Compensazione del movimento e posizione si riferisce alla capacità di un sistema, che tipicamente coinvolge sensori o dispositivi, di regolare o compensare il movimento al fine di mantenere informazioni di posizionamento accurate. Questa compensazione mantiene dati di posizione e orientamento affidabili e coerenti, nonostante movimenti o disturbi esterni.
Compensazione del movimento e posizione: scegli il sensore inerziale giusto
L'oceanografia svolge un ruolo cruciale tra le sfide ambientali odierne come il cambiamento climatico, l'inquinamento e l'ecologia. Gli oceanografi si affidano a tecnologie in rapida evoluzione per prestazioni superiori, fondamentali per comprendere e risolvere le sfide.
Da oltre 15 anni, produciamo sistemi di navigazione inerziale per l'industria marina. Spiegheremo cosa sono i sistemi di navigazione inerziale e come vengono utilizzati. Inoltre, evidenzieremo i parametri chiave cruciali per la selezione di un MRU o INS/GNSS per la compensazione del moto e il tracciamento preciso della posizione degli strumenti oceanografici.
Il suo alleato per misure di movimento e navigazione accurate
Un sistema di navigazione inerziale, anche chiamato INS, è un dispositivo di navigazione che fornisce rollio, beccheggio, prua, posizione, velocità e moto ondoso (heave). È composto da vari elementi: Un'unità di misura inerziale (IMU), che è il cuore dell'INS, un microprocessore e un ricevitore GPS/GNSS.
L'IMU integra 3 accelerometri, 3 giroscopi e, a seconda dei requisiti di prua, 3 magnetometri. Misura gli angoli di Eulero su 3 assi ruotando per determinare beccheggio, rollio e imbardata. Il microprocessore esegue un filtro di Kalman esteso (EKF) avanzato a bordo per fondere in tempo reale i dati inerziali con il GNSS se sono richieste posizione, velocità o prua basata su GNSS. Inoltre, alcuni INS forniscono anche dati di misura del moto ondoso (heave) e delle onde per tutte le attività e missioni oceanografiche.
Gli oceanografi utilizzano molti strumenti diversi per misurare vari elementi come parametri ambientali (ad esempio la salinità), la sedimentologia o la corrente. Ciò include i sistemi di navigazione inerziale, che compensano il movimento degli strumenti o della piattaforma.
Possono essere installati su diversi tipi di piattaforme come boe, imbarcazioni, sistemi di superficie o sottomarini (USV, ROV o AUV), rendendo dimensioni, consumo energetico e contenitore fattori determinanti nella scelta della soluzione, ma non solo. Di seguito sono riportati 5 consigli utili da considerare quando si sceglie un sensore inerziale.
1 – Come verificare la robustezza e la ripetibilità dei dati?
Poiché i sensori inerziali sono integrati in piattaforme che possono rimanere in mare per mesi, la robustezza del sensore è cruciale. Ecco perché tutti gli MRU e gli INS di SBG Systems beneficiano di una procedura di calibrazione individuale di fascia alta che utilizza tavole rotanti multi-asse e camere climatiche.
Ogni sensore è sottoposto a una calibrazione estesa da -40ºC a 85°C e viene fornito con un rapporto di calibrazione dettagliato. È un passo fondamentale nella produzione in quanto garantisce che il sistema manterrà un comportamento costante ottimale e fornirà dati accurati continuamente in tutte le condizioni ambientali, anche le più estreme.
In SBG, lo specifico processo di qualificazione interno garantisce lo stesso livello di prestazioni per tutta la durata di vita senza drift significativi. Una volta calibrati, i sensori inerziali passano attraverso un rigoroso processo di screening, rimuovendo tutti i sensori che non soddisfano le specifiche, in modo che i professionisti possano contare su misurazioni coerenti durante le loro missioni.
2 – Misura del beccheggio: scegliere il sensore in base allo stato del mare
Se il sensore inerziale miniaturizzato di SBG chiamato Ellipse fornisce un'altezza d'onda accurata in tempo reale di 5 cm che si adatta automaticamente al periodo dell'onda, lo fa su un periodo d'onda limitato. Per consentire missioni in cui le frequenze delle onde sono maggiori o più complesse, i prodotti SBG di livello superiore sono dotati di una funzione di elevazione ritardata che si traduce in un'altezza d'onda accurata a 2 cm calcolata in tempo reale, con un piccolo ritardo.
