Sistem Navigasi Inersia

Sistem Navigasi Inersia (bahasa Inggris:Inertial Navigation System (INS)) atau sistem panduan inersia, instrumen inersia adalah perangkat navigasi yang menggunakan sensor gerak (akselerometer), sensor rotasi (giroskop) dan komputer untuk terus menghitung dengan memperhitungkan posisi, orientasi, dan kecepatan (arah dan kecepatan gerak) suatu benda bergerak tanpa memerlukan acuan dari luar. Seringkali sensor inersia dilengkapi dengan altimeter barometrik dan terkadang dengan sensor magnetik (magnetometer) dan/atau alat pengukur kecepatan. INS digunakan pada robot bergerak dan pada kendaraan seperti kapal laut, pesawat terbang, kapal selam, peluru kendali, dan pesawat ruang angkasa. Sistem INS lama umumnya menggunakan platform inersia sebagai titik pemasangannya ke kendaraan dan istilah tersebut terkadang dianggap sama. Istilah lain yang digunakan untuk merujuk pada sistem navigasi inersia atau perangkat terkait erat termasuk sistem inersia bimbingan platform acuan inersia, instrumen inersia, unit pengukuran inersia (IMU) dan berbagai variasi lainnya.[1][2][3][4]

Integral dalam domain waktu secara implisit menuntut jam yang stabil dan akurat untuk kuantifikasi waktu yang telah berlalu.

Desain

Navigasi inersia adalah teknik navigasi mandiri di mana pengukuran yang dilakukan oleh akselerometer dan giroskop digunakan untuk melacak posisi dan orientasi suatu objek relatif terhadap titik awal, orientasi, dan kecepatan yang diketahui. Unit pengukuran inersia (IMU) biasanya berisi tiga giroskop laju ortogonal dan tiga akselerometer ortogonal, yang masing-masing mengukur kecepatan sudut dan percepatan linier. Dengan memproses sinyal dari perangkat ini, posisi dan orientasi perangkat dapat dilacak.

Sistem navigasi inersia mencakup setidaknya komputer dan platform atau modul yang berisi akselerometer, giroskop, atau perangkat penginderaan gerak lainnya. INS awalnya diberikan posisi dan kecepatannya dari sumber lain (operator manusia, penerima satelit GPS, dll.) disertai dengan orientasi awal dan kemudian menghitung posisi dan kecepatan terbarunya dengan mengintegrasikan informasi yang diterima dari sensor gerak. Keuntungan dari INS adalah tidak memerlukan referensi eksternal untuk menentukan posisi, orientasi, atau kecepatannya setelah diinisialisasi.

INS dapat mendeteksi perubahan posisi geografisnya (misalnya pergerakan ke timur atau utara), perubahan kecepatan (kecepatan dan arah pergerakan), dan perubahan orientasi (rotasi terhadap suatu sumbu). Hal ini dilakukan dengan mengukur percepatan linier dan kecepatan sudut yang diterapkan pada sistem. Karena tidak memerlukan referensi eksternal (setelah inisialisasi), maka kebal terhadap kemacetan dan penipuan.

Giroskop mengukur perpindahan sudut bingkai sensor terhadap kerangka acuan inersia. Dengan menggunakan orientasi awal sistem dalam kerangka acuan inersia sebagai kondisi awal dan mengintegrasikan perpindahan sudut, orientasi arus sistem dapat diketahui setiap saat. Hal ini dapat dianggap sebagai kemampuan penumpang mobil yang matanya ditutup untuk merasakan mobil berbelok ke kiri dan ke kanan atau miring ke atas dan ke bawah saat mobil menanjak atau menuruni bukit. Berdasarkan informasi ini saja, penumpang mengetahui ke arah mana mobil tersebut menghadap, namun tidak mengetahui seberapa cepat atau lambat mobil tersebut melaju, atau apakah mobil tersebut meluncur ke samping.

