ما هي الملاحة بالقصور الذاتي؟
أساسيات الملاحة بالقصور الذاتي
المبادئ الأساسية للملاحة بالقصور الذاتي مشابهة لمبادئ أساليب الملاحة الأخرى. فهي تعتمد على جمع معلومات أساسية، بما في ذلك الموقع الابتدائي، والاتجاه الابتدائي، واتجاه الحركة في كل لحظة، ودمج هذه البيانات تدريجيًا (على غرار عمليات التكامل الرياضي) لتحديد معلمات الملاحة بدقة، مثل الاتجاه والموقع.
دور أجهزة الاستشعار في الملاحة بالقصور الذاتي
للحصول على معلومات الاتجاه (الوضع) والموقع الحاليين لجسم متحرك، تستخدم أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي مجموعة من المستشعرات الأساسية، تتكون أساسًا من مقاييس تسارع وجيروسكوبات. تقيس هذه المستشعرات السرعة الزاوية وتسارع الجسم الحامل في إطار مرجعي بالقصور الذاتي. ثم تُدمج البيانات وتُعالج بمرور الوقت لاستخلاص معلومات السرعة والموقع النسبي. بعد ذلك، تُحوّل هذه المعلومات إلى نظام إحداثيات الملاحة، بالتزامن مع بيانات الموقع الأولية، مما يُؤدي إلى تحديد الموقع الحالي للجسم الحامل.
مبادئ تشغيل أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي
تعمل أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي كأنظمة ملاحة داخلية مغلقة الحلقة، مستقلة بذاتها. ولا تعتمد على تحديثات البيانات الخارجية آنيًا لتصحيح الأخطاء أثناء حركة الناقل. ولذلك، يُعد نظام ملاحة بالقصور الذاتي واحد مناسبًا لمهام الملاحة قصيرة المدى. أما بالنسبة للعمليات طويلة المدى، فيجب دمجه مع أساليب ملاحة أخرى، مثل أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية، لتصحيح الأخطاء الداخلية المتراكمة دوريًا.
إمكانية إخفاء الملاحة بالقصور الذاتي
في تقنيات الملاحة الحديثة، بما في ذلك الملاحة الفلكية، والملاحة عبر الأقمار الصناعية، والملاحة الراديوية، تتميز الملاحة بالقصور الذاتي باستقلاليتها. فهي لا تُرسل إشارات إلى البيئة الخارجية، ولا تعتمد على الأجرام السماوية أو الإشارات الخارجية. وبالتالي، توفر أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي أعلى مستويات الإخفاء، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب أقصى درجات السرية.
التعريف الرسمي للملاحة بالقصور الذاتي
نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS) هو نظام لتقدير معاملات الملاحة، يستخدم الجيروسكوبات ومقاييس التسارع كمستشعرات. يعتمد النظام على مُخرَجات الجيروسكوبات، ويُنشئ نظام إحداثيات ملاحي، مُستخدِمًا مُخرَجات مقاييس التسارع لحساب سرعة وموقع الحامل في نظام إحداثيات الملاحة.
تطبيقات الملاحة بالقصور الذاتي
وجدت تقنية القصور الذاتي تطبيقات واسعة النطاق في مجالات متنوعة، بما في ذلك الفضاء، والطيران، والبحرية، واستكشاف النفط، والمساحة، والمسوحات المحيطية، والحفر الجيولوجي، والروبوتات، وأنظمة السكك الحديدية. ومع ظهور أجهزة استشعار القصور الذاتي المتقدمة، اتسع نطاق استخدام تقنية القصور الذاتي ليشمل صناعة السيارات والأجهزة الإلكترونية الطبية، من بين مجالات أخرى. ويؤكد هذا النطاق المتنامي للتطبيقات الدور المحوري المتزايد للملاحة بالقصور الذاتي في توفير قدرات ملاحة وتحديد مواقع عالية الدقة للعديد من التطبيقات.
المكون الأساسي للتوجيه بالقصور الذاتي:جيروسكوب الألياف البصرية
مقدمة عن جيروسكوبات الألياف البصرية
تعتمد أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي بشكل كبير على دقة مكوناتها الأساسية. ومن هذه المكونات التي عززت قدرات هذه الأنظمة بشكل كبير جيروسكوب الألياف الضوئية (FOG). يُعد جيروسكوب الألياف الضوئية (FOG) مستشعرًا بالغ الأهمية، إذ يلعب دورًا محوريًا في قياس السرعة الزاوية للناقل بدقة عالية.
تشغيل جيروسكوب الألياف البصرية
تعمل أجهزة FOGs على مبدأ تأثير سانياك، الذي يتضمن تقسيم شعاع الليزر إلى مسارين منفصلين، مما يسمح له بالانتقال في اتجاهين متعاكسين على طول حلقة ألياف بصرية ملفوفة. عندما يدور الحامل، المدمج في جهاز FOG، يتناسب فرق زمن الانتقال بين الشعاعين طرديًا مع السرعة الزاوية لدورانه. يُقاس هذا التأخير الزمني، المعروف باسم انزياح طور سانياك، بدقة، مما يُمكّن جهاز FOG من توفير بيانات دقيقة حول دوران الحامل.
يعتمد مبدأ جيروسكوب الألياف الضوئية على إصدار شعاع ضوئي من كاشف ضوئي. يمر هذا الشعاع الضوئي عبر مُقرن، يدخل من أحد طرفيه ويخرج من الطرف الآخر. ثم يمر عبر حلقة ضوئية. يدخل شعاعان ضوئيان، قادمان من اتجاهين مختلفين، الحلقة ويُكملان تراكبًا متماسكًا بعد الدوران حولها. يعود الضوء العائد إلى الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، والذي يُستخدم لقياس شدته. مع أن مبدأ جيروسكوب الألياف الضوئية قد يبدو واضحًا، إلا أن التحدي الأكبر يكمن في إزالة العوامل التي تؤثر على طول المسار الضوئي لشعاعي الضوء. تُعد هذه إحدى أهم المشكلات التي تواجه تطوير جيروسكوبات الألياف الضوئية.
