ITMC20120024A1 - Sistema e metodo per la ricerca del nord geografico e dell'assetto - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: Sistema e metodo per la ricerca del nord geografico e dell'assetto

Testo della descrizione

Sempre maggiore interesse rivestono i sistemi compatti a basso costo per la ricerca del nord geografico e dell’assetto che non prevedano la disponibilità di magnetometri o sensori GPS. Strumenti per l’orientamento e l’assetto per sistemi subacquei ROV (Remotely Operated Vehicle), sistemi avionici, sistemi per la trivellazione, sistemi di designazione d’arma portatili (binoculari ad esempio) sono esempi in cui compattezza ed indipendenza da campi magnetici o GPS sono richiesti per ovvie esigenze operative: sotto la superficie marina non arriva il segnale GPS, all’interno di tubi metallici per trivellazione non c’à ̈ segnale GPS e il campo magnetico à ̈ pesantemente inficiato dagli elementi ferromagnetici antistanti. Inoltre per sistemi strategici non si vuole far affidamento sul segnale GPS o satellitare in genere in quanto potrebbe essere oscurato o disturbato per cause intenzionali o naturali. Tipicamente i sensori inerziali hanno un costo ed una precisione direttamente proporzionale alle loro dimensioni e quindi tipicamente sistemi compatti corrispondono a sistemi con basse precisioni.

Esistono diversi tipi di girobussole che utilizzano sensori inerziali allo stato solido oppure con tecnologie a massa rotante.

La girobussola a massa rotante à ̈ essenzialmente un giroscopio, ovvero una ruota che per effetto della rotazione tende a mantenere il suo asse sempre con lo stesso orientamento rispetto ad un sistema di riferimento inerziale. La ruota à ̈ mantenuta ininterrottamente in rotazione da un motore elettrico. Poiché la Terra ruota, un osservatore sulla superficie terrestre osserva che l'asse del giroscopio compie una rotazione ogni 24 ore, puntando sempre nella stessa direzione rispetto alle stelle fisse.

Le girobussole che impiegano sei gradi di libertà (tre accelerometri e tre giroscopi) sono tipicamente di tipo strap-down e possono utilizzare sia sensori giroscopici allo stato solido (quali FOG - Fiber Optic Gyroscope o MEMS - Micro Electrical Mechanical Systems, quindi senza alcune parte in movimento) che sensori a massa rotante come ad esempio DTG (Dynamically Tuned Gyroscope).

L’invenzione in oggetto riguarda in particolare le girobussole con sensori allo stato solido, ma che hanno parti in movimento. In particolare ci si riferisce a tecniche di ricerca del nord note, come ad esempio riportate da Watson nel brevetto US5272922A oppure nell’articolo “Automatic north sensor using a fiber-optic gyroscope†, Tomohiro Tanaka in Applied Optics, vol 33 n.1, 1 Gennaio 1994 in cui un giroscopio allo stato solido viene fatto ruotare a basse velocità intorno al suo asse non sensibile su un piano orizzontale per misurare la velocità angolare della terra ottenendo un segnale sinusoidale il cui massimo, minimo e zeri rappresentano le posizioni cardinali.

Le limitazioni principali delle soluzioni finora proposte sono le seguenti:

1) Le girobussole elettromeccaniche a massa rotante hanno lo svantaggio di essere molto ingombranti, rumorose, e necessitano manutenzione programmata annuale per cambio del liquido di sospensione e manutenzione programmata anche per la sostituzione dell’elemento sensibile ogni cinque anni.

2) I sistemi strap-down a sei gradi di libertà hanno lo svantaggio di essere sistemi molto costosi in quanto per avere sistemi di precisione à ̈ necessario usare sensori molto costosi. Sono relativamente compatti, ma decisamente non adatti alle applicazioni menzionate nella prima parte della descrizione

3) Sistemi con sensori a stato solido che ruotano a basse velocità hanno il vantaggio di essere molto compatti, potenzialmente senza manutenzione programmata, ma funzionano solo in condizioni statiche con ovvie limitazioni nelle possibili applicazioni.

Si propone quindi un sistema strap-down costituito da una parte statica ed una parte rotante in grado di calcolare autonomamente (senza cioà ̈ l’ausilio di GPS o campi magnetici) assetto e direzione rispetto al nord geografico usando una configurazione a cinque gradi di libertà (tre accelerometri e due giroscopi) con sensori disposti e collocati tra parte fissa e parte rotante del sistema come segue: due accelerometri (104 e 105) mutualmente ortogonali con asse sensibile sul piano orizzontale e un giroscopio (110) con asse sensibile nella direzione verticale nella parte fissa del sistema più un terzo accelerometro (111) con asse sensibile sul piano orizzontale e un secondo giroscopio (108) con direzione dell’asse sensibile sul piano orizzontale nella parte rotante del sistema.

