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UAV Navigation en profundidad: Navegación inercial

INTRODUCCIÓN

 

1.   La función de navegación forma parte del sistema de Guíado, Navegación y Control (GNC) y consiste en calcular la ubicación y la velocidad de una plataforma (también conocida como vector de estado), así como su orientación (o actitud). La navegación se basa en las aportaciones de una variedad de sensores y subsistemas.
 
2.   La salida de la función de navegación es la entrada para el sistema de control, que a su vez ordena las desviaciones de las superficies de control y los valores para otros controles como el motor.

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NAVEGACIÓN INERCIAL

 

3.   La navegación inercial depende sólo de la entrada de sensores directamente contenidos en la plataforma y que no tienen referencia a una entrada artificial externa (por ejemplo, el GPS), por lo que no es susceptible de ser manipulada o hackeada.

4.   Objetivo.   El objetivo de la navegación inercial, también conocida como "Dead Reckoning” es por lo tanto determinar la posición, la velocidad y la actitud de la plataforma mediante el uso de sensores inerciales a bordo.

5.   Componentes básicos.   Los componentes esenciales de un Sistema de Navegación Inercial (INS) y su configuración son los siguientes:

  • Sensores inerciales: para recoger los datos.
  • Posición: colocación de los sensores en la plataforma para determinar el trípode de referencia.
  • Computadora: para hacer los cálculos dentro del sistema de coordenadas elegido.

6.   Conceptos principales

 

  • Unidad de Medida Inercial (UMI).   Este dispositivo es capaz de medir e informar sobre la actitud (cabeceo, alabeo y guiñada), la velocidad, los cambios de altitud y las fuerzas gravitatorias que actúan en una aeronave. Una IMU se compone típicamente de:
     
    • Acelerómetros: miden las fuerzas gravitatorias en un sistema de coordenadas fijo. Por ejemplo, un acelerómetro en reposo en la superficie de la Tierra medirá '-1g', o -9,8 m/s2. Cuando la plataforma esté en movimiento, se sumarán las fuerzas de inercia. Por esta razón, a menudo se dice que los acelerómetros proporcionan una señal 'ruidosa'.
       
    • Giróscopo: miden la velocidad angular. Un giróscopo mecánico incluye una rueda o disco giratorio. Gracias a la conservación del momento angular, cualquier cambio en la orientación del eje de la rueda giratoria será registrado por el sensor; por lo tanto, se puede calcular el cambio de orientación de la plataforma. En la construcción de los giróscopos se utilizan diferentes tecnologías y principios físicos. Entre ellas se encuentran los más precisos Giróscopos de Fibra Óptica (FOG) basados en el efecto Sagnac y también los menos precisos Micro Electro-Mecánicos (MEMS) que se basan en el cálculo de la fuerza de Coriolis por medio de diminutas estructuras vibratorias. Los giróscopos son esenciales para el cálculo de la orientación, pero pueden sufrir de deriva, incluso cuando están estáticos. Los giróscopos FOG son generalmente mucho más precisos que las unidades MEMS.
       
    • Magnetómetros: miden el magnetismo. Un tipo simple de magnetómetro es una brújula, que mide la dirección del campo magnético de la Tierra en 2D. En los últimos años, los magnetómetros han sido miniaturizados (por ejemplo, los sensores MEMS). El campo magnético de la Tierra es un vector tridimensional que, como la gravedad, puede utilizarse para determinar la orientación a largo plazo.

El IMU compensa inteligentemente las desventajas de algunos sensores fusionando la entrada de otros menos afectados, obteniendo así una salida con menos ruido y menos deriva. El principal problema de las IMU es que acumulan errores de forma natural durante el proceso de integración de la velocidad angular y lineal.

  • Sistema de Datos Aéreos/Unidad de Datos Aéreos (ADS/ADU).   Este sistema (o subsistema) mide las condiciones atmosféricas ambientales. Puede incluir algunos o todos los siguientes sensores:
     
    • Barómetro: mide la presión estática. Como se explica en la Introducción a los altímetros, la altitud puede derivarse de la presión atmosférica.
       
    • Sistema estática-pitot:  El tubo pitot mide la presión total del aire, igual a la suma del aire incidental y la presión estática del puerto. Este sistema se utiliza para medir la velocidad del aire.
       
    • Termómetro: A través de diferentes principios puede medir la temperatura. La temperatura es necesaria para estimar la densidad del aire circundante. La densidad se utiliza para calcular el TAS a partir del IAS.
       
  • Sistema de Referencia de Actitud y Rumbo (AHRS).    Consiste en sensores (giróscopos, acelerómetros y magnetómetros) que proporcionan información de actitud para la plataforma. La diferencia entre un IMU y un AHRS es el sistema de post-procesamiento. El IMU reporta los datos a un dispositivo adicional que calcula la actitud y el rumbo. Estos ordenadores suelen utilizar filtros Kalman para hacer estimaciones. El AHRS puede encontrarse típicamente dentro de un Sistema Electrónico de Instrumentos de Vuelo (EFIS) como el que se usa en muchas cabinas de aviones tripulados. Cuando un AHRS también proporciona información sobre el aire, la altitud o la temperatura externa se conoce como Sistema de Referencia de Datos Aéreos de Actitud y Rumbo (ADAHRS).


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  • Indicador de Actitud: muestra la orientación de la aeronave en relación con el horizonte de la Tierra. El indicador de actitud ayuda al piloto a volar en condiciones de baja visibilidad.

  • Sistema de Navegación Inercial (INS): estima la posición, velocidad y orientación de la aeronave sin tener que depender de referencias externas.

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7.   El procesamiento de datos y la fusión inteligente de la información procedente de diversos sensores es uno de los puntos fuertes AHRS de UAV Navigation y lo diferencia de otros productos inferiores que pueden no compensar las lecturas falsas, las lecturas fuera de rango o la falta de entrada en un entorno determinado (por ejemplo, volar en un entorno sin GPS). El sistema de UAV Navigation permite la ejecución de un control de vuelo preciso, robusto y fiable en condiciones altamente dinámicas, así como en entornos degradados.
 

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About

UAV Navigation is a privately-owned company that has specialized in the design of flight control solutions for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) since 2004. It is used by a variety of Tier 1 aerospace manufacturers in a wide range of UAV - also known as Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) or 'drones'. These include high-performance tactical unmanned planes, aerial targets, mini-UAVs and helicopters.