Akselerometer mengukur percepatan linier kendaraan yang bergerak di dalam sensor atau rangka bodi, namun dalam arah yang hanya dapat diukur secara relatif terhadap sistem yang bergerak (karena akselerometer dipasang pada sistem dan berputar bersama sistem, namun tidak menyadarinya). orientasi sendiri). Hal ini dapat dianggap sebagai kemampuan penumpang yang matanya ditutup di dalam mobil untuk merasakan dirinya ditekan kembali ke tempat duduknya saat kendaraan melaju ke depan atau ditarik ke depan saat melambat; dan merasakan diri mereka terdesak ke tempat duduknya saat kendaraan melaju kencang ke atas bukit atau bangkit dari tempat duduknya saat mobil melewati puncak bukit dan mulai menurun. Berdasarkan informasi ini saja, mereka mengetahui bagaimana kendaraan tersebut mengalami percepatan relatif terhadap dirinya sendiri; yaitu, apakah percepatannya maju, mundur, kiri, kanan, atas (ke arah langit-langit mobil), atau ke bawah (ke arah lantai mobil), diukur relatif terhadap mobil, namun bukan arah relatif terhadap Bumi, karena mereka melakukannya tidak mengetahui ke arah mana mobil itu menghadap relatif terhadap Bumi ketika mereka merasakan percepatannya.

Namun, dengan melacak kecepatan sudut sistem saat ini dan percepatan linier saat ini dari sistem yang diukur relatif terhadap sistem yang bergerak, percepatan linier sistem dapat ditentukan dalam kerangka acuan inersia. Melakukan integrasi pada percepatan inersia (menggunakan kecepatan awal sebagai kondisi awal) menggunakan persamaan kinematik yang benar akan menghasilkan kecepatan inersia sistem dan integrasi lagi (menggunakan posisi awal sebagai kondisi awal) akan menghasilkan posisi inersia. Dalam contoh kita, jika penumpang yang matanya ditutup mengetahui bagaimana mobil diarahkan dan berapa kecepatannya sebelum mereka ditutup matanya, dan jika mereka dapat melacak bagaimana mobil tersebut berbelok dan bagaimana mobil tersebut dipercepat dan diperlambat sejak saat itu, maka mereka dapat mengetahui secara akurat orientasi saat ini, posisi, dan kecepatan mobil setiap saat.

Inertial measurement unit

9-DoF IMU SiP breakout board
Modern inertial measurement unit for spacecraft

Unit pengukuran inersia (Inertial measurement unit, IMU) adalah perangkat elektronik yang mengukur dan melaporkan gaya spesifik suatu benda, laju sudut, dan terkadang orientasi benda, menggunakan kombinasi akselerometer, giroskop, dan terkadang magnetometer. Jika magnetometer disertakan, IMU disebut sebagai IMMU.

IMU biasanya digunakan untuk melakukan manuver kendaraan modern termasuk sepeda motor, rudal, pesawat terbang (sistem referensi sikap dan arah), termasuk kendaraan udara tak berawak (UAV), dan banyak lainnya, dan pesawat ruang angkasa, termasuk satelit dan pendarat. Perkembangan terkini memungkinkan produksi perangkat GPS berkemampuan IMU. IMU memungkinkan penerima GPS bekerja ketika sinyal GPS tidak tersedia, seperti di terowongan, di dalam gedung, atau ketika ada gangguan elektronik.

Kegunaan

Navigasi inersia digunakan dalam berbagai aplikasi termasuk navigasi pesawat terbang, rudal taktis dan strategis, pesawat ruang angkasa, kapal selam dan kapal laut. Itu juga tertanam di beberapa ponsel untuk tujuan lokasi dan pelacakan ponsel. Kemajuan terkini dalam pembangunan sistem mikroelektromekanis (MEMS) telah memungkinkan pembuatan sistem navigasi inersia yang kecil dan ringan. Kemajuan ini telah memperluas jangkauan penerapan yang memungkinkan untuk mencakup bidang-bidang seperti penangkapan gerak manusia dan hewan.

Sistem navigasi inersia digunakan di banyak objek bergerak yang berbeda. Namun, biaya dan kompleksitasnya menimbulkan kendala pada lingkungan di mana bahan tersebut praktis untuk digunakan.

Tingkat penyimpangan

Semua sistem navigasi inersia mengalami penyimpangan integrasi: kesalahan kecil dalam pengukuran percepatan dan kecepatan sudut diintegrasikan ke dalam kesalahan kecepatan yang semakin besar, yang digabungkan menjadi kesalahan posisi yang lebih besar lagi. Karena posisi baru dihitung dari posisi perhitungan sebelumnya dan percepatan serta kecepatan sudut yang diukur, kesalahan ini terakumulasi secara kasar sebanding dengan waktu sejak posisi awal dimasukkan. Bahkan akselerometer terbaik, dengan kesalahan standar 10 mikro-g, akan mengakumulasi kesalahan 50 meter (164 kaki) dalam waktu 17 menit. Oleh karena itu, posisinya harus dikoreksi secara berkala dengan masukan dari beberapa jenis sistem navigasi lainnya.

