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Wie funktioniert ein INS eigentlich?

Industrie-Artikel 5. Oktober 2020

Ein Trägheitsnavigationssystem besteht aus zwei verschiedenen Teilen; der erste ist die IMU (Inertial Measurement Unit) - manchmal auch IRU (Inertial Reference Unit) genannt. Dies ist die Sammelbezeichnung fürdie Beschleunigungsmesser und Kreisel, die Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitsmessungen liefern. Der zweite Teil ist der Navigationsrechner. Der Navigationsrechner nimmt Messungen von der IMU entgegen und berechnet daraus die relative Position, Orientierung und Geschwindigkeit des INS.

Es sind im Wesentlichen zwei Arten von Navigationsrechnern im Einsatz: stabilisierte Plattformen und Strap-Down-Navigatoren.

Stabilisierte Plattformen

Stabilisierte Plattformen verwenden echte, sich drehende mechanische Kreisel, um eine Plattform zu stabilisieren, die sich unabhängig vom INS dreht. Wenn sich also das Trägheitsnavigationssystem dreht, dreht sich die stabilisierte Plattform in seinem Inneren nicht. Auf diese Weise lernt das System seine Orientierung kennen und kann die Messungen der Beschleunigungsmesser nutzen. Der Nachteil dieser Art von System ist die kardanische Verriegelung (siehe gyros für eine vollständige Erklärung), die hohen Kosten und die Komplexität.

Strap-Down-Navigator

Im Gegensatz dazu bewegen sich die Sensoren in einem Strap-Down-Navigator nicht unabhängig vom INS. Sie sind, wenn man so will, festgeschnallt. Dies überwindet viele der Probleme, die mit stabilisierten Plattformen verbunden sind, und ist der Hauptgrund dafür, dass inertiale Navigationssysteme heute für viel mehr Menschen erschwinglich sind. Im Gegensatz zu den sich drehenden, mechanischen Kreiseln innerhalb einer stabilisierten Plattform sind die in einem Strap-Down-Navigator verwendeten Kreisel typischerweise MEMS (mikroelektromechanische Systeme), die keine beweglichen Teile zu haben scheinen. Tatsächlich ist es besser, sich diese als Drehratensensoren und nicht als Kreisel vorzustellen, auch wenn sie normalerweise so genannt werden.

Wie funktioniert also ein INS?

Um die für die Navigation im 3D-Raum erforderlichen Messungen zu erfassen, sind die Achsen der Inertialsensoren senkrecht zueinander angeordnet. Mit anderen Worten, jede Achse steht im 90°-Winkel zu den beiden anderen Achsen (wie in der Abbildung unten dargestellt).

IMU-Rahmen

Dieses Bild zeigt die drei Achsen (xyz), die das Trägheitsnavigationssystem zur Messung von Bewegung und Orientierung verwendet. Die Position der Achsen innerhalb des INS ist fest, so dass sie sich mit dem INS drehen. Jede Achse misst in beiden Richtungen - die Pfeilspitzen im Bild zeigen an, welche Richtung als positiv gelesen wird. Ein Beispiel:

  • Wenn der INS in Richtung des grünen Pfeils beschleunigt wird, zeigt die y-Achse eine positive Beschleunigung an.
  • Wenn der INS in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt wird, würden wir eine negative Beschleunigung entlang der y-Achse sehen.

Die Winkelgeschwindigkeit um jede Achse wird ebenfalls gemessen.

  • Wenn der INS rotiert, wie durch den kreisförmigen, roten Pfeil angezeigt, würden wir einen positiven Messwert auf dem Kreisel der x-Achse sehen.
  • Wenn der INS in die entgegengesetzte Richtung rotiert, würden wir einen negativen Wert auf dem x-Achsen-Kreisel sehen.

Durch Messungen entlang (und über) der x-, y- und z-Achse kann der Navigationscomputer verstehen, wie er sich bewegt und dreht. Im IMU-Rahmenbild können Sie deutlich sehen, wie die xyz-Achsen der Messungen auf einem unserer Produkte angeordnet sind. Sie können auch einen kreisförmigen Pfeil sehen, der zeigt, wie der x-Achsen-Kreisel die Winkelgeschwindigkeit misst.

Es sei darauf hingewiesen, dass, obwohl jeder Pfeil in eine Richtung zeigt, die Gyros und Beschleunigungsmesser immer noch in beide Richtungen entlang oder um jede Achse messen. Die Pfeile zeigen einfach an, welche Richtung die Sensoren als positive Bewegung sehen. Wenn das Produkt also nach unten beschleunigt wird (in Richtung des blauen Pfeils), würde der Beschleunigungsmesser der z-Achse einen positiven Wert anzeigen; wenn das Produkt nach oben beschleunigt wird, würde der Beschleunigungsmesser der z-Achse einen negativen Wert anzeigen. Ein wichtiger Gesichtspunkt ist hier die Bezugsrahmen.

 

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