רכיבים אינרציאליים: חיישנים ומערכות ניווט אינרציאליות

רכיבים אינרציאליים הם חיישנים המודדים קצב סיבוב ותאוצה, ללא תלות באות חיצוני כמו GPS או מצלמה. שני סוגי החיישנים הבסיסיים הם גיירוסקופ ומד תאוצה. כאשר מספר חיישנים כאלה משולבים יחד על גבי יחידה אחת מתקבל IMU, וכאשר ה-IMU משולב עם מעבד ניווט מתקבלת מערכת ניווט אינרציאלית מלאה - INS.

גיירוסקופ הוא חיישן המודד קצב סיבוב (מהירות זוויתית) סביב ציר נתון, ביחידות של מעלות לשנייה. הנתון משמש לקביעת כיוון (heading), יציבות וזווית פנייה של גוף נע. קיימות מספר טכנולוגיות מימוש עיקריות, הנבדלות ברמת הדיוק, בגודל ובעלות: MEMS (micro-electromechanical systems), FOG - גיירוסקופ סיבים אופטי (Fiber Optic Gyroscope), ו-RLG - גיירוסקופ לייזר טבעתי (Ring Laser Gyroscope). ככלל, ככל שרמת הדיוק הנדרשת גבוהה יותר, כך גדלים גם המשקל, הגודל והעלות של החיישן.

מד תאוצה (Accelerometer) מודד תאוצה ליניארית לאורך ציר נתון, ביחידות g או m/s². אינטגרציה של נתון התאוצה לאורך זמן מאפשרת חישוב מהירות, ואינטגרציה נוספת מאפשרת חישוב מיקום יחסי. גם כאן קיימות מספר טכנולוגיות מימוש - MEMS, קוורץ ומאיצי קורת-רטט (VBA), הנבחרות בהתאם לרמת הדיוק, טווח המדידה וסביבת העבודה הנדרשים באפליקציה.

מד תאוצה מסוג MEMS בנוי ממסה זעירה (Mass) התלויה על גבי המצע באמצעות קפיצים מיקרוסקופיים, כך שהיא חופשית לנוע לאורך ציר המדידה. לצד המסה קבועות מספר לוחות קיבול (Fixed Plates), היוצרות יחד עם המסה שני קבלים - C1 ו-C2.

כאשר מופעלת תאוצה על החיישן, המסה נעה מעט ביחס למצע הקבוע, בכיוון מנוגד לכיוון התאוצה. תזוזה זו משנה את המרחק בין המסה לכל אחד מלוחות הקיבול, ובכך משנה את ערכי הקיבול של C1 ו-C2 באופן הפוך זה לזה. מעגל אלקטרוני מודד את ההפרש בין שני הקיבולים וממיר אותו לערך תאוצה. ברוב היישומים משולבים שלושה מבנים כאלה במאונך זה לזה, כך שהחיישן מודד תאוצה בו-זמנית על שלושה צירים.

גיירוסקופ MEMS מבוסס על אפקט קוריוליס (Coriolis Effect): מסה פנימית מוחזקת בתנודה מחזורית קבועה לאורך ציר ההנעה (Driving Direction), באמצעות מבני מסרק המפעילים עליה כוח חשמלי מתחלף.

כאשר החיישן מסתובב סביב הציר האנכי בקצב זוויתי כלשהו (Angular Rate), נוצר על המסה הנעה כוח קוריוליס הניצב הן לכיוון ההנעה והן לציר הסיבוב. כוח זה מזיז את המסה גם לאורך ציר נוסף - ציר החישה (Sensing Direction). תזוזה זו, שגודלה פרופורציוני לקצב הסיבוב, נמדדת כשינוי קיבול בין מבני מסרק ייעודיים לחישה, וממנה מחושב קצב הסיבוב בפועל.

IMU (Inertial Measurement Unit) הוא רכיב המשלב מספר גיירוסקופים ומדי תאוצה, בדרך כלל שלושה מכל סוג, הממוקמים על שלושה צירים ניצבים זה לזה. חלק מהדגמים כוללים גם מגנטומטר, המספק כיוון ביחס לשדה המגנטי של כדור הארץ. ה-IMU מספק בזמן אמת נתוני תאוצה וקצב סיבוב לאורך שלושת הצירים, ומהם ניתן לגזור נתוני תנוחה (Attitude) - גלגול, הטיה וכיוון. ה-IMU אינו כולל בפני עצמו יכולת ניווט או קביעת מיקום, הוא מספק את נתוני התנועה הגולמיים המשמשים כקלט למערכת הניווט.

INS (Inertial Navigation System) היא מערכת המשלבת IMU עם מעבד ניווט, המבצע אינטגרציה רציפה של נתוני התאוצה וקצב הסיבוב לצורך חישוב מיקום, מהירות וכיוון ביחס לנקודת התחלה ידועה, ללא תלות באותות חיצוניים. מאחר ששגיאות מדידה קטנות מצטברות עם הזמן (Drift), רוב מערכות ה-INS המודרניות משולבות עם מקלט GNSS/GPS, המספק תיקון מיקום תקופתי ומאפס את הסחיפה המצטברת. שילוב זה, המכונה לרוב GNSS/INS, מספק רציפות ניווט גם בקטעים שבהם אין קליטת לוויין.

רכיבים אינרציאליים משמשים במגוון רחב של תחומים, בהתאם לרמת הדיוק והעמידות הסביבתית הנדרשות:

▪           תעופה וחלל - ניווט מטוסים, כלי טיס בלתי מאוישים ולוויינים.

▪           ביטחון וצבא - מל"טים, כלי רכב בלתי מאוישים ומערכות נשק מונחות.

▪           ימי ותת-ימי - ניווט כלי שיט, צוללות וכלי רכב תת-מימיים מרוחקים ואוטונומיים (ROV/AUV).

▪           כלי רכב אוטונומיים ורובוטיקה - רחפנים, רובוטים ניידים ומערכות סיוע לנהג ונהיגה אוטונומית (ADAS).

▪           מדידות וסקרים - מיפוי, גיאודזיה וניווט בקידוחים ובמנהור.

▪           תעשייה ומדע - ייצוב פלטפורמות ומצלמות, ניטור רעידות וסייסמולוגיה.