Piattaforme girostabilizzate GimballedEdit
Alcuni sistemi collocano gli accelerometri lineari su una piattaforma girostabilizzata Gimballed. I gimbal sono un insieme di tre anelli, ciascuno con una coppia di cuscinetti inizialmente ad angolo retto. Permettono alla piattaforma di ruotare intorno a qualsiasi asse di rotazione (o, piuttosto, permettono alla piattaforma di mantenere lo stesso orientamento mentre il veicolo vi ruota intorno). Ci sono due giroscopi (di solito) sulla piattaforma.
Due giroscopi sono usati per annullare la precessione giroscopica, la tendenza di un giroscopio a girare ad angolo retto rispetto a una coppia di ingresso. Montando una coppia di giroscopi (della stessa inerzia rotazionale e che girano alla stessa velocità in direzioni opposte) ad angoli retti, le precessioni vengono annullate e la piattaforma resiste alla torsione.
Questo sistema permette di misurare gli angoli di rollio, beccheggio e imbardata di un veicolo direttamente sui cuscinetti dei cardani. Si possono usare circuiti elettronici relativamente semplici per sommare le accelerazioni lineari, perché le direzioni degli accelerometri lineari non cambiano.
Il grande svantaggio di questo schema è che usa molte parti meccaniche di precisione costose. Ha anche parti mobili che possono usurarsi o incepparsi ed è vulnerabile al gimbal lock. Il sistema di guida primario del veicolo spaziale Apollo utilizzava una piattaforma girostabilizzata a tre assi, che forniva dati al computer di guida Apollo. Le manovre dovevano essere attentamente pianificate per evitare il gimbal lock.
Piattaforme girostabilizzate sospese a fluidoModifica
Il gimbal lock limita le manovre e sarebbe vantaggioso eliminare gli slip ring e i cuscinetti dei cardani. Pertanto, alcuni sistemi utilizzano cuscinetti fluidi o una camera di galleggiamento per montare una piattaforma girostabilizzata. Questi sistemi possono avere precisioni molto elevate (per esempio, Advanced Inertial Reference Sphere). Come tutte le piattaforme girostabilizzate, questo sistema funziona bene con computer relativamente lenti e a bassa potenza.
I cuscinetti a fluido sono cuscinetti con fori attraverso i quali gas inerte pressurizzato (come l’elio) o olio preme contro il guscio sferico della piattaforma. I cuscinetti a fluido sono molto scivolosi e la piattaforma sferica può girare liberamente. Ci sono di solito quattro cuscinetti, montati in una disposizione tetraedrica per sostenere la piattaforma.
Nei sistemi premium, i sensori angolari sono di solito bobine di trasformatori specializzati fatti in una striscia su un circuito stampato flessibile. Diverse strisce di bobine sono montate su grandi cerchi intorno al guscio sferico della piattaforma girostabilizzata. L’elettronica all’esterno della piattaforma utilizza trasformatori simili a strisce per leggere i campi magnetici variabili prodotti dai trasformatori avvolti intorno alla piattaforma sferica. Ogni volta che un campo magnetico cambia forma, o si muove, taglierà i fili delle bobine sulle strisce esterne del trasformatore. Il taglio genera una corrente elettrica nelle bobine esterne a forma di striscia e l’elettronica può misurare quella corrente per ricavare gli angoli.
I sistemi più economici a volte usano codici a barre per rilevare gli orientamenti e usano celle solari o un singolo trasformatore per alimentare la piattaforma. Alcuni piccoli missili hanno alimentato la piattaforma con la luce di una finestra o fibre ottiche al motore. Un tema di ricerca è quello di sospendere la piattaforma con la pressione dei gas di scarico. I dati vengono restituiti al mondo esterno tramite i trasformatori, o a volte i LED che comunicano con fotodiodi esterni.