1: الصمام الثنائي فائق الإضاءة 2: ديود كاشف ضوئي
3. موصل مصدر الضوء 4.وصلة حلقة الألياف 5. حلقة الألياف البصرية
مزايا جيروسكوبات الألياف الضوئية
تتميز أجهزة FOG بمزايا عديدة تجعلها قيّمة في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي. فهي تشتهر بدقتها وموثوقيتها ومتانتها الاستثنائية. وعلى عكس الجيروسكوبات الميكانيكية، لا تحتوي أجهزة FOG على أجزاء متحركة، مما يقلل من خطر التآكل والتلف. كما أنها مقاومة للصدمات والاهتزازات، مما يجعلها مثالية للبيئات الصعبة، مثل تطبيقات الطيران والدفاع.
دمج جيروسكوبات الألياف البصرية في الملاحة بالقصور الذاتي
تتزايد الاستعانة بأجهزة الجيروسكوب الضبابية (FOGs) في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي نظرًا لدقتها وموثوقيتها العالية. توفر هذه الجيروسكوبات قياسات السرعة الزاوية الأساسية اللازمة لتحديد الاتجاه والموقع بدقة. ومن خلال دمج أجهزة الجيروسكوب الضبابية (FOGs) في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي الحالية، يمكن للمشغلين الاستفادة من دقة ملاحية مُحسّنة، خاصةً في الحالات التي تتطلب دقة فائقة.
تطبيقات جيروسكوبات الألياف الضوئية في الملاحة بالقصور الذاتي
أدى استخدام أنظمة FOG إلى توسيع نطاق تطبيقات أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي في مختلف المجالات. ففي مجالي الفضاء والطيران، توفر الأنظمة المجهزة بأنظمة FOG حلولاً ملاحية دقيقة للطائرات والطائرات بدون طيار والمركبات الفضائية. كما تُستخدم على نطاق واسع في الملاحة البحرية والمسوحات الجيولوجية والروبوتات المتقدمة، مما يُمكّن هذه الأنظمة من العمل بأداء وموثوقية مُحسّنين.
المتغيرات الهيكلية المختلفة لجيروسكوبات الألياف الضوئية
تأتي جيروسكوبات الألياف الضوئية في تكوينات هيكلية مختلفة، والتكوين السائد الذي يدخل عالم الهندسة حاليًا هوجيروسكوب الألياف البصرية ذو الحلقة المغلقة للحفاظ على الاستقطاب. في قلب هذا الجيروسكوب يوجدحلقة الألياف التي تحافظ على الاستقطابتتكون من ألياف تحافظ على الاستقطاب وإطار مصمم بدقة. يتضمن بناء هذه الحلقة طريقة لف رباعية متماثلة، مُضافًا إليها هلام مانع تسرب فريد لتشكيل ملف حلقي من الألياف الصلبة.
الميزات الرئيسية لـالألياف البصرية G للحفاظ على الاستقطابملف يرو
▶تصميم إطار فريد من نوعه:تتميز حلقات الجيروسكوب بتصميم إطاري مميز يستوعب أنواعًا مختلفة من الألياف التي تحافظ على الاستقطاب بسهولة.
▶تقنية اللف المتماثل الرباعي:تعمل تقنية اللف المتماثل الرباعي على تقليل تأثير Shupe، مما يضمن قياسات دقيقة وموثوقة.
▶مادة جل الختم المتقدمة:يؤدي استخدام مواد هلام الختم المتقدمة، إلى جانب تقنية المعالجة الفريدة، إلى تعزيز مقاومة الاهتزازات، مما يجعل حلقات الجيروسكوب هذه مثالية للتطبيقات في البيئات الصعبة.
▶ استقرار التماسك في درجات الحرارة العالية:تتميز حلقات الجيروسكوب بثبات التماسك في درجات الحرارة العالية، مما يضمن الدقة حتى في الظروف الحرارية المختلفة.
▶إطار عمل مبسط وخفيف الوزن:تم تصميم حلقات الجيروسكوب بإطار بسيط وخفيف الوزن، مما يضمن دقة معالجة عالية.
▶عملية لف متسقة:تظل عملية اللف مستقرة، وتتكيف مع متطلبات جيروسكوبات الألياف البصرية الدقيقة المختلفة.
مرجع
جروفز، ب.د. (2008). مقدمة في الملاحة بالقصور الذاتي.مجلة الملاحة، 61(1)، 13-28.
الشيمي، ن.، هو، ح.، ونيو، خ. (2019). تقنيات الاستشعار بالقصور الذاتي لتطبيقات الملاحة: أحدث التقنيات.الملاحة عبر الأقمار الصناعية، 1(1)، 1-15.
وودمان، أو. جيه (2007). مقدمة في الملاحة بالقصور الذاتي.جامعة كامبريدج، مختبر الحاسوب، UCAM-CL-TR-696.
شاتيلا، ر.، ولوموند، ج. ب. (1985). تحديد المواقع المرجعية ونمذجة العالم المتسقة للروبوتات المتحركة.في وقائع المؤتمر الدولي للروبوتات والأتمتة لعام 1985 لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات(المجلد 2، ص 138-145). معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات.
هل تحتاج إلى استشارة مجانية؟
بعض مشاريعي
أعمال رائعة ساهمت فيها بكل فخر!