Oleh karena itu, navigasi inersia biasanya digunakan untuk melengkapi sistem navigasi lainnya, sehingga memberikan tingkat akurasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan penggunaan sistem tunggal mana pun. Misalnya, jika, dalam penggunaan terestrial, kecepatan yang dilacak secara inersia sesekali diperbarui ke nol dengan berhenti, posisinya akan tetap tepat untuk waktu yang lebih lama, yang disebut pembaruan kecepatan nol. Khususnya di bidang kedirgantaraan, sistem pengukuran lain digunakan untuk menentukan ketidakakuratan INS, misalnya. sistem navigasi inersia Honeywell LaseRefV menggunakan GPS dan keluaran komputer data udara untuk mempertahankan kinerja navigasi yang diperlukan. Kesalahan navigasi meningkat seiring dengan rendahnya sensitivitas sensor yang digunakan. Saat ini, perangkat yang menggabungkan sensor berbeda sedang dikembangkan, misalnya. sistem referensi sikap dan pos. Karena kesalahan navigasi terutama dipengaruhi oleh integrasi numerik dari laju sudut dan percepatan, Sistem Referensi Tekanan dikembangkan untuk menggunakan satu integrasi numerik dari pengukuran laju sudut.

Teori estimasi secara umum dan penyaringan Kalman pada khususnya, memberikan kerangka teoritis untuk menggabungkan informasi dari berbagai sensor. Salah satu sensor alternatif yang paling umum adalah radio navigasi satelit seperti GPS, yang dapat digunakan untuk semua jenis kendaraan dengan visibilitas langsung ke langit. Aplikasi dalam ruangan dapat menggunakan pedometer, peralatan pengukur jarak, atau jenis sensor posisi lainnya. Dengan menggabungkan informasi dari INS dan sistem lain (GPS) dengan benar, kesalahan posisi dan kecepatan menjadi stabil. Selain itu, INS dapat digunakan sebagai cadangan jangka pendek saat sinyal GPS tidak tersedia, misalnya saat kendaraan melewati terowongan.

Pada tahun 2011, gangguan GPS di tingkat sipil menjadi perhatian pemerintah. Kemampuan relatif mudah untuk mengganggu sistem ini telah memotivasi militer untuk mengurangi ketergantungan navigasi pada teknologi GPS. Karena sensor navigasi inersia tidak bergantung pada sinyal radio seperti GPS, sensor tersebut tidak dapat macet. Pada tahun 2012, Laboratorium Penelitian Angkatan Darat A.S. melaporkan metode untuk menggabungkan pengukuran dari 10 pasang giroskop MEMS dan akselerometer (ditambah GPS sesekali), sehingga mengurangi kesalahan posisi sebesar dua pertiga untuk sebuah proyektil. Algoritme ini dapat mengoreksi bias sistemik pada masing-masing sensor, menggunakan GPS dan heuristik berdasarkan gaya akselerasi penembakan. Jika salah satu sensor secara konsisten melebihi atau meremehkan jarak, sistem dapat menyesuaikan kontribusi sensor yang rusak pada perhitungan akhir.

Detail

Diagram denoting roll, pitch and yaw axes of an aircraft in flight
Inertial navigation unit of French IRBM S3.

INS berisi Unit Pengukuran Inersia (IMU) yang memiliki akselerometer sudut dan linier (untuk perubahan posisi); beberapa IMU menyertakan elemen giroskopik (untuk mempertahankan referensi sudut absolut).

Akselerometer sudut mengukur bagaimana kendaraan berputar di ruang angkasa. Secara umum, setidaknya ada satu sensor untuk masing-masing dari tiga sumbu: pitch (hidung atas dan bawah), yaw (hidung kiri dan kanan) dan roll (searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam dari kokpit).

Akselerometer linier mengukur percepatan non-gravitasi kendaraan. Karena dapat bergerak dalam tiga sumbu (atas dan bawah, kiri dan kanan, maju dan mundur), terdapat akselerometer linier untuk setiap sumbu.

