الجيروسكوبات الليفية البصرية للملاحة بالقصور الذاتي

النقاط الرئيسية

1. ما هو نظام الملاحة بالقصور الذاتي؟

لفهم ماهية الملاحة بالقصور الذاتي، نحتاج أولاً إلى تقسيم العبارة إلى جزأين، وهما: الملاحة + القصور الذاتي.
الملاحة، بعبارات بسيطة، تحل مشكلة الانتقال من مكان إلى آخر، مع تحديد الاتجاه، وعادة ما يكون ذلك باستخدام البوصلة.
يشير مفهوم القصور الذاتي، المشتق أصلاً من الميكانيكا النيوتونية، إلى خاصية الجسم التي تحافظ على حالته الحركية. ووظيفته تسجيل معلومات حالة حركة الجسم.
يُستخدم مثال بسيط لتوضيح الملاحة بالقصور الذاتي. يلعب طفل وصديقه لعبةً عند مدخل غرفة مغطاة بالبلاط، ويسيران على البلاط إلى الجانب الآخر وفقًا لقواعد محددة. خطوة للأمام، ثلاث لليسار، خمس للأمام، خطوتان لليمين... كل خطوة من خطواته تعادل طول بلاطة أرضية، ويمكن للأشخاص خارج الغرفة معرفة مسار حركته بالكامل برسم الطول والمسار المناسبين على ورقة. لا يحتاج الشخص لرؤية الغرفة لمعرفة موقع الطفل وسرعته، وما إلى ذلك.
المبدأ الأساسي للملاحة بالقصور الذاتي وبعض أنواع الملاحة الأخرى هو كالتالي: معرفة موقعك الابتدائي، واتجاهك الابتدائي (وضعك)، واتجاه حركتك في كل لحظة، ثم التقدم للأمام قليلاً. اجمع هذه المعلومات (بما يتوافق مع عملية التكامل الرياضي)، وستحصل على اتجاهك وموقعك ومعلومات أخرى.
إذن، كيف نحصل على معلومات التوجيه (الوضع) والموقع الحالي للجسم المتحرك؟ نحتاج إلى استخدام العديد من أجهزة الاستشعار، وفي الملاحة بالقصور الذاتي يتم استخدام أدوات القصور الذاتي: مقياس التسارع + الجيروسكوب.
تستخدم الملاحة بالقصور الذاتي الجيروسكوب ومقياس التسارع لقياس السرعة الزاوية وتسارع المركبة في الإطار المرجعي بالقصور الذاتي، وتقوم بدمج وحساب الوقت للحصول على السرعة والموقع النسبي، وتحويله إلى نظام إحداثيات الملاحة، بحيث يمكن الحصول على الموقع الحالي للمركبة من خلال الجمع بين معلومات الموقع الأولية.
نظام الملاحة بالقصور الذاتي هو نظام ملاحة داخلي ذو حلقة مغلقة، ولا يعتمد على بيانات خارجية لتصحيح الخطأ أثناء حركة المركبة. لذا، لا يمكن استخدام نظام الملاحة بالقصور الذاتي إلا لفترات قصيرة. أما في حال تشغيل النظام لفترات طويلة، فمن الضروري تصحيح الخطأ المتراكم داخليًا بشكل دوري باستخدام نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية.

2. الجيروسكوبات في الملاحة بالقصور الذاتي

تُستخدم تقنية الملاحة بالقصور الذاتي على نطاق واسع في مجالات الطيران والفضاء، وأقمار الملاحة، والطائرات بدون طيار، وغيرها، نظرًا لقدرتها العالية على التخفي واستقلاليتها التامة في الحصول على معلومات الحركة. وخاصةً في مجال الطائرات الصغيرة بدون طيار والقيادة الذاتية، تُوفر هذه التقنية معلومات دقيقة عن الاتجاه والسرعة، وتلعب دورًا لا غنى عنه في الظروف المعقدة أو عندما تعجز إشارات الملاحة الخارجية المساعدة عن توفير مزايا الملاحة الذاتية في البيئة المحيطة، مما يُتيح قياسًا موثوقًا للوضع والموقع. ويُعد الجيروسكوب الليفي البصري، باعتباره مكونًا أساسيًا في نظام الملاحة بالقصور الذاتي، عنصرًا حاسمًا في قدرته على الملاحة. ويوجد حاليًا في السوق نوعان رئيسيان من الجيروسكوبات: الجيروسكوبات الليفية البصرية وجيروسكوبات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS). وعلى الرغم من دقة الجيروسكوب الليفي البصري العالية، إلا أن نظامه بأكمله يتكون من وصلات.
تتكون هذه التقنية من مُعدِّل وحلقة ألياف بصرية ومكونات منفصلة أخرى، مما ينتج عنه حجم كبير وتكلفة عالية، ولا تستطيع تلبية متطلبات التصغير والتكلفة المنخفضة في الطائرات المسيّرة الصغيرة والطائرات بدون طيار وغيرها من المجالات، مما يحدّ بشكل كبير من تطبيقاتها. على الرغم من إمكانية تصغير حجم الجيروسكوب بتقنية MEMS، إلا أن دقته منخفضة. إضافةً إلى ذلك، يحتوي على أجزاء متحركة، ومقاومته للصدمات والاهتزازات ضعيفة، مما يجعل استخدامه صعبًا في البيئات القاسية.

3. ملخص

تم تصميم جيروسكوب الألياف الضوئية GF70ZK من شركة Micro-Magic Inc خصيصًا وفقًا لمفهوم جيروسكوبات الألياف الضوئية التقليدية، بحجم صغير يبلغ 70*70*32 مم؛ ووزن خفيف، أقل من أو يساوي 250 جرامًا؛ واستهلاك منخفض للطاقة، أقل من أو يساوي 4 واط؛ وبدء تشغيل سريع، حيث يبلغ وقت بدء التشغيل 5 ثوانٍ فقط؛ هذا الجيروسكوب سهل التشغيل والاستخدام، ويستخدم على نطاق واسع في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي، ووحدات القياس بالقصور الذاتي، وأنظمة تحديد المواقع، وأنظمة تحديد الشمال، واستقرار المنصات، وغيرها من المجالات.
تتراوح دقة قياس التحيز الصفري لجهاز GF80 الخاص بنا بين 0.01 و0.02. ويكمن الاختلاف الأكبر بين هذين الجيروسكوبين الليفيين البصريين في نطاق القياس. وبالطبع، يمكن استخدام جيروسكوبنا الليفي البصري في الملاحة بالقصور الذاتي، ويمكنكم اختيار الجهاز الأنسب لكم بناءً على دقة القياس ونطاقه. نرحب باستشارتكم لنا في أي وقت للحصول على المزيد من البيانات الفنية.