Dans mon travail en développant des systèmes de navigation, j'ai constaté que la véritable fiabilité provient de l'indépendance - pas de la dépendance à l'égard des signaux externes. C'est pourquoi les systèmes de navigation inertielle (INS) jouent un rôle aussi essentiel: ils fonctionnent entièrement sur des mesures internes, offrant une navigation cohérente et continue à travers un large éventail d'environnements, des véhicules autonomes aux plates-formes aérospatiales.
Un système de navigation inertielle (IS) détermine la position, la vitesse et l'orientation en utilisant uniquement des capteurs de mouvement internes, permettant une navigation précise à travers un large éventail d'applications, y compris les systèmes autonomes, les plates-formes sous-marines et les opérations de défense critique.
Avant de sélectionner un INS pour votre application, il aide à établir une compréhension claire de ses principes de travail et de ses types de systèmes.
Table des matières
Qu'est-ce qu'un système de navigation inertielle (INS)?
Un système de navigation inertielle (INS) est un système autonome qui utilise des capteurs de mouvement internes - accélérément accéléromètres et gyroscopes - pour calculer en continu la position, la vitesse et l'orientation d'une plate-forme dans l'espace tridimensionnel. Étant donné qu'il ne reposait pas sur des références externes, l'INS est particulièrement utile dans les environnements où une navigation cohérente et ininterrompue est nécessaire, y compris les applications de défense sous-marine, souterraine et à haute dynamique.
Quels sont les composants principaux d'un INS?
D'après mon expérience, la conception de solutions INS, chaque système commence par trois composants essentiels: gyroscopes, accéléromètres et processeur de navigation. Pour améliorer la précision et la stabilité, nous intégrons souvent des capteurs supplémentaires - comme les récepteurs GNSS, les magnétomètres ou les altimètres barométriques - pour la fusion de capteurs avancés. Cette architecture permet aux INS de maintenir un suivi de mouvement fiable dans des environnements divers et difficiles.
Gyroscopes
Les gyroscopes mesurent la vitesse angulaire le long de trois axes orthogonaux (x, y, z), fournissant des données essentielles pour l'orientation informatique - roll, hauteur et lacet. Les gyroscopes MEMS sont largement utilisés pour les applications compactes, tandis que le brouillard (gyroscopes à fibre optique) et le RLG (gyroscopes laser en anneau) offrent une précision plus élevée et une stabilité à long terme pour les systèmes tactiques et de qualité aérospatiale.
Accéléromètres
Les accéléromètres mesurent l'accélération linéaire le long de chaque axe. Lorsqu'ils sont intégrés au fil du temps, ces valeurs entraînent des changements de vitesse et de déplacement. Les accéléromètres à haute performance avec une faible instabilité de biais et un faible bruit sont cruciaux pour maintenir la précision de la position au fil du temps.
Processeur de navigation inertielle
Le processeur sert de noyau de calcul des Ins. Il fusionne l'entrée des capteurs de mouvement, applique des algorithmes de compensation et du filtrage, et sort la position, la vitesse et l'orientation en temps réel. De nombreux systèmes prennent également en charge l'intégration des capteurs externes et les diagnostics en temps réel dans cette unité.
Récepteurs GNSS
Un nombre croissant de solutions INS intègrent désormais les récepteurs GNSS pour améliorer la précision à long terme et le positionnement mondial. En combinant des mesures inertiales avec des données satellites - typiquement grâce au filtrage étendu de Kalman - ces systèmes hybrides corrigent efficacement la dérive et offrent des performances de navigation robustes sur les plates-formes autonomes, les systèmes aérospatiaux et les applications de qualité géodétique.
Magnétomètres
Les magnétomètres aident à déterminer la rubrique en mesurant le champ magnétique de la Terre. Bien que moins précis que les solutions gyroscopiques, elles fournissent une référence absolue utile, en particulier dans les applications à faible dynamique ou intérieures.
Altimètres barométriques
Ces capteurs fournissent une estimation d'altitude basée sur la pression atmosphérique. Ils sont couramment utilisés dans les drones, les avions et les systèmes de sol qui nécessitent des données de référence verticales dans des environnements où l'altitude GNSS peut être peu fiable.
