Atalet sensörleri, dışsal koordinatlara referans verilmeden yapılan rotasyonel ve lineer hareketlerin ölçüm uygulamalarında kullanılır. Bu hareketler jiroskoplar ve ivmeölçerler kullanılarak ölçülebilirler. Bu sensör ve sistemlerin başlıca kullanıcıları havacılık, gemicilik, insansız uçak ve taşıt sistemleri gibi sektörleridir. Son yıllarda atalet sistemlerinin endüstriyel uygulamalarında gelişen bir ilgi vardır. Bu doküman konuya bir giriş niteliğindedir.
Gyroscope-Jiroskoplar
Jiroskop dış koordinatları referans almaksızın rotasyonel değerleri ölçer. Jiroskopların çoğu rotasyonun hızını tek yönde ölçer ve tek yönlü jiroskop olarak bilinirler. Rotasyonun hızı genellikle saniyede veya saatte açı cinsinden hesaplanır. (°/sec veya °/h).
Bu sensörlerin çalışma prensipleri iki grup altında incelenebilir.
-Mekanik
-Elektronik
Birçok insan mekanik gruba ait olan klasik dönen disk jiroskobu hatırlar. Bugünün yüksek hassasiyetli jiroskoplarından biri hala mekanik, dönen jiroskoplardır. Bunula beraber mekanik ölçüm prensibi nedeniyle lineer ivmeye bağımlıdır.
Elektronik grup, mems, fiberoptik ve lazer tiplerini kapsar. Elektronik jiroskoplar, mekanik jiroskoplar gibi ivmeye bağımlı değildirler. Bu onların en büyük avantajlarından biridir ve bu sebepden dolayı yüksek dinamik performans uygulamalarında bu tip jiroskoplar kullanmaktadır.
Doğruluk
Bir jiroskobun doğruluğu ve performansı çıkış hatalarına bakılarak ölçülebilir.
-Sapma (Bias)
-Ölçekleme faktörü hatası
-Gürültü
Sapma (Bias) (°/saniye veya °/saat) ofset çıkış hatasıdır ve sensör statik olduğunda ölçülebilir.
Ölçekleme faktörü (scaling factor) hatası ölçülen oranın doğru orandan lineer sapmasıdır. (tam ölçeğin bir yüzdesi olarak verilir.)
Gürültü çok önemlidir, çünkü sinyal integrasyonundan sonra gürültü rastgele bir davranış gösterir. (Random-Walk olarak bilinir.)
Bütün bu hataların sıcaklığa bağlı oldukları unutulmamalıdır.
İvmeölçerler
İvmeölçerler ile lineer ivmenin atalet ölçümleri mümkündür. Sinyal mekanik olarak elde edilir ve g veya mili g (mg) olarak ölçeklenir.
Jiroskoplarda olduğu gibi en önemli çıkış hataları şunlardır:
-Sapma
-Ölçekleme faktörü hatası
-Gürültü
İvmeölçer sapmaları mg biriminde ölçülür.
Eğim sensörleri
Bazı atalet sistemlerinde pozisyon gerekmez, sadece yönelme gereklidir. Daha sonra anlatılacak sebeplerden dolayı eğim sensörleri ivmeölçerlerin yerine kullanılabilirler.
Eğim sensörleri ufka göre açıyı ölçen sensörlerdir. Birçok eğim sensörü eğimi ölçmek için akışkanları kullanır, bazıları ise sarkaçları kullanır.
Atalet Ölçüm Sistemleri
Genel olarak, atalet sistemleri 3 ortogonal eksen etrafındaki hareketleri ölçer. Bunun için 2 tane kabul edilmiş metod mevcuttur.
-Gimballed Platformu
-Strap Down Sistemi
Gimballed platformu açıların mekanik jiroskobu destekleyen çerçeve yapısından elde edilmesini olanaklı kılar.
