظام شبه تحليلي. مزودة بمنصة واحدة ، تستقر بشكل مستمر في فضاء الأفق المحلي. تحتوي هذه القاعدة على جيروسكوب ومقياس تسارع ، ويتم تنظيم الحسابات خارج منصة العمل.
ميزات أنظمة الأقمار الصناعية بالقصور الذاتي
هذه فئة واعدة من أنظمة الملاحة المتكاملة التي تجمع بين مزايا مصادر إشارة الأقمار الصناعية والنماذج التي تعمل بالقصور الذاتي. على عكس أنظمة الأقمار الصناعية الشائعة ، تتيح هذه الأنظمة إمكانية استخدام البيانات المتعلقة بالاتجاه الزاوي بشكل إضافي وتشكيل خوارزميات تحديد المواقع المستقلة في غياب إشارات الملاحة. يتيح لنا الحصول على معلومات تحديد الموقع الجغرافي الإضافية تبسيط نماذج العناصر الحساسة تقنيًا ، ورفض المعدات باهظة الثمن. تشمل مزايا نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية بالقصور الذاتي الوزن الخفيف وصغر الحجم وخطط معالجة البيانات المبسطة. من ناحية أخرى ، يتسبب عدم استقرار جيروسكوبات MEMS في تراكم الأخطاء في تحديد البيانات.
مجالات تطبيق أنظمة القصور الذاتي
من بين المستهلكين المحتملين لتكنولوجيا الملاحة بالقصور الذاتي ممثلو مختلف الصناعات. هذا ليس فقط الملاحة الفضائية والطيران ، ولكن أيضًا السيارات (أنظمة الملاحة) ، والروبوتات (وسائل التحكم في الخصائص الحركية) ، والرياضة (تحديد ديناميكيات الحركة) ، والطب وحتى الأجهزة المنزلية ، إلخ.
الخلاصة
يمكن اعتبار نظرية الملاحة بالقصور الذاتي ، التي بدأ مفهومها في الظهور في القرن الماضي ، بمثابة قسم كامل من الميكاترونيكس. ومع ذلك ، تشير الإنجازات الأخيرة إلى أن المستقبل قد يكونتظهر واكتشافات أكثر تقدمًا. يتضح هذا من خلال التفاعل الوثيق لأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي مع علوم الكمبيوتر والإلكترونيات. تظهر مهام طموحة جديدة ، مما يوسع مساحة تطوير التقنيات ذات الصلة ، بناءً على الميكانيكا النظرية. في الوقت نفسه ، يعمل الخبراء في هذا الاتجاه بنشاط على تحسين الوسائل التقنية ، الأساسية من بينها الجيروسكوبات الميكانيكية الدقيقة.
