ITRM980208A1

ITRM980208A1 - Sistema di sensori inerziali e magnetici atto a determinare l'angolo di orientamento rispetto al nord geografico

Info

Publication number: ITRM980208A1
Application number: IT98RM000208A
Authority: IT
Inventors: Carlo Ceccherini; Stefano Scarpa
Original assignee: Finmeccanica Spa
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 1999-10-01
Also published as: NO995736D0; TR199903003T1; EP0986736A1; ITRM980208A0; KR100376313B1; IT1299404B1; AU3521799A; EP0986736B1; DE69942050D1; KR20010013208A; NO314368B1; NO995736L; WO1999050619A1

Description

DESCRIZIONE

relativa a una domanda di brevetto d'invenzione dal titolo "Sistema di sensori inerziali e magnetici atto a determinare l’angolo di orientamento rispetto al nord geografico”

Oggetto dell'invenzione è un sistema di orientamento distribuito, costituito di: almeno due unità sensoriali in grado di fornire il nord magnetico terrestre locale; almeno una unità sensoriale in grado di fornire contemporaneamente sia il nord magnetico terrestre locale sia il nord geografico terrestre; e un metodo per la compensazione degli errori dovuti alle variazioni impredicibili del campo magnetico terrestre locale su tutte le unità sensoriali.

Il campo tecnico dell’invenzione è quello degli strumenti di misura, e in particolare le misure di angoli di orientamento.

Il campo applicativo dell’invenzione è principalmente quello della misura dell’angolo di orientamento di sistemi distribuiti marini di superficie o subacquei come boe, veicoli subacquei e cortine trainate di sensori.

Essa tuttavia può essere applicata anche a gruppi di mezzi terrestri la cui posizione, riferita ad un sistema di riferimento fisso, deve essere determinata nel tempo.

Attualmente, nel caso non sia possibile sfruttare il GPS (Global Positioning System), vengono utilizzati sistemi sia inerziali sia magnetici, con preferenza per i secondi allorché si pongano problemi di ingombro; sistemi misti (comunque limitati ad unità sensoriali singole) vengono talvolta utilizzati allo scopo di correggere le derive dei giroscopi (inclusi nei sistemi inerziali) tramite bussole magnetiche cardanizzate o sistemi strap-down magnetici.

Tuttavia, i sistemi (GPS, inerziali e magnetici) sopra descritti non si prestavano finora ad applicazioni in cui l’ingombro del sistema complessivo fosse un fattore determinante per la realizzazione delle funzioni richieste, e in particolare per le funzioni sopra indicate (misura degli angoli di orientamento di ciascuna unità sensoriale rispetto al nord geografico).

Inoltre I costi dei sistemi tradizionali completamente inerziali erano talmente alti da non rendere conveniente la loro applicazione.

L'invenzione descritta nella presente domanda di brevetto è in grado di superare tali limitazioni, in quanto essa è basata sull’idea di realizzare ed inserire nel sistema complessivo una unità sensoriale capace di fornire il proprio angolo di orientamento rispetto a due vettori (velocità angolare e campo magnetico terrestre) tra loro indipendenti.

Il sistema, oggetto della presente invenzione, comprende:

a) una pluralità di unità sensoriali magnetico/inerziali atte a determinare

l’angolo di orientamento di

dette unità rispetto al nord magnetico;

b)<' >una unità sensoriale mista atta a determinare sia l’angolo di

orientamento di detta unità rispetto al nord magnetico sia l’angolo

di orientamento di detta unità rispetto al nord geografico, dove detti g

angoli sono ottenuti rispettivamente da una sub-unità sensoriale

magnetico/inerzial ed una sub-unità sensoriale completamente

inerziale solidali ed allineate fra loro;

c) una metodologia per la compensazione degli errori, dovuti alle variazioni imprendicibili del campo magnetico terrestre locale, sulle stime dell’angolo di orientamento di tutte le unità sensoriali magnetico/inerziali.

Le unità sensoriali (a) e (b) possono essere sia fisse sia cardanizzate e possono comprendere sia magnetometri sia bussole magnetiche.

