Introduzione alla Tecnologia Inerziale

(3) Composizione del Sistema di un Sistema di Navigazione Inerziale

Il Sistema di Navigazione Inerziale (INS) è una soluzione di navigazione completamente autonoma ampiamente utilizzata in campo aerospaziale, UAV, navi, robotica e applicazioni industriali di fascia alta. A differenza dei sistemi basati su satellite, un INS non si basa su segnali esterni. Invece, calcola posizione, velocità e assetto esclusivamente tramite sensori interni e algoritmi.

Questo articolo spiega la composizione completa del sistema di un INS e come i suoi sottosistemi lavorano insieme per fornire una navigazione precisa e affidabile.

1. Panoramica del Sistema di Navigazione Inerziale

Un INS determina il movimento di una piattaforma misurando continuamente l'accelerazione e la velocità angolare. Queste misurazioni vengono elaborate tramite algoritmi di navigazione per calcolare:

• Posizione

• Velocità

• Assetto (Rollio, Beccheggio, Imbardata)

Per raggiungere questo obiettivo, un INS integra una combinazione di hardware di precisione, strutture meccaniche, elettronica e metodi di calibrazione.

2. Composizione del Sistema

I componenti principali di un Sistema di Navigazione Inerziale includono:

(1) Unità di Misurazione Inerziale (IMU)

L'IMU è il nucleo di rilevamento dell'INS. Integra:

• Giroscopio
  Misura la velocità angolare di rotazione attorno a tre assi.

• Accelerometro
  Misura l'accelerazione lineare lungo tre assi.

Insieme, questi sei gradi di libertà forniscono i dati grezzi di movimento necessari per i calcoli di navigazione.

(2) Computer di Navigazione

Il computer di navigazione è responsabile della conversione dei segnali grezzi dell'IMU in informazioni di navigazione utilizzabili.

Esegue:

• Acquisizione ed Elaborazione Dati
  Filtraggio, campionamento e conversione delle uscite dei sensori.

• Soluzione di Navigazione
  Implementa algoritmi come il calcolo strapdown, l'integrazione dell'assetto, l'aggiornamento della velocità e il calcolo della posizione.

• Compensazione degli Errori
  Applica dati di calibrazione, rimozione del bias, correzione del fattore di scala e compensazione della temperatura.

(3) Sistema di Smorzamento

Per garantire una precisione costante, il sistema di smorzamento stabilizza il movimento della piattaforma e riduce l'influenza di vibrazioni, urti e disturbi meccanici.

Le sue funzioni includono:

• Minimizzare il rumore del sensore causato dalle vibrazioni

• Fornire smorzamento per le oscillazioni meccaniche

• Assistere l'allineamento di precisione

Il design dello smorzamento è particolarmente critico nelle applicazioni aeree e mobili.

(4) Sistema Elettronico

Il sistema elettronico fornisce la gestione dell'alimentazione, il condizionamento del segnale e le interfacce di comunicazione.

Elementi chiave:

• Regolazione e distribuzione dell'alimentazione

• Circuiti di elaborazione del segnale digitale

• Protocolli di comunicazione (CAN, RS422, Ethernet, ecc.)

• Monitoraggio e protezione del sistema

(5) Struttura Meccanica

La struttura meccanica fornisce la base fisica dell'INS.
Una struttura meccanica ben progettata migliora:

• Resistenza alle vibrazioni

• Stabilità termica

• Integrità strutturale a lungo termine

• Robustezza ambientale

Questa parte assicura che il sistema funzioni in modo coerente in condizioni difficili.

3. Inizializzazione dei Parametri e Meccanismi di Calibrazione

Per ottenere una precisione ottimale, un INS richiede più livelli di calibrazione e inizializzazione.

(1) Parametri Iniziali

Questi includono bias dei sensori, angoli di installazione, fattori di scala e coefficienti ambientali.

(2) Posizione Iniziale

Il sistema necessita di una coordinata di partenza accurata per iniziare i calcoli di navigazione.

(3) Calibrazione della Temperatura

I sensori IMU sono altamente sensibili alla temperatura.
La calibrazione della temperatura compensa:

• Deriva del bias

• Variazioni del fattore di scala

• Effetti non lineari della temperatura

Questo è essenziale per prestazioni di alta precisione.

(4) Allineamento e Calibrazione Iniziali

L'allineamento iniziale stabilisce il riferimento di assetto (Rollio / Beccheggio / Imbardata).
Due tipi comuni di allineamento:

• Allineamento statico – eseguito quando il sistema è fermo

• Allineamento dinamico – eseguito durante il movimento, assistito da algoritmi

Un corretto allineamento assicura un'uscita accurata di direzione e assetto durante il funzionamento.

4. Uscita dell'INS

Dopo aver elaborato tutti i dati dei sensori e applicato le correzioni, l'INS emette:

• Assetto (Rollio, Beccheggio, Imbardata)

• Velocità (nord/est/basso o XYZ)

• Posizione (coordinate GPS o sistema di coordinate locale)

• Parametri di Errore (diagnostica, stato, indicatori di qualità)

L'accuratezza di queste uscite dipende dalla qualità del sensore, dalla completezza della calibrazione e dalle prestazioni dell'algoritmo.

5. Conclusione

Il Sistema di Navigazione Inerziale è una tecnologia complessa ma potente, basata su sensori precisi, algoritmi sofisticati e processi di calibrazione avanzati. La sua capacità di fornire una navigazione ininterrotta in ambienti negati dal GNSS lo rende insostituibile nelle moderne applicazioni aerospaziali, di difesa, robotica e industriali.

La comprensione della composizione completa del sistema INS—IMU, computer di navigazione, smorzamento, sottosistema elettronico, struttura meccanica e flusso di lavoro di calibrazione—aiuta gli utenti ad apprezzarne la profondità e l'importanza tecnica.