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¿Qué es un sistema de navegación inercial?
¿Qué es un sistema inercial? ¿Qué es un sistema de navegación inercial? ¿Qué significa INS?
Es bueno plantearse estas preguntas porque tienen que ver con la vida cotidiana. Por ejemplo, al intentar desplazarse al trabajo en coche. En este blog le ayudaremos a responderlas, pero empezaremos, sensatamente, por el principio...
Los sistemas de navegación inercial tienen muchas formas y tamaños. Una cosa que tienen en común es el uso de múltiples sensores inerciales y algún tipo de unidad central de procesamiento para controlar las mediciones procedentes de esos sensores. Los sistemas de navegación inercial utilizan diversas tecnologías, pero suelen incluir:
+ Unidad de medición inercial (IMU)
- Acelerómetros
- Giroscopios
+ Receptor GNSS
+ Unidad Central de Proceso (CPU)
Dentro de un momento veremos cómo funciona realmente un INS, pero por ahora lo más importante es saber en qué se diferencia del GPS, con el que probablemente esté más familiarizado.
Encienda un receptor GPS y, suponiendo que todo funcione correctamente, al cabo de poco tiempo generará una medición de posición. Ignorando las imprecisiones del GPS, la medida de posición que genera el receptor es bastante específica. Dice 'estás en esta latitud y esta longitudEn otras palabras, nos da una posición absoluta utilizando un sistema de coordenadas conocido. Los sistemas de navegación inercial no funcionan así. En su caso, la medición que generan es relativa a su última posición conocida. Así que, incluso después de que un sistema de navegación inercial lleve encendido varios minutos, no puede decir 'estás en esta latitud y esta longitud', pero lo que puede decir es: 'no te has movido de donde empezaste'.
Entonces, ¿por qué se utilizan los sistemas de navegación inercial? Si no pueden decirnos dónde estamos, ¿cómo pudieron llevar al hombre a la Luna, por qué los submarinos no se estrellan constantemente y cómo se orientan los aviones y los misiles? Afortunadamente, la respuesta es sencilla. Un sistema de navegación inercial calcula dónde se encuentra en relación con el punto de partida, de modo que si le dices al INS dónde empezó, puede calcular fácilmente dónde se encuentra ahora, basándose en sus propias mediciones. Así es como naves espaciales, submarinos, aviones y misiles navegan con éxito utilizando un sistema de navegación inercial, porque saben de dónde parten.
Ahora que ya hemos hablado de lo que es un sistema de navegación inercial, la siguiente pregunta lógica es ¿Cómo funciona realmente un SIN?
Para comprender plenamente los sistemas de navegación inercial, es útil conocer también Marcos de referencia del SINpara poder interpretar con precisión los valores registrados en los ejes X, Y y Z. También querrás saber más sobre los tipos de sensores utilizados en la mayoría de los sistemas de navegación inercial -. acelerómetros y giroscopios. Para entender cómo un sistema de navegación inercial mantiene el rastro de dónde se encuentra en el espacio tridimensional, también necesita saber sobre cuenta atrás. Y luego, para apreciar los puntos fuertes y débiles del SIN, también hay que conocer ir a la deriva.
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Tecnologías de navegación inercial, sensores y más
Como ya se ha mencionado, un sistema de navegación inercial, como el RT3000 v4 se compone de varias tecnologías y sensores diferentes. La unidad de medición inercial (IMU) contiene varios acelerómetros y giroscopios que proporcionan una amplia gama de mediciones inerciales, como cabeceo/balanceo y aceleración. También se incluye un receptor GNSS que proporciona actualizaciones de posición y una unidad central de procesamiento que gestiona los datos. En esta sección veremos más de cerca las tecnologías y sensores que componen un INS.
1) Receptores GNSS
Un sistema de navegación inercial asistido por GNSS utiliza actualizaciones de posición de un receptor GNSS para complementar las mediciones creadas por la unidad de medición inercial de a bordo. Un receptor GNSS rastrea las señales de satélite de múltiples constelaciones de satélites. Las cuatro constelaciones de satélites principales son Galileo, GLONASS, GPS y BeiDou.
Al combinar las entradas del satélite con los datos de la IMU, un OXTS GNSS/INS es capaz de proporcionar precisión de posición a nivel centimétrico en tiempo real a altas velocidades de actualización y con orientación y aceleración en los tres ejes.
2) Acelerómetros
Los acelerómetros son uno de los tipos de sensores utilizados en todos los sistemas de navegación inercial OXTS. Como su nombre indica, sólo miden la tasa de aceleración. Sin embargo, otras mediciones, como la velocidad, pueden calcularse multiplicando la aceleración por otros factores, como el tiempo.
Un acelerómetro es útil en un sistema de navegación inercial porque puede proporcionar al usuario información importante sobre la velocidad del vehículo, la distancia recorrida y, lo que es más importante en un entorno de pruebas de automoción, el tiempo hasta el impacto.
Existen distintos tipos de acelerómetros, pero los sistemas de navegación inercial OXTS utilizan acelerómetros de sistemas microelectromecánicos (MEMS).
3) Giroscopios
Un giroscopio es un sensor utilizado en un sistema de navegación inercial que mide la rotación del dispositivo.