Ensemble, ces composants forment un système de navigation polyvalent capable de fournir des données de mouvement en temps réel à haut débit - fonctionnant comme une unité inertielle pure ou dans le cadre d'une solution GNSS / Ins étroitement intégrée conçue pour des environnements dynamiques complexes.
Quels sont les différents types d'INS: MEMS, FOG et RLG?
Les systèmes de navigation inertielle peuvent être largement classés en fonction du type de technologie du gyroscope qu'ils utilisent. Le choix de la technologie détermine les caractéristiques de performance clés telles que la stabilité du biais, le bruit, la dérive et le coût, ce qui rend essentiel pour sélectionner le bon type pour votre application.
1. MEMS INS (Systèmes micro-électro-mécaniques)
MEMS INS est construit à l'aide de gyroscopes micromécaniques à base de silicium et d'accéléromètres. Grâce aux progrès de la fabrication de semi-conducteurs, ces systèmes sont désormais largement utilisés dans les plates-formes compactes où la taille, le poids, la puissance et le coût (Swap-C) sont des contraintes majeures.
2. Fog Ins (Ins à base de gyroscope à fibre optique)
Le brouillard s'appuie sur l'effet SAGNAC, en utilisant la fibre optique enroulée pour mesurer la rotation. Il offre une stabilité nettement plus élevée, une dérive plus faible et une meilleure linéarité du facteur d'échelle que les systèmes MEMS, ce qui le rend idéal pour la navigation de qualité tactique.
3. RLG Ins (Ring Laser Gyroscope-Based Ins)
RLG Ins utilise l'interférence laser dans une cavité en boucle fermée pour détecter la vitesse angulaire avec une précision extrêmement élevée. Cette architecture offre une précision de qualité stratégique et est généralement déployée dans des systèmes où les performances inertielles absolues sont essentielles.
| Type ins | Avantages | Limites | Cas d'utilisation typiques |
|---|---|---|---|
| INS MEMS |
|
| UAV, robotique, systèmes portables, munitions de laine |
| BROUILLARD |
|
| Plates-formes aérospatiales, véhicules de défense, systèmes marins |
| Rlg ins |
|
| Missiles balistiques, vaisseau spatial, avions haut de gamme |
Comment fonctionne Ins?
Lors de la configuration d'un INS, je commence toujours par définir sa position initiale, sa vitesse et son orientation. De là, le système repose uniquement sur des mesures inertiales pour estimer chaque état de mouvement ultérieur en temps réel.
1. Mesure d'accélération
Le système utilise des accéléromètres tri-axiaux pour mesurer l'accélération linéaire dans trois directions. Ces valeurs sont intégrées au fil du temps pour calculer la vitesse, puis intégrées à nouveau pour calculer les changements de position.
2. Mesure du taux angulaire
Les gyroscopes mesurent la vitesse angulaire le long des axes x, y et z. Ces lectures sont utilisées pour mettre à jour l'orientation du système par le quaternion ou l'intégration d'angle Euler.
3. Principe de calcul mort
INS fonctionne grâce à des calculs morts, ce qui signifie qu'il estime l'état actuel en fonction de l'entrée précédente et du capteur. Cela lui permet de naviguer sans références externes comme GNSS.
4. Accumulation d'erreur et dérive
Parce qu'il intègre des données de capteur bruyantes, de petits biais et des erreurs (par exemple, l'instabilité du biais, l'erreur du facteur d'échelle) s'accumulent avec le temps, conduisant à la dérive à la fois en position et en orientation.
5. Fusion du capteur et entrées d'aide
Pour minimiser la dérive, l'INS est souvent combinée avec des capteurs externes tels que GNSS, les journaux de vitesse Doppler (DVL), les baromètres ou les magnétomètres. Ces sources d'aide corrigent les erreurs accumulées et étendent la précision opérationnelle.
Cette architecture permet aux INS de fournir une navigation autonome en temps réel dans des environnements où les signaux externes sont limités, perturbés ou entièrement indisponibles, tels que pendant une dynamique élevée ou une interférence électromagnétique.
Quelles mesures de performance définissent la qualité d'un IS?