Con il sistema strap-down in condizioni di statiche, il giroscopio rotante (108) misura la proiezione sinusoidale della velocità della terra sul suo asse rilevando durante la rotazione i massimi e i minimi e zeri che corrispondono a nord sud est ed ovest. Tale giroscopio ha un sistema automatico di eliminazione del bias per via appunto della rotazione. Il giroscopio statico (110) insieme ai due accelerometri (104 e 105) misurano l’assetto del sistema strapdown e tramite un algoritmo aiutano a mantenere la direzione trovata dal giroscopio rotante quando le condizioni non sono statiche. L’accelerometro nella parte rotante misura i bias degli accelerometri fissi grazie alla rotazione dell’asse sensibile sul piano orizzontale.

Le equazioni implementate nel dispositivo di calcolo sono state ottimizzate per la determinazione dell'assetto, della velocità angolare e dei bias dei giroscopi e degli accelerometri fissi e rotanti. A questo scopo sono stati definiti il sistema di riferimento fisso SBsolidale al sistema strapdown e il sistema di riferimento rotante SRsolidale alla componente rotante dello stesso. In questi sistemi di riferimento il giroscopio statico (110) à ̈ parallelo all'asse ZB, i due accelerometri fissi (104 e 105) sono montati paralleli agli assi XBe YB, il giroscopio rotante (108) à ̈ parallelo all'asse rotante XRmentre l'accelerometro rotante à ̈ parallelo all'asse YRe distante dall'asse di rotazione la quantità p.

Ipotizzando che il sistema strapdown sia in uno stato di moto rettilineo uniforme, che la velocità nel sistema di riferimento locale sia trascurabile (e gli effetti di questa possano venire compensati secondo tabelle standard), che i fattori di scala dei sensori portino ad un effetto globale trascurabile sulla misura, le equazioni che definiscono la misura attuale rilevata dai sensori risultano essere dipendenti dall'assetto, dalla velocità angolare e dalla posizione di rotazione della componente rotante fornita ogni istante dall'encoder e dai bias di ogni singolo sensore, secondo le relazioni classiche di cinematica del corpo rigido in un sistema di riferimento NED (Nord East Down):

(201) aBm[xy]= f(BBa[xy],ï ±N,ï ¬)

(202) ï ·BI·Bm[z]= f(BBo[z],ï ·BNB,ï ±N,ï ¬)

(203) aRm[y]= f(BRa[y], v;<·>RN, vRN,ï ±R,ï ±N,ï ¬)

(204) ï ·RI·Rm[x]= f(BRo[x],ï ·RNR,ï ±R,ï ±N,ï ¬)

dove abbiamo indicato con:

ï‚· gli indici B, R, Nï‚® i sistemi di riferimento, rispettivamente, fissi rispetto al sistema strapdown, quello rotante, e il sistema di riferimento locale NED

 vAB velocità del sistema di riferimento A rispetto al sistema di riferimento B, espressa nel sistema di riferimento B

ï‚· ï ±Rï‚® angolo di rotazione della componente rotante rispetto alla componente fissa fornito dall’encoder (106);

ï‚· ï ±Nï‚® assetto del sistema strap-down rispetto al sistema di riferimento locale NED, rappresentabile tramite angoli di eulero o più efficacemente con quaternioni o matrice di assetto;

ï‚· ï ¬ï‚® latitudine attuale;

ï‚· ï ·ABCï‚® velocità angolare reale del sistema di riferimento A rispetto al sistema di riferimento B espressa nel sistema di riferimento C

ï‚· ï ·ABCmï‚® velocità angolare misurata del sistema di riferimento A rispetto al sistema di riferimento B espressa nel sistema di riferimento C

ï‚· aSmï‚® accelerazione misurata nel sistema di riferimento S

ï‚· indici[xyz]ï‚® selezione delle componenti negli assi x, y e z

 BBa[xy], BRa[y], BBo[z], BRo[x] Rispettivamente, i bias degli accelerometri sugli assi Bxe By, il bias dell'accelerometro Ry, il bias del giroscopio Bze il bias del giroscopio Rx gNs vettore gravità locale, calcolato utilizzando formule e tabelle che esprimono la gravità in funzione della latitudine

Tra le configurazioni possibili del sistema di misura à ̈ possibile considerarne una versione degradata che preveda la rimozione degli accelerometri orizzontali e quindi la rimozione dal set di equazioni della relazione 201 e quindi di tutti i riferimenti ai bias degli accelerometri fatti nelle formule prossime.