Komputer terus menghitung posisi kendaraan saat ini. Pertama, untuk masing-masing dari enam derajat kebebasan (x,y,z dan θx, θy dan θz), ia mengintegrasikan percepatan yang dirasakan dari waktu ke waktu, bersama dengan perkiraan gravitasi, untuk menghitung kecepatan saat ini. Kemudian mengintegrasikan kecepatan untuk menghitung posisi saat ini.

Panduan inersia sulit dilakukan tanpa komputer. Keinginan untuk menggunakan panduan inersia dalam rudal Minuteman dan Proyek Apollo mendorong upaya awal untuk membuat miniatur komputer.

Sistem panduan inersia kini biasanya digabungkan dengan sistem navigasi satelit melalui sistem penyaringan digital. Sistem inersia menyediakan data jangka pendek, sedangkan sistem satelit mengoreksi akumulasi kesalahan sistem inersia.

Sistem panduan inersia yang akan beroperasi di dekat permukaan bumi harus menggunakan penyetelan Schuler sehingga platformnya akan terus mengarah ke pusat bumi saat kendaraan bergerak dari satu tempat ke tempat lain.

Skema dasar

Platform dengan gyrostabilized gimbal

Apollo gimballed gyrostabilized platform

Beberapa sistem menempatkan akselerometer linier pada platform yang distabilkan gyro. Gimbal adalah satu set tiga cincin, masing-masing dengan sepasang bantalan yang awalnya tegak lurus. Mereka membiarkan platform berputar pada sumbu rotasi apa pun (atau, lebih tepatnya, membiarkan platform mempertahankan orientasi yang sama saat kendaraan berputar mengelilinginya). Ada dua giroskop (biasanya) di platform.

Dua giroskop digunakan untuk membatalkan presesi giroskopik, kecenderungan giroskop berputar tegak lurus terhadap torsi masukan. Dengan memasang sepasang giroskop (dengan inersia rotasi yang sama dan berputar dengan kecepatan yang sama dalam arah yang berlawanan) pada sudut kanan, presesi dibatalkan dan platform akan menahan puntiran. Sistem ini memungkinkan sudut roll, pitch, dan yaw kendaraan diukur langsung pada bantalan gimbal. Rangkaian elektronik yang relatif sederhana dapat digunakan untuk menjumlahkan percepatan linier, karena arah akselerometer linier tidak berubah.

Kerugian besar dari skema ini adalah ia menggunakan banyak komponen mekanis presisi yang mahal. Ia juga memiliki bagian bergerak yang dapat aus atau macet dan rentan terhadap kunci gimbal. Sistem panduan utama pesawat ruang angkasa Apollo menggunakan platform tiga sumbu yang distabilkan oleh gyro, yang menyalurkan data ke Komputer Panduan Apollo. Manuver harus direncanakan dengan hati-hati untuk menghindari gimbal lock.

Platform dengan gyrostabilized yang ditangguhkan cairan

Kunci gimbal membatasi manuver dan akan bermanfaat untuk menghilangkan slip ring dan bantalan gimbal. Oleh karena itu, beberapa sistem menggunakan bantalan fluida atau ruang flotasi untuk memasang platform yang distabilkan gyro. Sistem ini dapat memiliki presisi yang sangat tinggi (misalnya, Bola Referensi Inersia Tingkat Lanjut). Seperti semua platform yang distabilkan gyro, sistem ini berjalan dengan baik pada komputer yang relatif lambat dan berdaya rendah. Bantalan fluida adalah bantalan berlubang tempat gas inert bertekanan (seperti helium) atau minyak menekan cangkang bola platform. Bantalan fluida sangat licin dan platform bola dapat berputar dengan bebas. Biasanya ada empat bantalan bantalan, dipasang dalam susunan tetrahedral untuk menopang platform.

Dalam sistem premium, sensor sudut biasanya berupa kumparan transformator khusus yang dibuat dalam strip pada papan sirkuit cetak fleksibel. Beberapa strip kumparan dipasang pada lingkaran besar di sekitar cangkang bola platform yang distabilkan gyro. Elektronik di luar platform menggunakan trafo berbentuk strip serupa untuk membaca berbagai medan magnet yang dihasilkan oleh trafo yang melilit platform bola. Setiap kali medan magnet berubah bentuk, atau bergerak, maka akan memotong kabel kumparan pada strip transformator eksternal. Pemotongan tersebut menghasilkan arus listrik pada kumparan berbentuk strip eksternal dan elektronik dapat mengukur arus tersebut untuk mendapatkan sudut.

