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Wie funktioniert ein INS eigentlich?
Ein Trägheitsnavigationssystem besteht aus zwei unterschiedlichen Teilen; der erste ist die IMU (Inertial Measurement Unit) - manchmal auch IRU (Inertial Reference Unit) genannt.
Dies ist die Sammelbezeichnung für die Beschleunigungsaufnehmer und Kreisel die Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitsmessungen liefern. Der zweite Teil ist die Navigationsrechner. Der Navigationscomputer nimmt Messungen von der IMU entgegen und berechnet daraus die relative Position, Orientierung und Geschwindigkeit des INS.
Es werden im Wesentlichen zwei Arten von Navigationscomputern verwendet; stabilisierte Plattformen und Umschnallnavigatoren.
Stabilisierte Plattformen
Stabilisierte Plattformen verwenden echte, sich drehende mechanische Gyroskope, um eine Plattform zu stabilisieren, die sich unabhängig vom INS dreht. Wenn sich also das Trägheitsnavigationssystem dreht, dreht sich die stabilisierte Plattform darin nicht. Auf diese Weise lernt das System seine Ausrichtung kennen und kann die Messungen der Beschleunigungsmesser nutzen. Die Nachteile dieser Art von System sind die Kardansperre (siehe Kreisel für eine ausführliche Erklärung), die hohen Kosten und die Komplexität.
Umgeschnalltes Navigationsgerät
Im Gegensatz dazu bewegen sich die Sensoren in einem festgeschnallten Navigationsgerät nicht unabhängig vom INS. Sie sind, wenn man so will, festgeschnallt. Dadurch werden viele der Probleme, die mit stabilisierten Plattformen verbunden sind, überwunden, und das ist der Hauptgrund, warum Trägheitsnavigationssysteme jetzt für viel mehr Menschen erschwinglich sind. Im Gegensatz zu den sich drehenden, mechanischen Kreiseln in einer stabilisierten Plattform handelt es sich bei den Kreiseln in einem festgeschnallten Navigationssystem in der Regel um MEMS (mikroelektromechanische Systeme), die keine beweglichen Teile zu haben scheinen. Es ist besser, sie als Drehratensensoren und nicht als Kreisel zu bezeichnen, obwohl 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 Trägheitssensoren rechtwinklig zueinander angeordnet. Mit anderen Worten, jede Achse steht in einem Winkel von 90° zu den beiden anderen (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 ihm drehen. Jede Achse misst in beide Richtungen - die Pfeilspitzen im Bild zeigen an, welche Richtung als positiv gelesen wird. Ein Beispiel:
- Wenn das INS in Richtung des grünen Pfeils beschleunigt, zeigt die y-Achse eine positive Beschleunigung an.
- Wenn das INS in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt, würde man eine negative Beschleunigung entlang der y-Achse feststellen.
Die Winkelgeschwindigkeit um jede Achse wird ebenfalls gemessen.
- Wenn sich das INS so dreht, wie es der kreisförmige rote Pfeil anzeigt, würde der Kreisel auf der x-Achse einen positiven Wert anzeigen.
- Wenn sich das INS in die entgegengesetzte Richtung dreht, wird ein negativer Wert auf der x-Achse des Kreisels angezeigt.
Durch Messungen entlang (und um) die x-, y- und z-Achsen kann der Navigationscomputer verstehen, wie er sich bewegt und dreht. Auf dem Bild des IMU-Rahmens können Sie deutlich sehen, wie die xyz-Achsen auf einem unserer Produkte angeordnet sind. Sie können auch einen kreisförmigen Pfeil sehen, der zeigt, wie der x-Achsen-Kreisel die Winkelgeschwindigkeit misst.
Obwohl jeder Pfeil in eine Richtung zeigt, messen die Kreisel- und Beschleunigungssensoren in beide Richtungen entlang oder um jede Achse. Die Pfeile geben lediglich an, welche Richtung die Sensoren als positive Bewegung ansehen. Wenn das Produkt also nach unten beschleunigt (in Richtung des blauen Pfeils), würde der z-Achsen-Beschleunigungsmesser einen positiven Wert anzeigen; wenn das Produkt nach oben beschleunigt, würde der z-Achsen-Beschleunigungsmesser einen negativen Wert anzeigen. Eine wichtige Überlegung dabei ist die Bezugsrahmens.