Sistemi StrapdownEdit
I computer digitali leggeri permettono di eliminare i cardani, creando sistemi strapdown, così chiamati perché i loro sensori sono semplicemente legati al veicolo. Questo riduce il costo, elimina il blocco cardanico, rimuove la necessità di alcune calibrazioni e aumenta l’affidabilità eliminando alcune delle parti mobili. I sensori di velocità angolare chiamati giroscopi misurano la velocità angolare del veicolo.
Un sistema strapdown ha bisogno di una gamma di misura dinamica diverse centinaia di volte quella richiesta da un sistema cardanico. Cioè, deve integrare i cambiamenti di assetto del veicolo in beccheggio, rollio e imbardata, così come i movimenti grossolani. I sistemi cardanici di solito se la cavano bene con frequenze di aggiornamento di 50-60 Hz. Tuttavia, i sistemi strapdown normalmente aggiornano circa 2000 Hz. Il tasso più alto è necessario per permettere al sistema di navigazione di integrare accuratamente il tasso angolare in un atteggiamento.
Gli algoritmi di aggiornamento dei dati (coseni di direzione o quaternioni) coinvolti sono troppo complessi per essere eseguiti accuratamente se non dall’elettronica digitale. Tuttavia, i computer digitali sono ora così poco costosi e veloci che i sistemi giroscopici possono essere praticamente utilizzati e prodotti in serie. Il modulo lunare Apollo usava un sistema strapdown nel suo sistema di guida d’interruzione (AGS) di riserva.
I sistemi strapdown sono oggi comunemente usati in applicazioni commerciali e militari (aerei, navi, ROV, missili, ecc.). I sistemi di strapdown allo stato dell’arte sono basati su giroscopi laser ad anello, giroscopi a fibra ottica o giroscopi a risonanza emisferica. Utilizzano l’elettronica digitale e tecniche avanzate di filtraggio digitale come il filtro Kalman.
Allineamento basato sul movimentoModifica
L’orientamento di un sistema giroscopico può talvolta essere dedotto semplicemente dalla sua storia di posizione (ad esempio, GPS). Questo è, in particolare, il caso di aerei e automobili, dove il vettore di velocità di solito implica l’orientamento del corpo del veicolo.
Per esempio, Align in Motion di Honeywell è un processo di inizializzazione dove l’inizializzazione avviene mentre l’aereo è in movimento, in aria o a terra. Questo viene realizzato utilizzando il GPS e un test di ragionevolezza inerziale, permettendo così di soddisfare i requisiti di integrità dei dati commerciali. Questo processo è stato certificato dalla FAA per recuperare prestazioni INS pure equivalenti alle procedure di allineamento stazionario per tempi di volo civili fino a 18 ore, evitando la necessità di batterie per giroscopi sugli aerei.
Giroscopi a vibrazioneModifica
I sistemi di navigazione meno costosi, destinati all’uso nelle automobili, possono utilizzare un giroscopio a struttura vibrante per rilevare i cambiamenti di direzione e il pick-up del contachilometri per misurare la distanza percorsa lungo la pista del veicolo. Questo tipo di sistema è molto meno accurato di un INS di fascia alta, ma è adeguato per la tipica applicazione automobilistica in cui il GPS è il sistema di navigazione primario e il dead reckoning è necessario solo per riempire le lacune nella copertura GPS quando gli edifici o il terreno bloccano i segnali satellitari.
Giroscopi a risonanza emisferica (vetro di vino o giroscopi a fungo)Modifica
Se un’onda stazionaria viene indotta in una struttura risonante emisferica e poi la struttura risonante viene ruotata, l’onda stazionaria armonica sferica ruota attraverso un angolo diverso dalla struttura risonante di quarzo a causa della forza di Coriolis. Il movimento della cassa esterna rispetto alla struttura dell’onda stazionaria è proporzionale all’angolo di rotazione totale e può essere rilevato da un’elettronica appropriata. I risonatori del sistema sono lavorati in quarzo fuso grazie alle sue eccellenti proprietà meccaniche. Gli elettrodi che guidano e percepiscono le onde stazionarie sono depositati direttamente su strutture di quarzo separate che circondano il risonatore. Questi giroscopi possono funzionare sia in una modalità ad angolo intero (che dà loro una capacità di velocità quasi illimitata) o una modalità di riequilibrio della forza che mantiene l’onda stazionaria in un orientamento fisso rispetto all’alloggiamento del giroscopio (che dà loro una precisione molto migliore).