L’unità sensoriale mista (b) fornisce contemporaneamente le stime di

, e quindi consente il calcolo dell’angolo differenza

L’angolo differenza Θ è assunto costante nell’area operativa dell'intero

sistema di orientamento distribuito. Pertanto Θ consente di correggere le

stime dell'angolo di orientamento di tutte le unità sensoriali magnetico/inerziali come segue:

unità sensoriale magnetico/inerziale.

Elenco delle figure

Fig. 1 - Cortina di idrofoni trainata da imbarcazione

Fig. 2 - Sistema di orientamento distribuito sulla cortina di idrofoni Fig. 3 - Unità sensoriale di orientamento mista

Fig. 4 - Unità sensoriale di orientamento magnetico/inerziale

Fig. 5 - Sistema di riferimento fisso

Fig. 6 - Sistema di riferimento sbandato

Fig. 7 - Schema a blocchi della tecnica di compensazione dell'errore di orientamento per unità sensoriali magnetiche/inerziali A titolo di esempio ed a scopo descrittivo e non limitativo, è mostrata in Fig. 1 una cortina trainata di idrofoni 1.

La Fig. 2 rappresenta il sistema di orientamento distribuito alloggiato nella suddetta cortina trainata 1: esso include una unità sensoriale mista 2 in testa ed n unità sensoriali magnetico/inerziali 3.

La Fig. 3 mostra nei particolari l'unità sensoriale mista 2.

In essa sono visibili tre assi giroscopici 4, tre assi accelerometrici 5 e tre assi magnetometrici 6; tali terne di assi sono fisse rispetto all'alloggiamento dell’unità sensoriale medesima ed allineate fra loro.

La Fig. 4 mostra una delle unità magnetico/inerziali 3.

Ciascuna di dette unità 3 comprende tre assi magnetometrici 7 e tre assi accelerometrici 8. Le teme di assi 7 e 8 sono fisse rispetto all’alloggiamento ed allineate fra loro.

La Fig. 5 mostra il sistema di riferimento fisso 9 rispetto alla Terra.

La Fig. 6 mostra il sistema di riferimento sbandato 10.

La Fig. 7 mostra lo schema a blocchi delle operazioni necessarie alla correzione degli angoli di orientamento delle unità sensoriali magnetico/inerziali descritto nel seguito.

Il vettore campo magnetico terrestre H nel riferimento fisso 9, allorché allineato con i meridiani terrestri, può essere scritto come:

e nel riferimento sbandato 10

dove Rotnb (θ, λ, φ) è la matrice di rotazione secondo gli angoli di nord, beccheggio e rollio (θ, λ, <p rispettivamente, dove Θ = angolo di rotazione attorno all’asse ’r’ di Fig. 6, λ = angolo di rotazione attorno all'asse 'q' di Fig. 6 e φ = angolo di rotazione attorno all’asse ‘p’ di Fig. 6) dal sistema di riferimento fisso Θ al sistema di riferimento sbandato 10.

lo stesso vettore nel sistema di riferimento sbandato 10.

Utilizzando i sensori inclusi nell’unità sensoriale mista 2, si calcola il vettore orientamento inerziale, ovvero la tema di angoli (θ,<">, cp,<*>) ottenuta attraverso un algoritmo di strap-down applicato alle uscite dei sensori inerziali, ed inoltre si misura il vettore campo magnetico terrestre Hb nel sistema di riferimento sbandato 10.