Sistem yang murah terkadang menggunakan kode batang untuk merasakan orientasi dan menggunakan sel surya atau transformator tunggal untuk memberi daya pada platform. Beberapa rudal kecil telah memberi daya pada platform tersebut dengan cahaya dari jendela atau serat optik ke motor. Topik penelitiannya adalah menangguhkan platform dengan tekanan gas buang. Data dikembalikan ke dunia luar melalui trafo, atau terkadang LED yang berkomunikasi dengan fotodioda eksternal.

Sistem Strapdown

Komputer digital yang ringan memungkinkan sistem untuk menghilangkan gimbal, menciptakan sistem strapdown, disebut demikian karena sensornya hanya diikatkan ke kendaraan. Hal ini mengurangi biaya, menghilangkan kunci gimbal, menghilangkan kebutuhan akan beberapa kalibrasi dan meningkatkan keandalan dengan menghilangkan beberapa bagian yang bergerak. Sensor laju sudut yang disebut rate gyros mengukur kecepatan sudut kendaraan.

Sistem strapdown memerlukan rentang pengukuran dinamis beberapa ratus kali lipat dari yang dibutuhkan oleh sistem gimball. Artinya, harus mengintegrasikan perubahan sikap kendaraan dalam pitch, roll dan yaw, serta gerakan kasar. Sistem gimball biasanya dapat bekerja dengan baik dengan kecepatan pembaruan 50–60 Hz. Namun, sistem strapdown biasanya memperbarui sekitar 2000 Hz. Kecepatan yang lebih tinggi diperlukan agar sistem navigasi dapat mengintegrasikan kecepatan sudut ke dalam suatu sikap secara akurat.

Algoritme pembaruan data (kosinus arah atau angka empat) yang terlibat terlalu rumit untuk dilakukan secara akurat kecuali dengan elektronik digital. Namun, komputer digital sekarang sangat murah dan cepat sehingga sistem gyro rate kini dapat digunakan dan diproduksi secara massal. Modul bulan Apollo menggunakan sistem strapdown dalam cadangannya Abort Guidance System (AGS).

Sistem strapdown saat ini umum digunakan dalam aplikasi komersial dan militer (pesawat terbang, kapal laut, ROV, rudal, dll.). Sistem strapdown yang canggih didasarkan pada Giroskop Laser Cincin, Giroskop Serat Optik, atau Giroskop Resonator Hemisferis. Mereka menggunakan elektronik digital dan teknik penyaringan digital canggih seperti filter Kalman.

Penyelarasan berbasis gerakan

Orientasi sistem giroskop terkadang juga dapat disimpulkan hanya dari riwayat posisinya (misalnya GPS). Hal ini khususnya terjadi pada pesawat terbang dan mobil, dimana vektor kecepatan biasanya menunjukkan orientasi badan kendaraan.

Misalnya saja Align in Motion dari Honeywell yang merupakan proses inisialisasi dimana inisialisasi terjadi pada saat pesawat sedang bergerak, baik di udara maupun di darat. Hal ini dicapai dengan menggunakan GPS dan uji kewajaran inersia, sehingga memungkinkan persyaratan integritas data komersial dipenuhi. Proses ini telah disertifikasi FAA untuk memulihkan kinerja INS murni yang setara dengan prosedur penyelarasan stasioner untuk waktu penerbangan sipil hingga 18 jam. Ini menghindari kebutuhan baterai giroskop di pesawat.

Gyro getar

Sistem navigasi yang lebih murah, yang dimaksudkan untuk digunakan pada mobil, dapat menggunakan giroskop struktur bergetar untuk mendeteksi perubahan arah dan pengambilan odometer untuk mengukur jarak yang ditempuh di sepanjang jalur kendaraan. Jenis sistem ini jauh kurang akurat dibandingkan INS kelas atas, namun cukup memadai untuk aplikasi mobil pada umumnya dimana GPS adalah sistem navigasi utama dan perhitungan mati hanya diperlukan untuk mengisi kesenjangan dalam jangkauan GPS ketika bangunan atau medan menghalangi satelit. sinyal.