Lors de la sélection d'un système de navigation inertielle, la compréhension de ses paramètres de performance de base est essentielle pour s'assurer qu'elle répond aux exigences de la mission. Les mesures suivantes sont les plus critiques:
1. Précision de navigation
La précision de l'INS comprend des erreurs de position, de vitesse et d'attitude qui s'accumulent avec le temps. La haute précision est cruciale pour les opérations dans les environnements conformes aux GNSS. Le guideav GFS120A, par exemple, offre une précision de cap de 0,01 ° (1σ) , une précision de rouleau / pas de 0,005 ° (1σ) et un positionnement au niveau RTK de <2 cm + 1 ppm , avec une erreur de vitesse aussi faible que 0,02 m / s .
2. Stabilité du biais
La stabilité du biais reflète la dérive à long terme des gyroscopes et des accéléromètres, ce qui a un impact direct sur l'endurance de navigation. Le GuideAV GFS120A présente une stabilité du biais gyroscopique de 0,003 ° / h et une stabilité du biais de l'accéléromètre sous 20 μg , ce qui le rend adapté aux applications autonomes de haute précision et de longue durée.
3. Bruit du capteur (marche aléatoire)
La marche aléatoire quantifie le bruit du capteur à court terme. Les valeurs ARW et VRW inférieures indiquent des données plus propres et plus stables pendant le mouvement.
4. Performance dynamique
Le taux de mise à jour, la latence et la bande passante déterminent la vitesse à laquelle l'INS répond au mouvement. Des performances dynamiques élevées sont essentielles pour les drones, la robotique et les missiles.
5. Robustesse environnementale
Les Ins doivent résister aux vibrations, aux chocs et aux températures extrêmes. La conformité aux normes MIL-STD ou DO-160 assure la fiabilité dans des conditions difficiles.
La compréhension et la comparaison de ces mesures permet aux intégrateurs de choisir les Ins appropriés pour leur plate-forme, d'équilibrer les coûts, la précision et les demandes environnementales.
Quelles sont les applications typiques de l'INS dans toutes les industries?
Les systèmes de navigation inertielle (INS) sont largement utilisés dans les industries aérospatiales, marines, de défense, de systèmes sans pilote, d'automatisation industrielle et souterrains où la navigation continue et indépendante du signal est essentielle. Dans l'aérospatiale, ils permettent des conseils précis des avions et des missiles; Dans les applications marines, ils soutiennent les sous-marins et les AUV où GNSS n'est pas disponible. Les systèmes de défense s'appuient sur les INS pour le ciblage, le contrôle des incendies et la navigation dans des environnements gs. Des plates-formes sans pilote comme les UAV, UGVS et UUV utilisent INS pour le positionnement en temps réel et la fusion de capteurs. Dans la robotique industrielle, l'INS assure un contrôle précis des mouvements pour les AGV et les grues. Dans l'exploitation minière et les tunnels, l'INS permet un positionnement souterrain fiable pour les machines lourdes et les systèmes de forage.
Comment les mènent GuidenAV dans l'industrie de la navigation inertielle?
Avec plus de 15 ans d'expertise, GuidenAV fournit des solutions de navigation inertielle haute performance fiables par la défense, l'aérospatiale et les intégrateurs de systèmes autonomes dans le monde entier.
Diverses gammes de produits
Des mems compacts pour les drones aux brouillards de haute précision pour la marine et l'aérospatiale, GuidenAV couvre une gamme complète de profils de mission.
Optimisé pour swap-c
Tous les systèmes sont conçus pour la taille, le poids, la puissance et la rentabilité - idéal pour les plates-formes mobiles, intégrées et tactiques.
Intégration hybride prêt
Nos plates-formes INS prennent en charge la fusion transparente avec GNSS, DVL et d'autres capteurs d'aide via des interfaces standard (UART, CAN, Ethernet).
Robuste et prouvé sur le terrain
Conçus pour répondre à MIL-STD-810H, les unités GuidenAV sont résistantes aux chocs, tolérantes aux vibrations et fonctionnent de manière fiable dans des environnements sévères.
GuidenAV est le partenaire préféré des intégrateurs à la recherche de systèmes de navigation inertielle avancés (INS) qui combinent une haute précision, une robustesse opérationnelle et une conformité complète des exportations pour exiger la défense, l'aérospatiale et les applications autonomes.
