Erklärung der Trägheitsnavigationstechnologie: Prinzipien der Positionsbestimmung von 1D bis 3D

Einführung in die Trägheitstechnologie

(2) Prinzip der Trägheitsnavigation

Die Trägheitsnavigation ist eine grundlegende Navigations- und Positionierungstechnologie, die auf Newtons Gesetzen der klassischen Mechanik basiert. Sie bestimmt die Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung eines sich bewegenden Objekts durch Messung seiner Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit ohne sich auf externe Referenzsignale zu verlassen.

Die grundlegenden Beziehungen werden ausgedrückt als:

Wobei:

• a = Beschleunigungsvektor

• v = Geschwindigkeitsvektor

• r = Positionsvektor

• t = Zeit

Durch kontinuierliche Integration von Beschleunigungs- und Winkelratendaten kann ein Trägheitsnavigationssystem (INS) Echtzeit-Bewegungsinformationen wie Verschiebung, Geschwindigkeit und Ausrichtung berechnen.

1D (Eindimensionale) Navigation

In einem vereinfachten eindimensionalen Navigationsszenario wird nur ein Beschleunigungsmesser benötigt.
Er misst die lineare Beschleunigung entlang einer einzigen Achse (z. B. die Bewegungsrichtung eines Zuges).

Schlüsselprinzip:
Durch einmaliges Integrieren der Beschleunigung erhält man die Geschwindigkeit; durch erneutes Integrieren der Geschwindigkeit erhält man die Position.

2D (Zweidimensionale) Planare Navigation

Für ebene Bewegungen wie die eines Zuges oder Fahrzeugs:

• Zwei Beschleunigungsmesser werden verwendet, um seitliche und längsgerichtete Beschleunigungen zu messen.

• Ein Gyroskop wird hinzugefügt, um den Echtzeit-Kurs (Orientierung) zu messen.

• Die Beschleunigungsdaten werden auf die X- und Y-Achse projiziert und integriert, um Geschwindigkeit und Position im 2D-Raum zu berechnen.

Anwendungen:
Bodenfahrzeuge, Bahnsysteme, Robotik, Seefahrzeuge und andere Navigationssysteme, die eine Positionsverfolgung in einer flachen Ebene erfordern.

3D (Dreidimensionale) Navigation

Für die vollständige dreidimensionale Navigation:

• Drei Beschleunigungsmesser messen die Beschleunigung entlang der X- (seitlich), Y- (längs) und Z- (vertikal) Achse.

• Drei Gyroskope messen die Winkelbewegung um jede dieser Achsen.

Die Kombination dieser sechs Sensoren ermöglicht es dem System, vollständige 3D-Bewegungs- und Lageinformationen zu berechnen, einschließlich Roll-, Nick- und Gierwinkel.

Kernkomponenten:

• Beschleunigungsmesser (misst die lineare Beschleunigung)

• Gyroskop (misst die Winkelgeschwindigkeit)

• Montagerahmen mit Roll-, Nick- und Azimutmotoren

Diese Konfiguration bildet die Grundlage für moderne Inertiale Messeinheiten (IMUs) und Trägheitsnavigationssysteme (INS) verwendet in:

• Luft- und Raumfahrt

• Autonomen Fahrzeugen

• Schiffen und Unterwassernavigation

• Drohnen (UAVs)

• Verteidigung und Lenkung von Raketen

• Industrierobotik und Kartierungssysteme

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