3 – Ricevitore GNSS Multi-Costellazione e Correzioni
I nuovi ricevitori GNSS entry-level ora utilizzano GPS, Glonass, Beidou e Galileo, migliorando la disponibilità dei satelliti nelle aree a bassa copertura. Se la posizione metrica non è sufficiente per lo studio, i sistemi di fascia alta raggiungono una posizione in tempo reale di 5 cm grazie alle correzioni PPP.
Questa tecnologia è in costante evoluzione per offrire soluzioni più convenienti e semplici. RTK, che fornisce una posizione al centimetro, è ancora la soluzione di posizionamento più accurata quando si è vicino alla costa. Se i dati non sono richiesti in tempo reale, è possibile ottenere una precisione ancora maggiore utilizzando un software di post-elaborazione.
4 – Quale soluzione di heading quando la dinamica è bassa o la missione è condotta vicino a un polo?
Dalla nostra esperienza, la maggior parte delle applicazioni oceanografiche evidenzia l'importanza di disporre di un INS a doppia antenna (ovvero, che utilizza due antenne sullo stesso ricevitore GPS/GNSS).
Infatti, questo tipo di sensore inerziale utilizza due antenne GPS/GNSS per fornire posizione, velocità e un angolo di rotta vera valido, anche quando stazionario o a dinamiche molto basse, contrariamente al GPS a singola antenna. Fornisce inoltre la rotta vera in qualsiasi situazione senza essere influenzato da disturbi magnetici o dalla rotazione terrestre, a differenza di un magnetometro e di una girobussola. È una caratteristica fondamentale, in particolare per gli studi attuali e le missioni ai poli.
In SBG, abbiamo appena lanciato la 3a generazione di Ellipse-D, un GNSS/INS a doppia frequenza e doppia antenna da 17 grammi con funzionalità di fascia alta, che lo rende una soluzione ideale per l'oceanografia.
5 – Integrazione Semplice e Supporto Tecnico
È possibile integrare facilmente sensori inerziali in qualsiasi progetto marino. Ciò è possibile grazie alla loro compatibilità con numerosi software e protocolli industriali (più di 90 messaggi diversi presso SBG). Sono forniti anche driver ROS per una facile integrazione su piattaforme autonome.
Quando si sceglie un sensore, non ci si deve concentrare solo sulla scheda tecnica, ma anche sul supporto dell'azienda durante e dopo l'integrazione.
La reattività e la pertinenza del supporto sono fondamentali per il successo del progetto. Il rilevamento inerziale e la navigazione sono una disciplina che tiene conto di molti parametri. L'apprendimento di alcuni fondamenti attraverso la formazione potrebbe anche cambiare le carte in tavola nella rapidità di sviluppo del progetto.
Abbiamo visto come i nuovi sensori miniaturizzati come l'Ellipse si adattano alla maggior parte delle applicazioni oceanografiche. L'INS/GNSS di fascia alta compensa vari strumenti su imbarcazioni completamente equipaggiate che integrano strumenti di diversi gradi.
Soluzione Navsight di SBG Systems
SBG Systems fornisce la soluzione Navsight Marine, dotata di un'unità di misura inerziale con gradi di prestazioni di rollio/beccheggio da 0,02° a 0,007°.
Navsight, un'unità di elaborazione robusta, integra l'intelligenza di fusione, un ricevitore GNSS di livello topografico, un data logger e varie opzioni di connettività.
Questa soluzione avanzata è adatta per intere flotte di navi dedicate all'oceanografia. Avevano bisogno di compensare strumenti come gli ecoscandagli multibeam, ad esempio.
Per qualsiasi tipo di applicazione, scegliere un sensore inerziale è come scegliere un partner per lo sviluppo del tuo progetto. Speriamo che questi consigli ti aiutino a portare al successo le tue future integrazioni.
L'articolo completo è stato pubblicato su Marine Technology Reporter, edizione di febbraio. “Compensazione del movimento e posizione: ruolo e caratteristiche importanti da verificare quando si seleziona un sensore inerziale”