Gyro resonator hemisferis

Jika gelombang berdiri diinduksi dalam struktur resonansi hemisfer dan kemudian struktur resonansi diputar, gelombang berdiri harmonik bola berputar melalui sudut yang berbeda dari struktur resonator kuarsa karena gaya Coriolis. Pergerakan selubung luar terhadap pola gelombang berdiri sebanding dengan sudut rotasi total dan dapat dirasakan oleh elektronik yang sesuai. Resonator sistem dibuat dari kuarsa yang menyatu karena sifat mekaniknya yang sangat baik. Elektroda yang menggerakkan dan merasakan gelombang berdiri diendapkan langsung ke struktur kuarsa terpisah yang mengelilingi resonator. Gyro ini dapat beroperasi baik dalam mode sudut keseluruhan (yang memberikan kemampuan kecepatan hampir tak terbatas) atau mode penyeimbangan kembali gaya yang menahan gelombang berdiri dalam orientasi tetap terhadap rumah gyro (yang memberikan akurasi lebih baik).

Sistem ini hampir tidak memiliki bagian yang bergerak dan sangat akurat. Namun biayanya masih relatif mahal karena biaya pengerjaan tanah yang presisi dan belahan kuarsa berongga yang dipoles. Northrop Grumman saat ini memproduksi IMU (unit pengukuran inersia) untuk pesawat ruang angkasa yang menggunakan HRG. IMU ini telah menunjukkan keandalan yang sangat tinggi sejak pertama kali digunakan pada tahun 1996.[2] Safran memproduksi sejumlah besar sistem inersia berbasis HRG yang didedikasikan untuk berbagai aplikasi.[3]

Sensor Quartz rate

The quartz rate sensor inside an E-Sky model helicopter

Produk-produk ini termasuk "garpu tala gyros". Di sini, gyro dirancang sebagai garpu tala yang digerakkan secara elektronik, sering kali dibuat dari sepotong kuarsa atau silikon. Gyro tersebut beroperasi sesuai dengan teori dinamis bahwa ketika laju sudut diterapkan pada benda yang bergerak, gaya Coriolis akan dihasilkan.

Sistem ini biasanya terintegrasi pada chip silikon. Ia memiliki dua garpu tala kuarsa dengan massa seimbang, disusun "pegangan-ke-pegangan" sehingga gaya dibatalkan. Elektroda aluminium yang diuapkan ke garpu dan chip di bawahnya menggerakkan dan merasakan gerakan. Sistem ini dapat diproduksi dan murah. Karena kuarsa stabil secara dimensi, sistemnya bisa akurat.

Saat garpu diputar pada sumbu pegangan, getaran gigi cenderung berlanjut pada bidang gerak yang sama. Gerakan ini harus dilawan oleh gaya elektrostatis dari elektroda di bawah gigi. Dengan mengukur perbedaan kapasitansi antara dua ujung garpu, sistem dapat menentukan laju gerak sudut.

Teknologi non-militer tercanggih saat ini (mulai tahun 2005) dapat membangun sensor solid-state kecil yang dapat mengukur pergerakan tubuh manusia. Perangkat ini tidak memiliki bagian yang bergerak dan beratnya sekitar 50 gram (2 ons).

Perangkat solid-state yang menggunakan prinsip fisik yang sama digunakan untuk stabilisasi gambar di kamera kecil atau camcorder. Ini bisa sangat kecil, sekitar 5 milimeter (0,20 inci) dan dibuat dengan teknologi sistem mikroelektromekanis (MEMS).

Sensor MHD

Sensor berdasarkan prinsip magnetohidrodinamik dapat digunakan untuk mengukur kecepatan sudut.

Giroskop MEMS

MEMS gyroscope

Giroskop MEMS biasanya mengandalkan efek Coriolis untuk mengukur kecepatan sudut. Ini terdiri dari massa bukti beresonansi yang dipasang di silikon. Giroskop, tidak seperti akselerometer, merupakan sensor aktif. Massa bukti didorong maju mundur dengan menggerakkan sisir. Rotasi giroskop menghasilkan gaya Coriolis yang bekerja pada massa yang menghasilkan gerakan ke arah yang berbeda. Gerakan dalam arah ini diukur dengan elektroda dan mewakili laju putaran.[5]

Cincin Laser Gyro

Ring laser gyroscope

Gyro laser cincin (RLG) membagi berkas sinar laser menjadi dua berkas dalam arah berlawanan melalui terowongan sempit dalam jalur optik melingkar tertutup di sekeliling blok segitiga kaca Cervit yang tahan suhu dengan cermin pemantul ditempatkan di setiap sudut. Ketika gyro berputar pada kecepatan sudut tertentu, jarak yang ditempuh setiap balok akan berbeda—jalur yang lebih pendek berlawanan dengan rotasi. Pergeseran fasa antara dua berkas dapat diukur dengan interferometer dan sebanding dengan laju putaran (efek Sagnac).