Strap Down Sistemleri ortogonal olarak yerleştirilmiş üç adet tek eksenli jiroskoba sahiptir. Bu üç jiroskop gövdeye (uçak, gemi, araba) mekanik olarak yerleştirilir ve bu sebeple gövde hareketlerini ölçer. Bundan dolayı ölçülen bilgi gövde bağımlıdır. Yataya veya dikeye bağlı olan açılar matematiksel yöntemler kullanılarak elde edilirler.
Strap-Down-Sistemler
Eğer üç adet tek eksenli jiroskop, üç adet ivmeölçerle birlikte X,Y ve Z eksenlerine ortogonal olarak yerleştirilirse bu 6 sensör bir saat yönü, kartezyen, sensör koordinat sisteminde dönüşünü ihtiva eder.
Açıları dünyanın yüzeyine bağlı olarak okumak için, sensör bilgisi sensör koordinat sisteminden dünyanın referans koordinat sistemine matematiksel olarak transfer edilir.
İvmeölçer veya eğim sensörü ile birlikte çalışan bir jiroskoptan ölçülen tek eksen ölçümlerinin hassas anlık ölçümleri de göstereceği vurgulanmalıdır. Yine de iki veya üç bağımsız ortogonal alt sisteme bu yaklaşımı uygulamak hatalara neden olacaktır. Bunun sebebi 2 tane sensör işaretlerinin zaman üzerinden bağımsız integrasyonlarının yönelmenin belirsiz durumlarına neden olacak olmasıdır.
Belirsizlik örneği:
Kuzeye doğru yatay olarak uçmakta olan bir uçağın Pitch ve Roll eksenlerinde 90° olmak üzere iki adet manevra yapmak zorunda olduğunu hayal edin. Bu manevralar arka arkaya gerçekleştirilecektir. Zaman üzerinden 3 jiroskopla bağımsız integrasyon 90 derece döndürülen Pitch ve Roll ü doğru şekilde gösterecektir. Manevraların gerçekleşme sırasına bağlı olarak yönelmenin iki hedef durumu olasıdır.
Benzer olarak, eğer sinyalin matematiksel transformasyonları yanlış olarak gerçekleştirilirse hatalar olacaktır.
Sürüklenme
Tam olarak ufka ve kuzeye aynı hizada bir jiroskop sistemini hayal edin. Mükemmel bir dünyada, bu sistemin, atalet sensörlerinden, yönelme ve pozisyonu başlangıç koordinatlarının bilindiği farzedilerek hesaplanabilirdi. Diğer bir deyişle, sensörler, zamanın açılara ve pozisyona göre integrali alınarak, oranları ve ivmeyi ölçerler, ardından bunlar matematiksel olarak transfer edilirler. Başlangıç koordinatlarının ve transfer edilmiş sensör işaretlerinin bilinmesiyle yönelme ve pozisyon hesaplanabilir.
Fakat dünya mükemmel değildir, jiroskoplar ve ivmeölçerlerin sapma diye bilinen bir ofsetleri vardır. Örneğin jiroskop sapması integrasyondan sonra kendini zamanla lineer olarak artan (ramp) açısal sürüklenme olarak gösterir.
Sürüklenmenin telafi edilmesi için metodlar mevcuttur.
Sistem İç Büyütme (augmentation)
Sensör sürüklenmelerinin telafi edilmesi için büyütme ( augmentation ) adı verilen bir yöntem kullanılır. Örnegin bir jiroskobun integrasyondan sonra eğer doğru açısal ölçümler alınmışsa açısal sürüklenme hatası telafi edilebilir. İkisinin farkı jiroskop sürtünmesini gösterir.
Eğer pozisyonun tespit edilmesi istenmiyorsa eğim ölçerler kullanılabilir. (Eğim ölçerler daha ucuzdur ve aynı hatta daha iyi açısal çözünürlük derecesine sahiptirler)
Eğim ölçerler bize daha uzun bir zaman boyunca davranışın doğru ve kesin ölçümlerini verirken jiroskoplar sistem hareketinin dinamik kısmının ölçülmesinden sorumludurlar. Bu ölçümlerin birleştirilmesi kesin davranış bilgisini mümkün kılar. (diğer bir deyişle sürtünmeyi gözlemlenebilir kılar.)
