Sistemi di navigazione inerziale e le sue applicazioni pratiche

Il prossimo blocco funzionale misura il campo magnetico terrestre utilizzando dei magnetometri (nello schema MAG(X), MAG(Y), MAG(Z)). Gli assi di misura dei sensori sono orientati in un sistema di coordinate cartesiane destrorse. L’uscita analogica dei sensori è collegata a un convertitore analogico-digitale e a un blocco di filtri configurabili. I valori massimi possibili da misurare sono nell’intervallo da 1,3 a 81. con risoluzione di 1/1055.

L’ultimo blocco funzionale contiene il termometro che misura la temperatura nell’ambiente dell’IMU al fine di consentire la compensazione della temperatura delle letture degli accelerometri, giroscopi e magnetometri.

Tutti i blocchi funzionali sono collegati con l’unità di elaborazione centrale indicata nello schema uProcessor. Al fine di memorizzare i parametri richiesti per gli algoritmi è stata aggiunta una memoria aggiuntiva (segnata nello schema come eeprom). La CPU esegue il filtraggio prima che i dati siano reindirizzati all’uscita CAN o USB o RS-232. Per stabilire i parametri dell’algoritmo di filtraggio è necessaria la fase di calibrazione.

Il volume del sensore IMU presentato è inferiore a 2cm3 con custodia e pesa 3,13. Tale dimensione del sensore può permettere ai progettisti di robot di passare da dispositivi di dimensioni considerevoli ai progetti della micro scala. Il sensore di accelerazione massima è in grado di sopportare è 500, mentre la tensione di ingresso è da 3,5 a 8V, e il consumo di corrente è 35 mA. Ci sono tre diversi tipi di alloggiamento che permettono il fissaggio del sensore in vari luoghi. Il più piccolo versione Micro (fig. 4) dimensioni con montaggio è 18,6 x 14,7 x 7,3 . La versione con i fori di montaggio aggiuntivi versione Micro-Mounting (fig. 5a) è 18,6 x 20,7 x 7,3 . Le custodie della versione Micro e della versione Micro-Mounting sono dotate di un cavo di uscita con connettore USB o RS-TTL a seconda della versione. C’è anche una versione estesa con fori di montaggio e una spina LEMO incorporata nella custodia (fig. 5b). Le sue dimensioni sono 32.0 x 18.0 x 16.5.

Le misure fisiche di tutte le versioni sono presentate nella Tab.3.

Gli orientamenti degli assi calibrati sono incisi e colorati sul lato superiore come presentato in Fig. 5. La dimensione del singolo montaggio è di 6,15 mm per la versione Micro-Mounting, e 6,50 mm per la versione Extended LEMO.

Prima dell’applicazione dell’IMU negli oggetti fisici è stato fatto un confronto tra i più piccoli sensori disponibili sul mercato per verificare la possibilità di navigazione di veicoli mobili autonomi. Gli studi comparativi sono stati progettati per controllare i parametri impostati sul prototipo, analizzare le cause degli errori di misurazione e verificare come si comportano i sensori che hanno eseguito i test in situazioni estreme. Per i test sono stati utilizzati due popolari sensori miniaturizzati commerciali: MTiG-28G di XSens Technologies e Crista IMU di Microstrain (fig. 6b).

Al fine di eseguire studi comparativi è stata progettata, prodotta e utilizzata una piattaforma di calibrazione (fig. 6b). Tutte le IMU testate sono state montate sulla piattaforma e i loro dati grezzi sono stati calibrati al sistema di coordinate comune per tutti i sensori utilizzando il metodo di calibrazione presentato. Sono stati eseguiti diversi test: il confronto dei dati grezzi, il confronto dei dati filtrati, la stabilità temporale dei sensori e la capacità di compensazione della temperatura. Nella fig. 7a è presentato il confronto delle letture dagli accelerometri del sensore IMU presentato (CZK nel grafico) e del sensore MTiG (MTI nel grafico) e nella fig. 7b è presentato il confronto dei giroscopi. Entrambi i confronti sono stati registrati durante il movimento.

Si può notare che i dati di uscita del sensore calibrato presentato e del sensore di riferimento sono quasi gli stessi. Per misurare le differenze abbiamo stimato il segnale dai dati grezzi e lo abbiamo separato dalla componente di rumore. Solo l’asse di misurazione Y del giroscopio è stato scelto come esempio per la presentazione. La scelta è stata possibile perché i risultati ottenuti sono comparabili indipendentemente dall’asse e dal sensore (magnetometri, accelerometri o giroscopi). Nella parte destra della fig. 8 è presentato che la deviazione standard del rumore per MTi-G28 e il nostro sensore è circa 0,04 mentre il risultato di Crista IMU è circa 0,12. La differenza tra la deviazione standard di MTi-G28 e il nostro sensore è solo 0,0035 che di solito è indistinguibile dall’occhio umano.

L’ulteriore tabella di confronto del coefficiente di segnale/rumore è presentata nella tab. 4.

Un problema importante per le unità di misura inerziali è la stabilità temporale dei dati di uscita. Abbiamo eseguito una serie di test di stabilità con una durata di 4 ore. I risultati presentati nella fig. 9 sono stati acquisiti dopo la media di cinque campioni di ogni IMU nel test. Si possono fare due osservazioni principali. In primo luogo, i risultati di MTi-G28 e della nostra IMU sono comparabili. La differenza dei valori medi ottenuti è solo 0,00027 e la differenza tra i valori di deviazione standard è 0,00226 che è ancora più bassa rispetto al test con il movimento. La seconda osservazione è che i risultati del nostro sensore e di MTi-G28 sono più di 20 volte più vicini al valore reale 0.