Dalam prakteknya, pada tingkat rotasi yang rendah, frekuensi keluaran dapat turun menjadi nol sebagai akibat dari hamburan balik yang menyebabkan berkas-berkas tersebut melakukan sinkronisasi dan mengunci bersama-sama. Ini dikenal sebagai lock-in, atau laser-lock. Hasilnya adalah tidak ada perubahan pola interferensi sehingga tidak ada perubahan pengukuran.

Untuk membuka kunci sinar cahaya yang berputar balik, gyro laser memiliki jalur cahaya independen untuk dua arah (biasanya dalam gyro serat optik), atau gyro laser dipasang pada motor dither piezo-listrik yang dengan cepat menggetarkan cincin laser bolak-balik. tentang sumbu masukannya melalui wilayah penguncian untuk memisahkan gelombang cahaya.

Pengocok adalah yang paling akurat, karena kedua berkas cahaya menggunakan jalur yang persis sama. Jadi gyro laser mempertahankan bagian yang bergerak, namun tidak bergerak terlalu jauh.

Gyro serat optik

Variasi yang lebih baru pada giroskop optik, giroskop serat optik (FOG), menggunakan laser eksternal dan dua sinar yang berlawanan arah (berpropagasi balik) dalam gulungan panjang (beberapa kilometer) filamen serat optik, dengan perbedaan fasa sebesar dua balok dibandingkan setelah perjalanannya melalui gulungan serat.

Mekanisme dasarnya, sinar laser monokromatik yang bergerak dalam jalur berlawanan dan efek Sagnac, sama pada FOG dan RLG, namun detail tekniknya sangat berbeda pada FOG dibandingkan dengan gyro laser sebelumnya.

Gulungan kumparan serat optik yang tepat diperlukan untuk memastikan jalur yang diambil oleh cahaya dalam arah yang berlawanan semirip mungkin. FOG memerlukan kalibrasi yang lebih kompleks daripada gyro cincin laser sehingga pengembangan dan pembuatan FOG lebih menantang secara teknis dibandingkan RLG. Namun FOG tidak mengalami penguncian laser pada kecepatan rendah dan tidak perlu memuat bagian yang bergerak, sehingga meningkatkan potensi akurasi maksimum dan masa pakai FOG dibandingkan RLG yang setara.

Akselerometer pendular

Principle of open loop accelerometer. Acceleration in the upward direction causes the mass to deflect downward.

Prinsip akselerometer loop terbuka. Percepatan ke atas menyebabkan massa membelok ke bawah. Akselerometer loop terbuka dasar terdiri dari massa yang diikatkan pada pegas. Massa dibatasi untuk bergerak hanya searah dengan pegas. Percepatan menyebabkan defleksi massa dan jarak offset diukur. Percepatan diperoleh dari nilai jarak defleksi, massa dan konstanta pegas. Sistem juga harus diredam untuk menghindari osilasi. Akselerometer loop tertutup mencapai kinerja yang lebih tinggi dengan menggunakan loop umpan balik untuk membatalkan defleksi, sehingga menjaga massa hampir tidak bergerak. Setiap kali massa membelok, putaran umpan balik menyebabkan kumparan listrik memberikan gaya negatif yang sama pada massa, sehingga membatalkan gerakan. Percepatan diperoleh dari jumlah gaya negatif yang diterapkan. Karena massa hampir tidak bergerak, efek non-linearitas pegas dan sistem redaman menjadi sangat berkurang. Selain itu, akselerometer ini memberikan peningkatan bandwidth melebihi frekuensi alami elemen penginderaan.

Kedua jenis akselerometer telah diproduksi sebagai mesin mikro terintegrasi pada chip silikon.

