Sistemi di Navigazione Inerziale per i sistemi ADAS – Advanced Driver Assistance Systems

I sistemi ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) migliorano la sicurezza alla guida grazie a funzioni quali il mantenimento della corsia, il cruise control adattivo e la frenata automatica, ma richiedono la supervisione attiva del conducente. Al contrario, le auto a guida autonoma, dotate di sistemi di guida autonoma, mirano ad automatizzare completamente il funzionamento del veicolo senza alcun intervento umano.

Mentre l'ADAS supporta i conducenti assistendoli nelle mansioni e migliorando la sicurezza, le auto a guida autonoma sono progettate per gestire tutti gli aspetti della guida autonoma, dalla navigazione al processo decisionale, offrendo un livello superiore di automazione (livelli SAE) e comodità. Le caratteristiche o le funzioni ADAS sono attribuite ai livelli SAE inferiori a 3 e le auto a guida autonoma in quanto tali corrispondono almeno al livello 4.

Un giroscopio è un sensore che misura la velocità angolare—ossia la velocità con cui un oggetto ruota attorno a uno o più assi—ed è uno degli elementi costitutivi fondamentali dei sistemi di navigazione inerziale. Il suo scopo principale è fornire informazioni precise e in tempo reale sul moto rotatorio in modo che un INS o un IMU possa determinare come l'orientamento di un oggetto si evolve nel tempo.

I moderni giroscopi utilizzati nella navigazione, in particolare nei settori aerospaziale, della difesa, marino e della robotica, si basano tipicamente su MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) o su tecnologie ottiche come FOG (Fiber Optic Gyroscopes) e RLG (Ring Laser Gyroscopes). Sebbene i loro principi fisici differiscano, tutti sfruttano lo stesso concetto fondamentale: quando un sistema ruota, il sensore rileva l'effetto inerziale risultante e lo converte in un segnale elettrico.

In un giroscopio MEMS, minuscole strutture vibranti, spesso masse di silicio guidate a specifiche frequenze di risonanza, subiscono forze di Coriolis quando il dispositivo ruota. Queste forze provocano variazioni misurabili nei pattern di vibrazione, che vengono tradotte in informazioni sulla velocità angolare. Nei giroscopi ottici, la luce che viaggia in direzioni opposte lungo un anello chiuso subisce sfiati di fase quando il sistema ruota; questo effetto Sagnac consente misurazioni della rotazione estremamente accurate e stabili alla deriva senza alcuna parte in movimento.

I giroscopi alimentano dati cruciali negli algoritmi di un sistema di navigazione inerziale, consentendo al sistema di calcolare l'assetto (beccheggio, rollio e imbardata). Se combinati con gli accelerometri, formano un'IMU, che fornisce una capacità completa di rilevamento del movimento. I giroscopi di alta qualità riducono la deriva, migliorano la stabilità e consentono al sistema di navigazione di funzionare in modo affidabile anche in ambienti privi di GPS. In applicazioni come la guida di UAV, munizioni circuitanti (loitering munitions), controllo di AUV, compensazione del beccheggio marittimo (heave compensation) o navigazione di veicoli autonomi, l'accuratezza del giroscopio influisce direttamente sulla capacità del sistema di mantenere una traiettoria precisa e stabile.

La posizione relativa si riferisce allo spostamento di una piattaforma in movimento misurato rispetto a un punto di partenza noto, piuttosto che a un sistema di coordinate geografiche assolute. Invece di esprimere la posizione in termini di latitudine, longitudine e altitudine, la posizione relativa descrive quanto lontano e in quale direzione la piattaforma si è mossa dal suo sistema di riferimento iniziale.

Un INS calcola questo integrando nel tempo le accelerazioni e le velocità di rotazione misurate: gli accelerometri determinano le variazioni di velocità, e queste velocità vengono poi integrate nuovamente per ottenere le variazioni di posizione, il tutto espresso all'interno di un sistema di riferimento definito, come il body frame o un local navigation frame.

Poiché la posizione relativa non si basa su segnali esterni - GNSS, radiofari o punti di riferimento - è estremamente preziosa in ambienti privi di segnale GPS, operazioni al chiuso, navigazione subacquea o qualsiasi missione in cui sia richiesto solo il movimento a partire dall'ultimo punto noto.

Tuttavia, l'accuratezza della posizione relativa degrada nel tempo a causa della deriva causata dai bias dei sensori e dal rumore, motivo per cui le soluzioni INS combinano spesso i dati inerziali con fonti di ausilio come GNSS, odometri, DVL o barometri per limitare la crescita degli errori. In definitiva, la posizione relativa fornisce un modo continuo e autonomo per tracciare il movimento, costituendo la spina dorsale dei sistemi di navigazione stima (dead reckoning), guida e controllo in molte applicazioni aerospaziali, marine e robotiche.