Sistema di riferimento del corpo

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Il sistema di coordinate del sensore, o sistema di riferimento del corpo, è un sistema di riferimento locale che si muove insieme a un sensore o a una piattaforma, come un drone, un veicolo, un robot o un missile. Esso definisce l’orientamento e il movimento rispetto alla struttura fisica del sensore. Gli ingegneri utilizzano il sistema di riferimento del corpo per esprimere grandezze come l’accelerazione, la velocità angolare e la velocità direttamente dal punto di vista del sensore.

Il sistema di coordinate del sensore (del corpo) — spesso chiamato sistema di coordinate del corpo o del veicolo — funge da sistema di riferimento fissato a una piattaforma in movimento, come un drone, un’auto, un missile o un veicolo subacqueo. Gli ingegneri utilizzano questo sistema per descrivere il movimento e l’orientamento della piattaforma rispetto a se stessa, rendendolo essenziale per la navigazione, il controllo e la fusione dei sensori.

Nella maggior parte delle applicazioni, gli utenti montano sensori quali IMU, ricevitori GNSS i o AHRS unità direttamente sul veicolo. Questi sensori riportano i dati nel proprio sistema di coordinate, che di solito coincide con il sistema di riferimento del corpo. Esso è costituito da tre assi ortogonali che formano un sistema di coordinate destrorso:

• L'asse X punta in avanti, nella direzione del movimento o del muso del sensore.
• L'asse Y punta a destra (tribordo per i sistemi marini o aeronautici).
• L'asse Z punta verso il basso o verso il basso rispetto alla base del sensore, a seconda dell'applicazione.

Questo orientamento fisso consente al sistema di misurare come si muove o ruota nel proprio spazio, piuttosto che rispetto alla Terra.

Esempi di applicazioni nel frame del corpo

L'IMU di un drone è responsabile della misurazione dell'accelerazione e della rotazione nel proprio sistema di riferimento. Quando il drone beccheggia in avanti, rileva la velocità angolare attorno al suo asse Y. Il sistema trasmette questi dati al controllore di volo, consentendo al drone di stabilizzarsi ed eseguire i comandi di volo con precisione. Ad esempio, il sistema di pilota automatico del drone utilizza i dati del sensore nel sistema di riferimento del corpo per stabilizzare il volo ed eseguire manovre come imbardata, beccheggio e rollio. Il sistema interpreta i movimenti direttamente, esprimendoli come movimenti in avanti, laterali e verticali rispetto al sistema di riferimento del drone.

Un'auto a guida autonoma, d'altra parte, rileva la sua accelerazione lineare lungo gli assi X (avanti), Y (laterale) e Z (verticale) nel suo sistema di riferimento del corpo. Questa capacità consente al veicolo di regolare la sua velocità, mantenere il controllo della corsia e rispondere ai cambiamenti del terreno. Questo sistema di coordinate facilita l'interpretazione dei dati lidar, radar e inerziali. Il sistema di controllo dell'auto utilizza queste letture per prendere decisioni di guida in tempo reale in base al proprio orientamento.

Il sistema di navigazione di un missile utilizza il sistema di riferimento del corpo per il tracciamento dell'orientamento. Mentre manovra, il sensore di bordo rileva i tassi di rotazione e l'accelerazione negli assi fissi al corpo, consentendo correzioni precise della rotta. Il sistema di navigazione di bordo del missile utilizza il sistema di riferimento del corpo per tracciare l'accelerazione e la velocità angolare, consentendogli di regolare la sua traiettoria e il suo orientamento in base alla sua posizione attuale e all'orientamento del sistema di coordinate.

Un braccio robotico impiega un sistema di riferimento del corpo per calcolare i movimenti dei giunti e le posizioni dell'end-effector. La posizione e l'orientamento di ogni motore vengono misurati in questo sistema locale per garantire il controllo in tempo reale.

Sfide di allineamento dei sensori

In pratica, i sensori non sono sempre perfettamente allineati con il telaio del veicolo. Pertanto, gli ingegneri applicano correzioni di rotazione del sistema di riferimento per allineare il sistema di coordinate del sensore con il telaio del veicolo. Di conseguenza, questa correzione garantisce calcoli accurati di posizione, velocità e orientamento. Inoltre, fornisce un riferimento affidabile per i sistemi che si muovono e rilevano l’ambiente circostante. Di conseguenza, l’allineamento del sistema di riferimento svolge un ruolo fondamentale nella navigazione, nel controllo e nella stabilizzazione in tempo reale. Per questo motivo, gli ingegneri lo utilizzano ampiamente in applicazioni aerospaziali, di difesa, automobilistiche e di robotica.