INS - Inertial Navigation System

Navegação inercial baseia-se no conceito de calcular a diferença de posição de um ponto de referência com base na medição da aceleração em intervalos freqüentes. Por simplicidade, considere um caso unidimensional como uma locomotiva movendo-se ao longo do trilho em linha reta. Suponha o trem se movendo inicialmente a uma velocidade Vo. Se considerarmos um curto intervalo de tempo, dt, o trem se moverá por uma distância dada por:

x = dt . Vo

 Arranjo típico do sensor inercial de plataforma estável

Se não houver aceleração, a distância total coberta poderia ser encontrada similarmente para qualquer intervalo de tempo. Se o trem acelera, a velocidade começará a variar. Um algoritmo pode ser implementado para computar a distância percorrida por integração da aceleração no tempo. Tudo o que se precisa é um meio de medir a aceleração a qualquer momento. A concepção mais simples de um acelerômetro nada mais é do que uma massa, m, presa a uma mola orientada na direção do movimento, com uma escala que mede a deformação desta mola. Pode-se estender isto para um sistema com 3 graus de liberdade. Seriam necessários 3 acelerômetros, um para cada direção. Infelizmente, quando o objeto muda de direção, os acelerômetros acoplados a ele, também terão suas direções alteradas em relação a uma referência externa. De fato o sistema de coordenadas usado deveria ser idealmente inercial, ou seja, sem aceleração. Para navegação, é interessante referenciar coordenadas na Terra, como latitude e longitude. Entretanto este sistema ainda não é inercial devido à sua rotação. De fato, qualquer ponto na superfície da Terra está sujeito a uma aceleração em torno de 0,03 m/s2 para permanecer na posição. Felizmente, isto pode ser facilmente executado pela gravidade. Um sistema de referência pode ser baseado na Terra, com um dos eixos alinhado paralelamente ao eixo da Terra por exemplo, mas ele não pode girar. Por esta razão, muitos sistemas inerciais são escolhidos baseando-se nas estrelas, nos chamados de eixos celestiais.

Arranjo típico do sensor inercial com RLG

SISTEMAS DE NAVEGAÇÃO

Tendo escolhido um sistema de coordenadas inerciais apropriado, precisamos saber a orientação do nosso objeto em relação a este sistema. Então as medições dos acelerômetros podem ser convertidas em dados do sistema de coordenadas. Uma das maneiras de se conseguir referenciar os acelerômetros é criar uma plataforma estabilizada num plano de referência, que os mantém sempre orientados com o sistema de coordenadas e permite que o objeto mova-se ao seu redor. Obviamente isto não é possível mecanicamente devido ao atrito. Sistemas mais recentes usam sistemas de giroscópios para manter a orientação de cada acelerômetro. Este sistema é chamado e plataforma estável. Ele fornece a orientação apropriada para acelerômetros a todo momento, sem considerar o movimento do objeto ao qual está acoplado. Ao invés de manter os acelerômetros orientados a um sistema de inercial de referência, é suficiente saber a orientação relativa ao sistema inercial. Nas aeronaves mais modernas isto pode ser executado por um anel de giro-laser (Ring Laser Gyro - RLG). Um RLG pode medir a rotação com relação a um único eixo. Três RLG’s podem então medir todas as rotações possíveis. O RLG mede de fato a taxa de rotação. O laser no centro fornece uma fonte de dois feixes, um no sentido horário e outro no sentido anti-horário. Cada feixe estabelecerá uma onda estacionária, em que um número inteiro de comprimentos de onda se encaixará no interior da circunferência. Quando o sistema estiver em rotação, as ondas estacionárias terão suas freqüências alteradas, como no efeito Doppler. Se o efeito Doppler puder ser medido com grande precisão (e pode), então a velocidade angular pode ser conhecida a todo momento, podendo também ser integrada para achar o ângulo de orientação relativa ao sistema inercial. Os batimentos do efeito Doppler de um dos feixes de laser são medidos também por um feixe laser. Isto, claro, deve ser feito para cada um dos três graus de liberdade de rotação. Um sistema de processamento de dados integra as informações para estabelecer a posição da aeronave em relação à um ponto de referência, baseado nas taxas de rotação de três RLG's e três acelerômetros. A interface com o piloto pode à partir daí ser trabalhada de diversas formas, com o mesmo nível de complexidade de sistema integrados de navegação por satélite.

Anel de Giro-Laser

 Por: Escola de Engenharia da UFMG