Una versione più performante del sistema à ̈ invece realizzabile tramite l'aggiunta di un ulteriore giroscopio orizzontale orientato lungo l'asse YRdel sdr rotante R. In tal caso deve essere aggiunta una equazione analoga alla 204, scritta per l'asse YRe il bias di questo giroscopio inserito nell'elenco delle variabili di stato del filtro di stima descritto in seguito. Le sopracitate equazioni sono utilizzate per l'implementazione di un filtro di stima che ha il compito di calcolare il valore attuale dello stato:

X = {BBa[xy], BRa[y], BBo[z], BRo[x],ï ±N,ï ·BNB}

tramite la definizione del vettore di errore sullo stato:

ï ¥X= [ï ¥Bbax,ï ¥Bbay,ï ¥Bray,ï ¥Bboz,ï ¥Brox,ï ¥ï ±N,ï ¥ï ·BNB]

dove abbiamo indicato con:

ï‚· ï ¥Bbax,ï ¥Bbay,ï ¥Bray,ï ¥Bboz,ï ¥Broxï‚® errori di stima sui bias dei cinque sensori inerziali ï‚· ï ¥ï ±Nï‚® vettore dell'errore di stima sull'assetto in assi NED

ï‚· ï ¥ï ·BNBï‚® vettore dell'errore di stima sulla velocità angolare del sistema strapdown Il vettore di stato viene aggiornato ad ogni istante ipotizzando i bias costanti e tramite l'equazione cinematica di aggiornamento dell'assetto:

(205) ï ±;<·>N= f(ï ±N,ï ·BN·B)

operazione che à ̈ più efficacemente realizzabile tramite rappresentazione dell'assetto attuale in quaternioni o matrice di assetto.

L'equazione (205) porta alla definizione dell'equazione di aggiornamento dello stato del filtro:

(206) ï ¥;<·>ï ±N= f(ï ±N,ï ¥ï ·BNB)

Definita la matrice P0di covarianza iniziale del vettore di stato X, con Q la matrice di covarianza del modello implementato e con R la matrice di covarianza delle misure provenienti dai cinque sensori, si effettua ad ogni passo di calcolo l'aggiornamento della stima con il metodo ottimo standard:

(207)ï † = exp(Fk)

(208) P'k+1= Pkï † PT

k+ Q

(209) T = H P'k+1HT R

(210) K = (P' T-1

k+1HT)

(211) Pk+1= P'k+1- K H P'k+1

(212)ï ¥;< ̄>X= K zk

dove abbiamo indicato con:

ï‚· P'ke Pkï‚® la matrice di covarianza dello stato, rispettivamente, predetta e corretta, al tempo k

ï‚· Fkï‚® matrice dello stato, ricavata ad ogni istante di calcolo dall'equazione (206) di aggiornamento dello stato del filtro

ï‚· H ï‚® matrice degli ingressi, calcolata utilizzando la linearizzazione delle equazioni (201) - (204) rispetto allo statoï ¥X

ï‚· zkï‚® il vettore degli ingressi al tempo k, calcolato utilizzando le equazioni (201) -(204) e lo stato stimato attuale X

ï‚· ï ¥;< ̄>Xï‚® la stima dell'errore attuale, utilizzata per correggere lo stato del filtro

 exp() operatore esponenziale di matrice

Il dispositivo di calcolo effettua innanzitutto l'inizializzazione ad un valore nullo dello stato del sistema di misura X e ad un valore adeguato della matrice P0di covarianza degli errori sullo stato del filtro implementato.

In seguito, il dispositivo di calcolo effettua un aggiornamento dello stato ad ogni passo di calcolo, scelto in funzione della frequenza di generazione delle misure dei sensori inerziali, effettuando le operazioni nell'ordine che segue:

ï‚· propagazione dello stato, utilizzando l'equazione (205)

ï‚· calcolo della matrice di guadagno K e aggiornamento della matrice di covarianza dell'errore utilizzando le equazioni (207) - (211)

ï‚· calcolo del vettore z degli ingressi del filtro utilizzando la linearizzazione delle equazioni (201) - (204) rispetto al vettore di errore dello statoï ¥X

ï‚· correzione dello stato, utilizzando il risultato dell'operazione (212)

La Figura 1 mostra un diagramma a blocchi del sistema (100) in cui vengono evidenziati come i vari sensori ed ingressi vengono elaborati da un blocco stimatore realizzato tramite un filtro di Kalman (112)

La Figura 2 mostra un disegno in prospettiva del sistema girobussola più datore di assetto (100) con parte sensore giroscopio MEMS in rotazione (108).. Una base (101) di sostegno, una scheda di calcolo dei segnali e di alimentazione (102), una scheda di controllo (103) contenente il blocco (112) del motore (107) un giunto rotante (109), un sistema di fissaggio del motore alla base (101) tramite il supporto (112), un encoder (106) il cui asse passante à ̈ collegato ed in rotazione all’albero del motore, un sensore giroscopico (108) che necessita di ruotare solidale all’albero (113) del motore (107).

