導讀:無人機作為飛行器,一個沒有生命的物理存在,要如何感知外部世界的狀況,工業機器人維修,這就需要依靠傳感器了。而今天要介紹的是導航傳感器其中的一個類型,慣性導航系統。
飛機的運動可以描述成兩類,一是質心(指物質系統上被認為質量集中于此的一個假想點)的移動,也稱為線運動,相關聯的導航參數有飛行速度、位置等;另一類是飛機繞質心的轉動,也稱為角運動,相應的導航參數有飛機的姿態角和航向角等。
慣性是所有質量體的基本屬性,所有建立在慣性原理基礎上的慣性導航系統,無需任何外來信息,僅靠系統本身就能在全天候條件下全球范圍內和所有介質環境里自主地、隱蔽地進行三維定位和三維定向。所以,慣性導航是重要載體不可缺少的核心導航設備。
慣性元器件一般固連在重心附近位置,用來敏感飛機運動的角速度和加速度。慣導的表頭一般是由加速度計和陀螺儀構成的。通常來說加速度計有三個,陀螺儀也是。因為我們世界空間是三維的,每個加速度計和陀螺儀都只能測一個方向的數據,所以需要三個。
它的需求數據是通過算法積分得出的。比如已知加速度多少,通過它的算法,可以積分出速度。已知時間,工業機器人維修,通過連續積分,可以知道每時每刻的加速度。已知加速度,可以知道速度,通過每時每刻做積分,可以推算出位置。已知角速度,通過每時每刻的積分,可以知道現在的飛行姿態。這種積分就是慣性導航的算法。
從理論上來說,在有初始運動信息的基礎上,準確得到每時每刻加速度和角速度,可以準確知道飛機的精確位置和速度。但在實際應用中來說,庫卡機器人驅動器維修,慣性導航很容易發散,假如沒有其他導航系統來給它做修正,慣導的輸出與實際值容易出現大的偏差。
容易發散的原因有很多,其中最重要的是表頭的測量數據是存在誤差的的,誤差也由多種因素產生,比如表頭輸出的常值偏差、白噪聲是指功率譜密度在整個頻域內均勻分布的噪聲)、馬爾科夫等,溫度、濕度也會對誤差產生影響,甚至因安裝位置偏差都會引起桿臂效應。這些因素都會影響到表頭的測量精度。前面提到,數據是由積分積出來的,所以,如果從源頭開始數據就出現偏差的話,通過算法時,這個誤差會一直累積下去,并會越來越大。所以表的精度不是很大的話,純慣性導航飛行會很快發散。
一般的消費級小型無人機的傳感精度就非常低,諸如多旋翼類的。幾秒鐘就不知道發散到哪里去了。而軍用無人機的精度敏感度會非常高。其精度可以敏感到測量出地球自轉的角速度。我們平時坐在椅子上,或者走在路上,都是感受不到地球自轉的,敏感度相當高。
1958年7月美國海軍鸚鵡螺號核潛艇進行了一次穿越北極冰蓋的探險航行。鸚鵡螺號裝備有一套N6-A慣性導航系統和一套MK-19平臺羅經,從珍珠港出發,穿越北京冰蓋,最終到達英國波特蘭港,歷時21天。其中穿越北極時以20海里的時速在水下潛航8146海里,在即將到達目的地時潛艇浮出水面,經測量,定位誤差僅為20海里。
鸚鵡螺號的成功充分顯示了慣性導航系統有別于其它導航系統的獨特優點:自主性、隱蔽性、信息的完備性。這些特點在軍事應用中顯得尤其重要。