Bu yöntemle uçağın gittiği yön tesbit edilemez, çünkü yerçekiminin ivme vektörü referans koordinat sisteminin Yaw eksenine paraleldir.
Dünyaya monte edilmiş veya alçak dinamik sistemlerde(jiroskop pusula) dünya yönlerine göre coğrafik kuzey bulunabilir. Bu uygulama için sapması genellikle 0,1-0,01 derece/saat den küçük olan yüksek kaliteli jiroskoplar tavsiye edilir.
Sistem dış büyütme
Eğer hız, uçak gidiş yönü, pozisyon gibi diğer bilgiler sağlanmak amacıyla diğer sensörler temel 6 sensöre eklenirse büyütme genişletilebilir. Bu normalde sistemin performansını arttırır.
Büyütme kaynaklı hatalar
Sürüklenmenin(drift) giderilmesi için kullanılan yukarıdaki metodların sistemin diğer hata kaynaklarının olacağı için hatasız olmadığı bilinmelidir.
Büyütme hatalarının iyi bir örneği yine ivme tarafından sağlanır. Eğer bir hava aracı daireler çizerek ilerliyorsa, bu sistem sadece yerçekimi ivmesini değil, merkezkaç kuvvetlerini de tesbit edecektir. Bu da her iki verkörün toplanıp yeni yanlış bir vektör verecek olması sebebiyle, yanlış bir davranış bilgisine sebep olacaktır. Eğim ölçerler bunun yanlış bir bilgi olduğunu tesbit edemezler. İvmeölçerler artan uzunlukta bir vektörü algılayacaklardır ama vektör hava aracının davranış eksenine düşey konumdadır. Bu da doğru jiroskop açı ölçümünün doğru olmayan ivmeölçer veya eğim ölçer bilgisiyle büyütüldüğü anlamına gelir.
Eğim ölçerleriyle alakalı diğer bir problem lineer ivmelerdir. En kötü durumda bunlar yerçekiminin ivme vektöründe düşey konumdadırlar. Bu da doğru olmayan açı bilgisine sebep olur.
Atalet Ölçüm Sistemi (IMU)
IMU, üreticiye bağlı olarak açı dönüşümü olmayan basit bir sensör ünitesi veya büyütmesiz açı dönüşümlü bir sensör ünitesi olabilir. Bu sistemin eğer ölçüm zamanı kısaysa ve Yüksek sistem dinamiği bekleniyorsa avantajlara sahiptir.
Davranış ve Uçuş Yönü Referans Sistemi (AHRS)
AHRS jiroskop bilgisinden yönelmeyi hesaplar ve bunları ivmeölçer (eğim ölçer) bilgisiyle büyütür.
Uçuş yönünün büyütmesi normalde manyetik pusula veya GPS tarafından yapılır. Çünkü yönelme büyütüldüğünde, bu sistemin ölçüm zamanında kısıtlaması yoktur, çalışan sistem dinamigi sisteme katılan bir yandır.
Kabul edilebilir bir çözüme karar vermeden önce, tipik dinamikler ölçülmelidir ve sonuçlara bağlı olarak doğru büyütme seçilmelidir.
Bununla birlikte, doğru kontrol algoritması kurulumu seçimi için tipik sensör ölçümleri zorunludur.
Atalet Seyir Sistemleri (INS)
INS jiroskop ve ivmeölçer bilgisinden yönelme ve pozisyonu hesaplar. INS genellikle GPS veya DGPS ile bütünleştirilir. (Diferensiyel GPS- GPS in daha doğru versiyonudur).
Sonuç
Bu dökümanda tüm sensörlerin ve jiroskopların hataları, bunları dengelemekte kullanılan metodların bazıları ile birlikte tanımlanmıştır. Bu kusurların doğasına bir yaklaşım belli bir uygulama için bir sistem seçme vakti geldiğinde uygulanabilir ve bu hataları kabul edilebilir limitlere indirebilir.
Kaynak göstermek şartıyla kullanılabilir