Questo sistema non ha quasi parti mobili ed è molto preciso. Tuttavia è ancora relativamente costoso a causa del costo degli emisferi cavi di quarzo rettificati e lucidati con precisione. Northrop Grumman attualmente produce IMU (unità di misura inerziale) per veicoli spaziali che utilizzano HRG. Queste IMU hanno dimostrato un’affidabilità estremamente elevata dal loro utilizzo iniziale nel 1996. Safran produce un gran numero di sistemi inerziali basati su HRG dedicati a una vasta gamma di applicazioni.
Sensori di velocità al quarzoModifica
Questi prodotti includono “giroscopi a diapason”. Qui, il giroscopio è progettato come un diapason azionato elettronicamente, spesso fabbricato da un singolo pezzo di quarzo o di silicio. Tali giroscopi funzionano secondo la teoria dinamica secondo cui quando un tasso angolare viene applicato a un corpo in movimento, si genera una forza di Coriolis.
Questo sistema è solitamente integrato su un chip di silicio. Ha due diapason di quarzo con massa bilanciata, disposti “manico a manico” in modo che le forze si annullino. Gli elettrodi di alluminio evaporati sulle forcelle e il chip sottostante guidano e percepiscono il movimento. Il sistema è producibile e poco costoso. Poiché il quarzo è dimensionalmente stabile, il sistema può essere accurato.
Quando le forchette sono ruotate intorno all’asse del manico, la vibrazione dei denti tende a continuare nello stesso piano di movimento. Questo movimento deve essere contrastato dalle forze elettrostatiche degli elettrodi sotto i denti. Misurando la differenza di capacità tra i due rebbi di una forchetta, il sistema può determinare il tasso di movimento angolare.
L’attuale stato dell’arte della tecnologia non militare (a partire dal 2005) può costruire piccoli sensori a stato solido che possono misurare i movimenti del corpo umano. Questi dispositivi non hanno parti mobili e pesano circa 50 grammi (2 once).
I dispositivi a stato solido che usano gli stessi principi fisici sono usati per la stabilizzazione dell’immagine in piccole macchine fotografiche o videocamere. Questi possono essere estremamente piccoli, circa 5 millimetri (0,20 pollici) e sono costruiti con tecnologie MEMS (sistemi microelettromeccanici).
Sensore MHDModifica
I sensori basati su principi magnetoidrodinamici possono essere utilizzati per misurare le velocità angolari.
Giroscopio MEMSModifica
I giroscopi MEMS si basano tipicamente sull’effetto Coriolis per misurare la velocità angolare. Consiste in una massa di prova risonante montata nel silicio. Il giroscopio è, a differenza di un accelerometro, un sensore attivo. La massa di prova viene spinta avanti e indietro dai pettini di guida. Una rotazione del giroscopio genera una forza di Coriolis che agisce sulla massa che si traduce in un movimento in una direzione diversa. Il movimento in questa direzione è misurato da elettrodi e rappresenta il tasso di rotazione.
Giroscopi laser ad anello (RLG)Edit
Un giroscopio laser ad anello divide un fascio di luce laser in due fasci in direzioni opposte attraverso strette gallerie in un percorso ottico circolare chiuso intorno al perimetro di un blocco triangolare di vetro Cervit stabile alla temperatura con specchi riflettenti posti in ogni angolo. Quando il giroscopio ruota a una certa velocità angolare, la distanza percorsa da ciascun raggio diventa diversa: il percorso più breve è opposto alla rotazione. Lo spostamento di fase tra i due fasci può essere misurato da un interferometro ed è proporzionale alla velocità di rotazione (effetto Sagnac).