La disponibilità globale del GPS, l’affidabilità relativamente alta delle letture e nessun bisogno di infrastrutture aggiuntive sono le ragioni principali per cui la maggior parte dei moderni sistemi di navigazione inerziale usano il GPS. L’INS tipicamente può essere caratterizzato da una velocità di aggiornamento veloce e da un errore piccolo ma non limitato. L’errore del GPS è limitato, ma il tempo di aggiornamento è lento e la stima dell’assetto non è affidabile. A causa dell’architettura chiusa della maggior parte dei moduli GPS, il tipo più popolare di metodi di fusione è chiamato aiuto disaccoppiato o vagamente accoppiato. L’INS con il GPS è usato nei sistemi di sicurezza dei veicoli per la stima di un sideslip del veicolo. L’uso standard riguarda la guida e la navigazione del veicolo. Il segnale GPS richiede una chiara visibilità dei satelliti che spesso non è possibile nei canyon, specialmente negli ambienti urbani. I sistemi GPS/INS sono spesso utilizzati per la navigazione di un quadrocopter o la guida di un missile.

Abbiamo sviluppato un sistema di navigazione inerziale come soluzione completa di navigazione incorporata in un singolo PCB. Esso contiene l’unità di misurazione inerziale 10-DOF presentata sopra accompagnata dal modulo Global Positioning System (GPS). Per compensare la bassa precisione della stima dell’altitudine del GPS è stato incorporato un barometro aggiuntivo. L’INS descritto permette di misurare gli angoli in tre dimensioni, le accelerazioni anche in tre dimensioni, la direzione del segnale magnetico più forte e la temperatura dell’ambiente circostante. Utilizza la tecnologia MEMS per ridurre sia le dimensioni che il peso del sensore. Il circuito stampato INS con connettore MCX pesa 3,67 grammi senza montaggio e 8,86 grammi con il montaggio standard.

I dati di misurazione del sensore a seconda della versione possono essere inviati attraverso il bus USB o CAN, che sono i tipici standard industriali di trasferimento dati. La flessibilità è richiesta dai sensori moderni per poterli integrare in un sistema esistente. Per lo stesso motivo il sensore ha una configurazione flessibile dei dati di uscita. L’uscita del sensore può essere acquisita in tre versioni: come dati grezzi del sensore, come dati dopo la calibrazione e la compensazione della temperatura, o come uscita del filtro di elaborazione. I dati dai sensori, possono anche essere consegnati in varie forme all’utente. La prima forma è la matrice di rotazione, che viene generata sulla base dei dati del dispositivo. I dati possono anche essere forniti all’utente finale sotto forma di angoli di Eulero e i loro valori dati in gradi o in radianti. Il terzo tipo di rappresentazione dei dati in uscita è usando i quaternioni. Le coordinate di posizione in uscita dal GPS sono inviate nel sistema di coordinate Earth Centered Earth Fixed (ECEF). L’unità della velocità stimata dal GPS è m/s. L’altimetro a pressione atmosferica incorporato utilizzato è caratterizzato dalla compensazione interna della temperatura. Permette di misurare la pressione atmosferica nell’intervallo da 20 a 110 kPa con una risoluzione di 1,5 Pa. Può essere utilizzato per stimare l’altitudine del sensore con una risoluzione pari a 30cm. La localizzazione geografica del sensore è calcolata utilizzando il modulo GPS. Il GPS è collegato al microprocessore tramite un bus di comunicazione seriale. Per migliorare la qualità della stima delle coordinate è possibile passare alle correzioni differenziali del GPS (DGPS). L’uscita dal GPS è in sistema di coordinate ECEF (Earth Centered Earth Fixed) e la frequenza è di 10 Hz.

Il volume del sensore INS presentato è inferiore a 4cm3 con custodia e pesa 8,86 . Tale dimensione del sensore può consentire ai progettisti di robot di passare da dispositivi di dimensioni considerevoli ai disegni della scala micro. Il sensore di accelerazione massima è in grado di resistere è 500 , mentre la tensione di ingresso è da 3,5 a 8V, e il consumo di corrente è 50 mA. Ci sono due diversi tipi di alloggiamento che permettono il fissaggio del sensore in vari luoghi. La più piccola versione Micro (fig. 10) con montaggio è di 32,7 x 14,9 x 8,0 . La versione con il connettore MCX (fig. 3b) è 32,7 x 14,9 x 12,1 . Il volume della versione estesa è inferiore a 6cm3. Il sensore può funzionare in una vasta gamma di temperature da -40°C a 80°C.

Le misure fisiche di tutte le versioni sono presentate nella Tab.5.

Gli orientamenti degli assi calibrati sono incisi e colorati sul lato superiore come presentato in Fig. 11.

L’INS introdotto è stato confrontato con il più piccolo IMU con un volume inferiore a 2 . Entrambi gli assi di misura e dimensione sono segnati nella fig 12ab. La dimensione X della micro IMU 5 è 18,6 che è circa il 57% della dimensione dell’INS. La dimensione Y è 14,7 che è circa il 99% della dimensione INS e la dimensione Z dell’IMU è più o meno uguale al 91% della versione Micro dell’INS e al 60% della versione Extended. Tuttavia la versione LEMO estesa dell’IMU è 18 che è il 225% della versione micro dell’INS. Il confronto basato sul volume permette solo di affermare che la versione micro dell’INS è meno di due volte più grande (195% della versione micro dell’IMU).