IMU

Inertial Measurement Unit

Lo sviluppo delle piattaforme inerziali per i sistemi di navigazione risalgono prima degli anni ’20, poco dopo l’inizio dell’era dell’aviazione (con l’uso di girobussole), e conobbe ulteriori sviluppi durante la Seconda Guerra Mondiale. Le informazioni di navigazione sono fondamentali perchè la gestione delle informazioni di assetto (orientazione), posizione ed accelerazione rappresentano la base di un sistema di guida e controllo (PGNS), generalmente costituito da:

  • un IMU (Inertial Measurement Unit) per l’analisi  delle informazioni di assetto e accelerazione di un vettore (aeroplano, nave o razzo). Tramite misure di direzione ed accelerazione su tre assi cardinali, si può determinare posizione ,velocità e direzione del moto di un corpo nello spazio.
  • un sistema ottico con sensori per l’inizializzazione dell’IMU e le registrazioni delle osservazioni stellari per le correzioni di rotta.

L’IMU è una tecnica autonoma di navigazione ove si impiega un sistema di tre giroscopi/accelerometri ortogonali fra loro con un’elettronica di controllo per tracciare la posizione e orientazione di un oggetto rispetto ad un sistema di riferimento.

La piattaforma inerziale con la piattaforma stabile. Fonte: vedi bibliografia

I sensori sono montati su una piattaforma isolata da ogni movimento rotazionale esterno su sospensioni cardaniche in modo che possa ruotare su tre assi cardinali. I giroscopi montati sulla base della piattaforma (stable member) rilevano ogni rotazione spaziale mentre tre diversi segnali di ritorno (feedback) sono mandati ad un sistema di rotori che contro-ruotano i giunti in modo da annullare la loro rotazione e mantengono la piattaforma allineata con il frame globale di riferimento. Per trovare l‘orientazione i sensori leggono gli angoli adiacenti di deviazione (pick-off) fra i giunti cardanici.

Schema a blocchi del processo di rilevazione della posizione e orientazione a partire dai sensori. Fonte: vedi bibliografia

Gli accelerometri invece sono costituiti da un corpo di massa nota immerso in un fluido. Ogni volta che viene sottoposto ad una forza la massa subisce uno spostamento dalla sua posizione iniziale. Nota la massa e la forza subita è possibile calcolare l’accelerazione; quindi, con un’integrazione si ricava la velocità e con una seconda integrazione si rileva la posizione. Dato che c’è un accelerometro per ogni asse è possibile ricavare posizione e velocità nello spazio.

Esempio di un sistema inerziale che consente di giocare a biliardo su una nave in balia delle onde

Ogni IMU è soggetto a deriva; infatti esso è in grado di misurare sempre cambiamenti di stato rispetto a sé stesso, non da variazioni assolute rispetto ad un riferimento. L’imprecisione tende ad accumularsi col tempo e se non viene periodicamente corretta porta ad errori significativi di rilevazione, soprattutto in campo avionico perchè a causa delle velocità elevate in gioco si possono nel frattempo compiere lunghe distanze e commettere errori notevoli.

Bibliografia

  • An introduction to inertial navigation, Oliver J. Woodman – University of Cambridge

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