E’ inoltre possibile calcolare il vettore di orientamento magnetico (0m<'>, Xm<">, <Pm ) a partire dai vettori misurati tramite i sensori magnetometrici ed accelerometrici dell’unità sensoriale mista 2

ottenute tramite la formula [3], basate sulle uscite magnetometriche ed accelerometrìche delia k-esima unità sensoriale 3, non richiedono alcuna compensazione. Nel caso contrario, si procede alla stima del vettore campo magnetico terrestre locale H1 nel sistema di riferimento fisso 9 utilizzando il vettore orientamento inerziale, calcolato per l’unità sensoriale mista 2 come segue:

dove Rotbn è la matrice di rotazione fra sistema di riferimento sbandato 10 e sistema di riferimento fisso 9 (matrice inversa della Rot^)-Poiché il modulo di H e le componenti h3 non sono determinanti nel calcolo di 6m, si può sempre ipotizzare che H1 sia stato generato solamente da una rotazione 0d lungo l'asse Z del sistema di riferimento fisso 9 (essendo 9d l'angolo di declinazione magnetica locale istantanea), ovvero

L'assunzione della correlazione spaziale delle variazioni di campo magnetico terrestre fra tutte le unità sensoriali 2 e 3 conduce alla conclusione che l'angolo Θd può essere utilizzato per correggere a

posteriori le stime Θ di tutte le unità sensoriali magnetiche/inerziali 3 distribuite.

Tali stime infatti sono effettuate sulla base delle misure dei due vettori

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un sistema (1) di sensori inerziali e magnetici atto a determinare l'angolo di orientamento rispetto al nord geografico, detto sistema comprendendo essenzialmente: almeno una unità sensoriale (2) in grado di fornire contemporaneamente sia il nord magnetico terrestre locale sia il nord geografico terreastre; una pluralità di k unità sensoriali magnetico-inerziali (3) in grado di fornire solamente il nord magnetico terrestre locale; caratterizzato dal fatto che gli angoli di orientamento * * Θ (rispetto al nord geografico) e Θ (rispetto al nord magnetico g m terrestre locale) ottenuti dalla misure fomite da detta unità sensoriale k (2) sono usati per calcolare l’angolo di orientamento Θ (rispetto al g nord geografico) a partire dalle misure fomite da dette k unità sensoriali (3).
2. Un sistema (1) di sensori inerziali e magnetici, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta unità sensoriale (2) comprende almeno tre giroscopi (4), almeno tre accelerometri (5) allineati come gli assi giroscopici (4), e almeno tre magnetometri (6) allineati come gli assi giroscopici (4) e come gli assi accelorometrici (5).
3. Un sistema (1) di sensori inerziali e magnetici, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta unità sensoriale (2) comprende tre giroscopi (4) disposti lungo tre assi mutuamente ortogonali, tre accelerometri (5) disposti lungo tre assi mutuamente ortogonali e allineati come gli assi giroscopici (4) e tre magnetometri (6) disposti lungo tre assi mutuamente ortogonali e allineati come gli assi giroscopici (4) e come gli assi accelerometrici (5).
4. Un sistema (1) di sensori inerziali e magnetici, secondo la rivendicazione 2 o la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il metodo di calcolo usato per ottenere i k angoli di orientamento

rispetto al nord geografico comprende i seguenti passi: calcolo degli * * * angoli Θ (nord), λ (beccheggio), φ (rollio) tramite un algoritmo di g "strap-down” a partire dalle misure fomite dai giroscopi (4) e dagli accelerometri (5); rotazione del vettore campo magnetico terrestre * locale H , misurato dai magnetometri (6), dal sistema di riferimento b sbandato (10) al sistema di riferimento fisso (9) tramite gli angoli

*

λ , ψ ; calcolo dell'angolo Θ di declinazione magnetica locale d istantanea tramite le componenti del vettore campo magnetico terrestre locale nel sistema di riferimento fisso (9); calcolo dei k angoli k Θ di orientamento rispetto al nord magnetico terrestre per ciascuna m delle k unità sensoriali (3) tramite un algoritmo di “strap-down” a partire dalle misure fornite dagli accelerometri (8) e dai magnetometri (7) delle k unità sensoriali (3) (tale passo di calcolo può anche essere sostituito k da una misura diretta dei k angoli Θ tramite un dispositivo magnetico m k cardanizzato); calcolo dei k angoli di orientamento Θ rispetto al nord S geografico per le k unità sensoriali (3) ottenuti per differenza tra detti k angoli Θ e detto angolo Θ . m d