Los sistemas de navegación inercial OXTS utilizan giroscopios de sistemas microelectromecánicos (MEMS). Existen muchos tipos diferentes de giroscopios MEMS, pero los sistemas de navegación inercial OXTS utilizan los que miden la velocidad angular en °/s.
Al igual que un acelerómetro, un giroscopio no indica al INS de forma inmediata su orientación, pero si dispone de esta información para empezar, puede calcular su orientación a partir de ese momento.
4) Marcos de referencia del SIN
Antes de iniciar un proyecto de recogida de datos, es importante que un sistema de navegación inercial sepa cómo se orienta en el espacio tridimensional o su "marco de referencia". La IMU a bordo proporcionará información relativa al movimiento y la orientación del INS, pero antes de que pueda hacerlo con precisión, primero necesita saber en qué dirección está arriba, abajo, a la izquierda y a la derecha.
Un Sistema de Navegación Inercial OXTS es capaz de convertir el movimiento de un marco de referencia a otro, siempre que sepa en qué marco de referencia se encuentra para empezar. Esto suele hacerse en la fase de configuración.
5) Dead Reckoning
La unidad de medición inercial de un sistema de navegación inercial OXTS contiene tres acelerómetros y tres giroscopios. El uso de tres de cada uno permite al dispositivo comprender y seguir su posición en el espacio tridimensional mediante un proceso conocido como cálculo a estima.
El sistema de navegación inercial calculará su posición en el espacio tridimensional simplemente tomando las mediciones de los giroscopios y acelerómetros de a bordo sometidos a una fuerza y sumándolas a su última posición conocida. A partir de ahí, sabrá dónde se encuentra.
6) Deriva
Como la mayoría de las cosas, un sistema de navegación inercial tiene sus puntos fuertes y sus puntos débiles. Un sistema de navegación inercial funciona utilizando actualizaciones de posición de un receptor GNSS para ayudar a las mediciones de la IMU. Cuando no se dispone de una fuente de ayuda adicional, el sistema de navegación inercial funciona "sin ayuda" y sólo utiliza las mediciones de la IMU. Cuando se utiliza "sin ayuda", la posición se desvía debido a la acumulación de pequeños errores en las mediciones del giroscopio y el acelerómetro.
En ausencia de GNSS, pueden integrarse otras fuentes de ayuda en el motor de navegación para limitar la deriva de la posición. Puede obtener más información sobre el trabajo que OXTS está realizando para aprovechar fuentes adicionales de ayuda aquí. Interfaz de datos genéricos de ayuda (GAD) de OXTS
¿Cómo funcionan los sistemas de navegación inercial?
Ya hemos hablado de lo que es un sistema de navegación inercial, pero ¿cómo funciona? Un sistema de navegación inercial es un dispositivo complejo. Comprende múltiples tecnologías que permiten al usuario conocer con precisión su posición en el espacio tridimensional. La IMU es el elemento central del INS. Se trata de un conjunto de acelerómetros y giroscopios que proporcionan al usuario mediciones precisas sobre el movimiento y la orientación del dispositivo.
Mediante la integración con un receptor GNSS, el sistema es capaz de garantizar que los sistemas no se desvíen. Para limitar aún más la deriva de posición en ausencia de GNSS, pueden utilizarse otras tecnologías y sensores.
En los términos más sencillos, un INS funciona comprendiendo la fuerza que actúa sobre él. A partir de un punto de partida conocido, calcula la velocidad y la distancia recorrida.
El INS es entonces capaz de proporcionar actualizaciones sobre la actitud, la posición y la velocidad.
Actitud
Las mediciones de la actitud son importantes para el posicionamiento en muchas aplicaciones, como las pruebas de automoción y la cartografía. La actitud proporciona información sobre la posición de un objeto en un entorno tridimensional, a saber, balanceo, cabeceo y guiñada. Las mediciones se calculan con respecto a un plano horizontal y a un sistema de referencia con rumbo norte.
Velocidad y posición
Como se ha mencionado anteriormente en este post, un INS no mide directamente la velocidad, ya que los acelerómetros sólo miden la aceleración. Sin embargo, esto no quiere decir que un INS no pueda medir la velocidad. Manteniendo un registro de cuánta aceleración hay en un objeto, y cuánto tiempo dura, el INS puede calcular fácilmente cuál es la velocidad multiplicando la aceleración por el tiempo.
Mediante un proceso conocido como navegación a estima, un sistema de navegación inercial no asistido puede calcular su posición con precisión. Entendiendo su última posición conocida y sabiendo hacia dónde se dirige y cuánto tarda en llegar, el INS puede calcular su nueva posición estimada. Sin embargo, es importante tener en cuenta que un sistema de navegación no asistido se desviará con el tiempo.
Sistemas de navegación inercial OXTS
OXTS fabrica sistemas de navegación inercial con distintos niveles de precisión y factores de forma que los hacen ideales para una amplia gama de aplicaciones.
Cada dispositivo incluye nuestro software gratuito NAVsuite, que le permite configurar, supervisar, postprocesar y analizar sus datos INS. Los dispositivos pueden complementarse con una serie de herramientas y funciones de software opcionales que le permiten crear un dispositivo adaptado a sus requisitos específicos.
