فهم تطبيقات وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) في مجال الطيران

في صناعة الطيران، الملاحة والتحكم الدقيقان أمران لا يمكن التفاوض عليهما. سواء كان الأمر يتعلق بتوجيه قمر صناعي إلى المدار، أو تثبيت طائرة بدون طيار في هواء مضطرب، أو ضمان أن تكون مناورات الطائرة المقاتلة حادة للغاية، فإن هناك تقنية واحدة تلعب دورًا هادئًا ولكنه بالغ الأهمية: وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU).

وحدات IMUs هي الأبطال المجهولون لأنظمة الفضاء - أجهزة مدمجة ومستقلة تقيس الحركة والاتجاه والتسارع دون الاعتماد على إشارات خارجية. وهذا يجعلها ضرورية في البيئات التي يكون فيها نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) غير متاح أو مشوش أو غير موثوق به.

1️⃣ ما هي وحدة IMU؟

إن وحدة القياس بالقصور الذاتي هي جهاز إلكتروني يجمع عادةً بين:

• مقياس التسارع – قياس التسارع الخطي على محور واحد أو أكثر.
• الجيروسكوبات – قياس السرعة الزاوية (معدل الدوران) حول محور واحد أو أكثر.
• (اختياري) مقياس المغناطيسية – قياس الاتجاه بالنسبة للمجال المغناطيسي للأرض.

من خلال دمج هذه القياسات، يمكن لوحدة IMU تحديد اتجاه (توجيه) الكائن، والسرعة، وتغيرات الموضع بمرور الوقت.

2️⃣ لماذا تهم وحدات IMUs في مجال الطيران

في تطبيقات الفضاء، توفر وحدات IMUs:

• استقلالية الملاحة – تعمل بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو المنارات الخارجية.
• معدلات تحديث عالية – توفير بيانات حركة سريعة للتحكم في الوقت الفعلي.
• المتانة – تعمل في الظروف القاسية: قوى G عالية، أو فراغ، أو تداخل كهرومغناطيسي.
• التكرار – بمثابة نسخة احتياطية لأنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية.

3️⃣ تطبيقات الفضاء الرئيسية

✈️ ملاحة الطائرات والتحكم في الطيران

• تستخدم الطائرات التجارية والعسكرية وحدات IMUs في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي (INS)
• الخاصة بها لتوفير بيانات الموضع والاتجاه المستمرة.تعتمد

أنظمة الطيران بالسلك

• على ملاحظات وحدة IMU لتعزيز الاستقرار ووظائف الطيار الآلي.
• التحكم في اتجاه المركبات الفضائيةتستخدم الأقمار الصناعية والمسبارات الفضائية وحدات IMUs للحفاظ على الاتجاه لمحاذاة الألواح الشمسية وتوجيه الهوائي واستهداف الأجهزة العلمية.أثناء

الإطلاق وإعادة الدخول

• ، توجه وحدات IMUs تصحيحات المسار عندما يكون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) غير متاح.
• مركبات الإطلاق والصواريخ

توفر وحدات IMUs بيانات تسارع ودوران عالية الدقة لأنظمة التوجيه.

• إنها تضمن استهدافًا دقيقًا والتحكم في مسار الرحلة حتى في البيئات المحرومة من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
• الطائرات بدون طيار والطائرات بدون طيار

تعمل وحدات IMUs على استقرار الرحلة في الوقت الفعلي، مما يتيح التصوير الجوي السلس ورسم الخرائط والاستطلاع.

في عمليات السرب، تساعد وحدات IMUs في الحفاظ على التشكيل دون تحديثات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) المستمرة.4️⃣ التكامل مع الأنظمة الأخرىنادراً ما تعمل وحدات IMUs بمفردها - فهي جزء من

• نظام بيئي لدمج المستشعرات:
• تكامل INS/GPS – يقوم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بتصحيح انحراف وحدة IMU؛ تعمل وحدة IMU على سد انقطاعات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
• أجهزة بيانات الهواء – تجمع بيانات وحدة IMU مع سرعة الهواء والارتفاع ودرجة الحرارة للتحكم في الطيران.

متتبعات النجوم

• – في المركبات الفضائية، توفر وحدات IMUs بيانات الحركة قصيرة المدى بين الإصلاحات السماوية.5️⃣ التحديات والاعتبارات الهندسية
• الانحراف – تتراكم أخطاء القياس الصغيرة بمرور الوقت، مما يتسبب في عدم دقة الموضع.
• المعايرة – تتطلب محاذاة دقيقة وتعويضًا لتأثيرات درجة الحرارة.
• الحجم والوزن والطاقة (SWaP) – تتطلب منصات الفضاء تصميمات مدمجة وخفيفة الوزن ومنخفضة الطاقة.

مقاومة الاهتزاز والصدمات

– يجب أن تتحمل قوى الإطلاق والاضطرابات والإجهاد الميكانيكي.6️⃣ مستقبل وحدات IMUs في مجال الطيرانالتطورات في

• تقنية MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة)
• تجعل وحدات IMUs:
• أصغر وأخف لـ CubeSats والطائرات بدون طيار الصغيرة.

أكثر بأسعار معقولة دون التضحية بالأداء.أكثر ذكاءً، مع الذكاء الاصطناعي المدمج للملاحة التنبؤية واكتشاف الأخطاء.بينما تندفع مهام الفضاء إلى

الفضاء الأعمق والسرعات الأعلى والعمليات الأكثر استقلالية

، ستظل وحدات IMUs حجر الزاوية في الملاحة والتحكم - مما يضمن بهدوء أن كل مناورة دقيقة، وأن كل مسار صحيح.الأفكار النهائيةمن قمرة قيادة الطائرة النفاثة إلى فراغ الفضاء السحيق، تعد وحدات IMUs هي الملاحون الصامتون الذين يبقون مركبات الفضاء على المسار الصحيح. إن قدرتهم على العمل بشكل مستقل عن الإشارات الخارجية تجعلهم لا يقدرون بثمن في السيناريوهات الهامة للمهمة. في صناعة حيث