In Figura 3 un disegno con vista laterale della soluzione proposta in cui in cui vengono anche evidenziato gli accelerometri (105) e (104), il giroscopio (110) della parte non rotante e l’albero motore (113).

In Figura 4 un disegno con un’aggiuntiva vista laterale della soluzione proposta in cui viene evidenziato l’accelerometro nella parte rotante (111).

I vantaggi della soluzione proposta rispetto agli schemi tradizionali sono i seguenti:

1) riduzione degli ingombri per applicazioni in cui lo spazio e’ problematico (avionica, sistemi subacquei ROV, droni, ecc)

2) riduzione del costo visto che l’eliminazione del bias grazie alle rotazioni possono permettere l’utilizzo di sensori non di tipo “ inertial grade†o “navigation grade†e quindi con tecnologie di tipo MEMS per esempio oppure giroscopi “tactical grade†come DTG (Dynamically Tuned Gyroscope) o FOG (Fiber optic Gyroscope).

Claims (1)

1. Rivendicazioni 1) Metodo in grado di calcolare autonomamente (senza cioà ̈ l’ausilio di GPS o campi magnetici) assetto e direzione rispetto al nord geografico di velivolo, imbarcazione, automezzo, satellite, ecc (statiche o dinamiche) in qualsiasi condizioni di moto. Il metodo à ̈ basato su un sistema strap-down costituito da una parte statica ed una parte rotante usando una configurazione a cinque gradi di libertà (tre accelerometri e due giroscopi) con sensori disposti e collocati tra parte fissa e parte rotante del sistema come segue, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno i seguenti componenti: a. due accelerometri (104) e (105) mutualmente ortogonali con asse sensibile sul piano orizzontale nella parte fissa del sistema b. un giroscopio (110) con asse sensibile nella direzione verticale nella parte fissa del sistema c. un terzo accelerometro (111) con asse sensibile sul piano orizzontale nella parte rotante del sistema d. un secondo giroscopio (108) con direzione dell’asse sensibile sul piano orizzontale nella parte rotante del sistema e. un motore (107) in grado di far ruotare i sensori (108) e (111) f. un encoder (106) g. in giunto rotante (107) per dati ed alimentazione una scheda di calcolo (103) in grado di implementare il blocco di calcolo (112) calcola l’assetto e la direzione rispetto al nord vero a partire dai sensori e input di latitudine ed eventualmente anche di longitudine in base alle equazioni in forma implicita (201), (202), (203) e (204) 2) Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 senza i due accelerometri (104) e (105) nella parte fissa e quindi con tre gradi di libertà con prestazioni degradate in termini di precisione di misura di assetto e direzione rispetto al nord vero rispetto al sistema (100) a cinque gradi di libertà. 3) Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 con l’aggiunta di un ulteriore giroscopio (108) nella parte rotante con asse sensibile sullo stesso piano, ma con asse sensibile ortogonale al giroscopio (108) quindi con sei gradi di libertà, con prestazioni superiori in termini di precisione di misura di assetto e direzione rispetto al nord vero rispetto al sistema (100) a cinque gradi di libertà. 4) Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 senza il giroscopio (110) nella parte fissa e quindi con quattro gradi di libertà con prestazioni analoghe in termini di precisione di misura di assetto e direzione rispetto al nord vero rispetto al sistema (100) a cinque gradi di libertà qualora il sistema lavori in condizioni statiche (es. automezzo fermo, sistema di designazione statico, ecc) 5) Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 senza il giroscopio (110) nella parte fissa e senza due accelerometri (104) e (105) nella parte fissa quindi con due gradi di libertà con prestazioni analoghe in termini di precisione di misura di assetto e direzione rispetto al nord vero rispetto al sistema (100) a cinque gradi di libertà qualora il sistema lavori in condizioni statiche (es. automezzo fermo, sistema di designazione statico, ecc) 6) Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 senza il giroscopio (110) nella parte fissa e senza accelerometro (111) nella parte rotante quindi con tre gradi di libertà con prestazioni analoghe in termini di precisione di misura di assetto e direzione rispetto al nord vero rispetto al sistema (100) a cinque gradi di libertà qualora il sistema lavori in condizioni statiche (es. automezzo fermo, sistema di designazione statico, ecc) 7) Un metodo in accordo con la rivendicazione 1, 2, 3, 4, 5, 6 in cui aggiungendo un accelerometro con asse sensibile nella direzione verticale sulla parte fissa à ̈ possibile calcolare anche la posizione in alto e in basso di un moto prossimo a quello armonico rispetto ad un riferimento (heave). 8) Un metodo in accordo con la rivendicazione 1, 2, 3, 4, 5, 6 in cui aggiungendo un accelerometro con asse sensibile nella direzione verticale sulla parte rotante à ̈ possibile calcolare anche la posizione in alto e in basso di un moto prossimo a quello armonico rispetto ad un riferimento (heave).