Sensor TIMU

Departemen Microsystems Technology Office (MTO) DARPA sedang mengerjakan program Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) untuk merancang chip Timing & Inertial Measurement Unit (TIMU) yang melakukan pelacakan posisi absolut pada satu chip tanpa GPS- navigasi berbantuan.

Micro-PNT menambahkan master timing clock yang sangat akurat[9] yang terintegrasi ke dalam chip IMU (Inertial Measurement Unit), menjadikannya chip Timing & Inertial Measurement Unit. Sebuah chip TIMU mengintegrasikan giroskop 3 sumbu, akselerometer 3 sumbu, dan magnetometer 3 sumbu bersama dengan jam pengatur waktu master yang sangat akurat, sehingga secara bersamaan dapat mengukur gerakan yang dilacak dan menggabungkannya dengan pengaturan waktu dari jam yang disinkronkan.

Perbandingan INS dan GNSS

Pesawat masih menggunakan sistem navigasi inersia karena INS bersifat otonom, tidak memerlukan dukungan eksternal untuk bekerja, memberikan lebih banyak informasi, dan lebih akurat dibandingkan Global Navigation Satellite Systems (GNSS).

Solusi umum untuk navigasi udara adalah dengan menggunakan INS, yang sering diperbarui oleh GNSS untuk menampung penyimpangan, selama sinyal GNSS tersedia, akurat dan dapat diandalkan (penerima GNSS profesional dapat menentukan keandalannya).

Meskipun INS memiliki beberapa kelemahan, yaitu waktu penyelarasan awal dan penyimpangan, INS juga memiliki kemampuan unik:

  • INS bersifat otonom, kedudukan ditentukan tanpa dukungan kerjasama dari luar.
  • Posisi INS dapat diperbarui 1.000 kali per detik.
  • INS memberikan informasi posisi seperti GNSS, tetapi juga orientasi (sikap), laju rotasi, dan percepatan terkait. Dalam jangka pendek, data ini sangat akurat. Misalnya, peredam yaw menggunakan data gerakan sesaat untuk melawan Dutch roll.
  • INS memberikan arah Utara Sejati, True North.

Di sisi lain, sistem satelit navigasi global (GNSS):

  • Berbeda dengan sistem navigasi inersia (INS), sistem ini bergantung pada banyak faktor untuk berfungsi, termasuk kendaraan luar angkasa, stasiun bumi, antena, atau aktivitas matahari.
  • Sinyal GNSS dapat terhalang, diubah, atau macet.
  • GNSS diperbarui dengan kecepatan yang lambat (misalnya sekali atau 10 kali per detik, yaitu dengan peningkatan yang lebih besar dari 20m untuk pesawat terbang dengan kecepatan Mach 0,85), karena komputasi berat yang diperlukan untuk mengekstrak dan memproses sinyal radio GNSS yang lemah.
  • GNSS yang paling terkenal, American Navstar GPS, adalah sistem militer yang didanai dan dikelola oleh Angkatan Udara AS.
  • Meskipun GPS selalu akurat untuk keperluan sipil, harus diingat bahwa tidak ada jaminan dari Departemen Pertahanan AS mengenai hal itu.

Di bidang penerbangan, GNSS dan INS semakin banyak digabungkan dengan data udara dan magnetometer, yang disebut fusi data/sensor untuk mengambil yang terbaik dari setiap sistem, memeriksa hasil silang dan mendeteksi kegagalan sensor.

Sebagai contoh kehidupan sehari-hari: Tanpa sensor inersia pada "penerima GPS" mobil (lebih tepatnya: sistem navigasi berbantuan GPS), sistem navigasi tidak akan berdaya di bundaran. Ketepatan sesaat penerima GPS, frekuensi pembaruan yang rendah, dan kurangnya penginderaan orientasi akan mencegahnya memperoleh posisi sebenarnya dan jalan keluar bundaran terdekat dengan benar.

Lihat pula

Referensi

  1. ^ "Basic Principles of Inertial Navigation Seminar on inertial navigation systems" (PDF). AeroStudents.com. Tampere University of Technology, page 5. Diakses tanggal 17 April 2018. 
  2. ^ Bruno Siciliano; Oussama Khatib (20 May 2008). Springer Handbook of Robotics. Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-540-23957-4. 
  3. ^ Gerald Cook (14 October 2011). Mobile Robots: Navigation, Control and Remote Sensing. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-02904-6. 
  4. ^ NASA.gov
Kembali kehalaman sebelumnya