مقدمة في تقنية القصور الذاتي

(3) تكوين نظام نظام الملاحة بالقصور الذاتي

نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS) هو حل ملاحة ذاتي التشغيل بالكامل يستخدم على نطاق واسع في الفضاء والطائرات بدون طيار والسفن البحرية والروبوتات والتطبيقات الصناعية المتطورة. على عكس الأنظمة المعتمدة على الأقمار الصناعية، لا يعتمد نظام الملاحة بالقصور الذاتي على إشارات خارجية. بدلاً من ذلك، يحسب الموضع والسرعة والاتجاه من خلال المستشعرات الداخلية والخوارزميات فقط.

تشرح هذه المقالة التكوين الكامل لنظام الملاحة بالقصور الذاتي وكيف تعمل أنظمته الفرعية معًا لتقديم ملاحة دقيقة وموثوقة.

1. نظرة عامة على نظام الملاحة بالقصور الذاتي

يحدد نظام الملاحة بالقصور الذاتي حركة منصة عن طريق قياس التسارع ومعدل الزاوية باستمرار. تتم معالجة هذه القياسات من خلال خوارزميات الملاحة لحساب:

• الموضع

• السرعة

• الاتجاه (الانحراف، الميل، الانعراج)

لتحقيق ذلك، يدمج نظام الملاحة بالقصور الذاتي مزيجًا من الأجهزة الدقيقة والتركيبات الميكانيكية والإلكترونيات وطرق المعايرة.

2. تكوين النظام

تشمل المكونات الأساسية لنظام الملاحة بالقصور الذاتي:

(1) وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU)

وحدة القياس بالقصور الذاتي هي جوهر الاستشعار لنظام الملاحة بالقصور الذاتي. وهي تدمج:

• جيروسكوب
  يقيس المعدل الزاوي للدوران حول ثلاثة محاور.

• مقياس التسارع
  يقيس التسارع الخطي على طول ثلاثة محاور.

معًا، توفر هذه الدرجات الست من الحرية بيانات الحركة الأولية المطلوبة لحسابات الملاحة.

(2) حاسوب الملاحة

حاسوب الملاحة مسؤول عن تحويل الإشارات الأولية لوحدة القياس بالقصور الذاتي إلى معلومات ملاحة قابلة للاستخدام.

وهو يؤدي:

• اكتساب البيانات ومعالجتها
  تصفية مخرجات المستشعر وأخذ العينات وتحويلها.

• حل الملاحة
  ينفذ خوارزميات مثل حساب الحزام، وتكامل الاتجاه، وتحديث السرعة، وحساب الموضع.

• تعويض الخطأ
  يطبق بيانات المعايرة، وإزالة التحيز، وتصحيح عامل المقياس، وتعويض درجة الحرارة.

(3) نظام التخميد

لضمان الدقة المتسقة، يعمل نظام التخميد على استقرار حركة المنصة وتقليل تأثير الاهتزازات والصدمات والاضطرابات الميكانيكية.

تشمل وظائفه:

• تقليل ضوضاء المستشعر الناتجة عن الاهتزاز

• توفير التخميد للتقلبات الميكانيكية

• المساعدة في المحاذاة الدقيقة

يعتبر تصميم التخميد مهمًا بشكل خاص في التطبيقات المحمولة جواً والتطبيقات المتنقلة.

(4) النظام الإلكتروني

يوفر النظام الإلكتروني إدارة الطاقة وتكييف الإشارات وواجهات الاتصال.

العناصر الأساسية:

• تنظيم الطاقة وتوزيعها

• دوائر معالجة الإشارات الرقمية

• بروتوكولات الاتصال (CAN، RS422، Ethernet، إلخ)

• مراقبة النظام وحمايته

(5) الهيكل الميكانيكي

يوفر الهيكل الميكانيكي الأساس المادي لنظام الملاحة بالقصور الذاتي.
يعمل الهيكل الميكانيكي المصمم جيدًا على تحسين:

• مقاومة الاهتزازات

• الاستقرار الحراري

• السلامة الهيكلية على المدى الطويل

• الصلابة البيئية

يضمن هذا الجزء أداء النظام باستمرار في ظل الظروف الصعبة.

3. آليات تهيئة المعلمات والمعايرة

لتحقيق الدقة المثلى، يتطلب نظام الملاحة بالقصور الذاتي طبقات متعددة من المعايرة والتهيئة.

(1) المعلمات الأولية

تشمل هذه التحيزات الخاصة بالمستشعر، وزوايا التثبيت، وعوامل المقياس، والمعاملات البيئية.

(2) الموضع الأولي

يحتاج النظام إلى إحداثيات بداية دقيقة لبدء حسابات الملاحة.

(3) معايرة درجة الحرارة

تعتبر مستشعرات وحدة القياس بالقصور الذاتي حساسة للغاية لدرجة الحرارة.
تعوض معايرة درجة الحرارة عن:

• انجراف التحيز

• تغييرات عامل المقياس

• تأثيرات درجة الحرارة غير الخطية

هذا ضروري لتحقيق أداء عالي الدقة.

(4) المحاذاة والمعايرة الأولية

تحدد المحاذاة الأولية مرجع الاتجاه (الانحراف / الميل / الاتجاه).
نوعان شائعان من المحاذاة:

• المحاذاة الثابتة – يتم إجراؤها عندما يكون النظام ثابتًا

• المحاذاة الديناميكية – يتم إجراؤها أثناء الحركة، بمساعدة الخوارزميات

تضمن المحاذاة الصحيحة إخراجًا دقيقًا للاتجاه والاتجاه طوال التشغيل.

4. إخراج نظام الملاحة بالقصور الذاتي

بعد معالجة جميع بيانات المستشعر وتطبيق التصحيحات، يخرج نظام الملاحة بالقصور الذاتي:

• الاتجاه (الانحراف، الميل، الانعراج)

• السرعة (شمال/شرق/أسفل أو XYZ)

• الموضع (إحداثيات GPS أو نظام الإحداثيات المحلي)

• معلمات الخطأ (التشخيصات، الحالة، مؤشرات الجودة)

تعتمد دقة هذه المخرجات على جودة المستشعر، واكتمال المعايرة، وأداء الخوارزمية.

5. الخاتمة

نظام الملاحة بالقصور الذاتي هو تقنية معقدة ولكنها قوية مبنية على مستشعرات دقيقة وخوارزميات متطورة وعمليات معايرة متقدمة. إن قدرته على توفير الملاحة دون انقطاع في البيئات المحرومة من GNSS تجعلها لا غنى عنها في تطبيقات الفضاء والدفاع والروبوتات والتطبيقات الصناعية الحديثة.

يساعد فهم التكوين الكامل لنظام الملاحة بالقصور الذاتي—وحدة القياس بالقصور الذاتي، وحاسوب الملاحة، والتخميد، والنظام الفرعي الإلكتروني، والهيكل الميكانيكي، وسير عمل المعايرة—المستخدمين على تقدير عمقه وأهميته الفنية.