In pratica, a basse velocità di rotazione la frequenza di uscita può cadere a zero come risultato della retrodiffusione che causa la sincronizzazione dei fasci e il loro blocco. Questo è noto come lock-in, o laser-lock. Il risultato è che non c’è nessun cambiamento nel modello di interferenza e quindi nessun cambiamento di misurazione.
Per sbloccare i fasci di luce controrotanti, i giroscopi laser o hanno percorsi di luce indipendenti per le due direzioni (di solito nei giroscopi a fibra ottica), o il giroscopio laser è montato su un motore piezoelettrico che fa vibrare rapidamente l’anello laser avanti e indietro sul suo asse di ingresso attraverso la regione di lock-in per disaccoppiare le onde luminose.
Lo shaker è il più preciso, perché entrambi i raggi di luce usano esattamente lo stesso percorso. Così i giroscopi laser mantengono le parti mobili, ma non si muovono così lontano.
Giroscopi a fibra ottica (FOG)Modifica
Una variante più recente del giroscopio ottico, il giroscopio a fibra ottica, utilizza un laser esterno e due fasci che vanno in direzioni opposte (contro-propaganti) in lunghe bobine (diversi chilometri) di filamento di fibra ottica, con la differenza di fase dei due fasci confrontati dopo il loro viaggio attraverso le bobine di fibra.
Il meccanismo di base, la luce laser monocromatica che viaggia in percorsi opposti e l’effetto Sagnac, è lo stesso in un FOG e in un RLG, ma i dettagli tecnici sono sostanzialmente diversi nel FOG rispetto ai precedenti giroscopi laser. Il FOG richiede calibrazioni più complesse di un giroscopio laser ad anello, il che rende lo sviluppo e la fabbricazione del FOG più impegnativi dal punto di vista tecnico di un RLG. Tuttavia i FOG non soffrono di blocco laser a basse velocità e non hanno bisogno di contenere parti mobili, aumentando la massima accuratezza potenziale e la durata di un FOG rispetto a un equivalente RLG.
Accelerometri pendolariModifica
L’accelerometro di base, ad anello aperto, consiste in una massa attaccata ad una molla. La massa è costretta a muoversi solo in linea con la molla. L’accelerazione causa la deflessione della massa e viene misurata la distanza di spostamento. L’accelerazione è derivata dai valori della distanza di deflessione, della massa e della costante della molla. Il sistema deve anche essere smorzato per evitare l’oscillazione. Un accelerometro ad anello chiuso raggiunge prestazioni più elevate utilizzando un ciclo di feedback per annullare la deflessione, mantenendo così la massa quasi ferma. Ogni volta che la massa si deflette, il ciclo di feedback fa sì che una bobina elettrica applichi una forza ugualmente negativa sulla massa, annullando il movimento. L’accelerazione deriva dalla quantità di forza negativa applicata. Poiché la massa si muove appena, gli effetti delle non linearità della molla e del sistema di smorzamento sono notevolmente ridotti. Inoltre, questo accelerometro fornisce una maggiore larghezza di banda oltre la frequenza naturale dell’elemento di rilevamento.
Entrambi i tipi di accelerometri sono stati prodotti come micro-macchinari integrati su chip di silicio.
Sensori TIMU (Timing & Inertial Measurement Unit)Edit
Il dipartimento Microsystems Technology Office (MTO) della DARPA sta lavorando ad un programma Micro-PNT (Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) per progettare chip Timing & Inertial Measurement Unit (TIMU) che fanno tracking di posizione assoluta su un singolo chip senza navigazione GPS-aided.
Micro-PNT aggiunge un master timing clock altamente accurato integrato in un chip IMU (Inertial Measurement Unit), rendendolo un chip Timing & Inertial Measurement Unit. Un chip TIMU integra un giroscopio a 3 assi, un accelerometro a 3 assi e un magnetometro a 3 assi insieme a un master timing clock altamente accurato, in modo da poter misurare simultaneamente il movimento tracciato e combinarlo con il timing dall’orologio sincronizzato.