Come implementare in modo economico sistemi di navigazione aeronautica affidabili con componenti di precisione

Lo sviluppo di soluzioni sofisticate per i sistemi ADAHRS (dati aerei, riferimento di rotta e di assetto) è fondamentale per garantire la navigazione accurata e la sicurezza dei sistemi aerei con e senza equipaggio. Per creare progetti ADAHRS robusti e affidabili, gli sviluppatori hanno bisogno di componenti in grado di affrontare diverse sfide nella progettazione di sistemi di navigazione avionica, tra cui la precisione dei sensori, la resistenza ambientale e l'integrazione di sistema.

Questo articolo descrive come i moduli di acquisizione dati di precisione e le unità di misura inerziali (IMU) di Analog Devices affrontano queste sfide e semplificano lo sviluppo di soluzioni ADAHRS efficaci.

La sicurezza dell'aviazione si fonda su sofisticati sistemi basati su sensori

La disponibilità di informazioni accurate sulle prestazioni di volo è fondamentale per la sicurezza in tutti i segmenti dell'aviazione, dai sistemi aerei senza equipaggio (UAS) ai pesanti jet per passeggeri. In linea con i miglioramenti aerodinamici dei velivoli, le capacità dei sistemi avionici si sono evolute dalla tradizionale dotazione di strumenti di volo per il pilota basata su bussole magnetiche, giroscopi meccanici e strumenti di volo a vuoto, fino all'abitacolo a visori, ossia a sistemi di strumenti di volo elettronici (EFIS) con display grafico sempre più sofisticati.

Alla base dell'EFIS, l'ADAHRS integra le funzionalità di un computer per i dati aerei e di un sistema di riferimento di rotta e di assetto (AHRS), necessari per integrare gli ausili alla navigazione a lungo raggio del sistema globale di navigazione satellitare (GNSS), come il sistema di posizionamento globale (GPS) degli Stati Uniti e il sistema WAAS (Wide Area Augmentation System) associato al GPS. Il computer per i dati dell'aria calcola l'altitudine e la velocità verticale, dell'aria e del suolo utilizzando le misurazioni della pressione atmosferica e la temperatura dell'aria esterna. Per fornire l'assetto del velivolo (beccheggio, rollio e imbardata) e i dati di rotta necessari per la determinazione del punto stimato nella navigazione inerziale, l'ADAHRS si basa su una combinazione di giroscopi per le variazioni di velocità angolare, accelerometri per le variazioni di velocità lineare e magnetometri per la direzione magnetica. I progressi della tecnologia dei sensori hanno cambiato radicalmente la natura di questi sensori critici.

In passato, i complessi giroscopi a fibra ottica o laser ad anello erano tra le poche tecnologie disponibili in grado di fornire una precisione sufficiente per l'aviazione. Oggi, la disponibilità di avanzati sistemi microelettromeccanici (MEMS) offre agli sviluppatori una tecnologia in grado di soddisfare i requisiti di diverse piattaforme aeronautiche (Figura 1).

Figura 1: I giroscopi MEMS di fascia alta offrono caratteristiche uniche che li rendono la tecnologia preferita per i sistemi elettronici avionici. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Oltre a giroscopi, accelerometri e magnetometri, il funzionamento dell'ADAHRS dipende anche da flussi di dati affidabili provenienti da sensori che riportano la temperatura e la pressione dell'aria esterna. Altri sensori di pressione, forza e posizione forniscono dati sulla posizione e sul carico delle superfici di volo, del carrello di atterraggio e dello sterzo della ruota anteriore. Altri sensori forniscono dati essenziali sulle prestazioni del motore e sul carburante, necessari per i sistemi informativi del motore, nonché sulla temperatura, sulla pressione e sui livelli di ossigeno dell'abitacolo.

Una combinazione di moduli di acquisizione dati per sensori ad alte prestazioni e IMU MEMS di Analog Devices fornisce agli sviluppatori i componenti critici necessari per creare soluzioni avioniche con caratteristiche di affidabilità, precisione, dimensioni e costi tali da consentirne l'applicazione nell'intera gamma di sistemi di volo avionici.

Applicazione dei moduli di acquisizione dei dati dei sensori e delle IMU nell'avionica moderna

Per l'acquisizione di dati dall'ampia gamma di sensori di qualsiasi piattaforma di volo, i moduli di acquisizione dati ad alte prestazioni offrono una serie di funzionalità per ogni modalità di sensore e requisito funzionale. Con le soluzioni µModule per catene di segnali di precisione, Analog Devices integra i più comuni sottosistemi di elaborazione dei segnali, compresi i blocchi di condizionamento del segnale e i convertitori analogico/digitali (ADC), in un dispositivo SiP (System-in-Package) compatto per risolvere le sfide progettuali più difficili. I micromoduli incorporano anche i componenti passivi critici con caratteristiche di corrispondenza e di deriva superiori, realizzati con la tecnologia iPassive® di Analog Devices, che riducono al minimo le fonti di errore dipendenti dalla temperatura e semplificano la calibrazione attenuando le sfide termiche. La significativa riduzione dell'ingombro della soluzione consente di aggiungere un maggior numero di canali/funzioni per strumenti avionici scalabili che richiedono precisione e stabilità nel tempo e in temperatura. I micromoduli semplificano la distinta base della catena di segnali, riducono la sensibilità prestazionale alla circuiteria esterna e abbattono i cicli di progettazione, riducendo così il costo totale di proprietà.

Progettati per soddisfare gli esigenti requisiti di acquisizione dati, i moduli ADAQ4003 e ADAQ23878 di Analog Devices integrano un driver amplificatore ADC completamente differenziale (FDA, Figura 2) con un array di resistori abbinato con una precisione dello 0,005%, un buffer di riferimento stabile e un ADC con registro ad approssimazioni successive (SAR) a 18 bit, in grado di fornire prestazioni rispettivamente di 2 Msps e 15 Msps.

Combinando un dispositivo di acquisizione dati μModule come ADAQ4003 con un amplificatore strumentale a guadagno programmabile (PGIA) completamente differenziale, come LTC6373 di Analog Devices, gli sviluppatori possono implementare una soluzione semplice a molti dei complessi requisiti di rilevamento dei sistemi aeronautici.

Figura 2: Gli sviluppatori possono soddisfare in modo efficiente molti requisiti di rilevamento in campo aeronautico combinando un PGIA completamente differenziale LTC6373 con un sistema di acquisizione dati in μModule ADAQ4003. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Come già detto, i sensori basati sui MEMS sono una soluzione efficace per fornire i dati critici necessari al funzionamento dell'ADAHRS. Integrando giroscopi e accelerometri triassiali MEMS con sensori di temperatura e altri blocchi funzionali, le IMU a sei gradi di libertà, come l'IMU MEMS miniaturizzata di precisione ADIS16505 e il sensore inerziale di grado tattico ADIS16495 di Analog Devices, forniscono il set completo di funzionalità necessarie per semplificare lo sviluppo di sottosistemi avionici (Figura 3).

Figura 3: Le IMU ADIS16505 e ADIS16495 (qui raffigurate) integrano i sensori con un controller, calibrazione, elaborazione dei segnali e blocchi di autotest per fornire una soluzione completa ai sistemi di misurazione elettronica dei sistemi avionici sottostanti come l'ADAHRS. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Combinati nell'ADAHRS, questi sistemi possono fornire i componenti essenziali di un sistema di navigazione inerziale capace di indicare la rotta alla destinazione desiderata anche in assenza di ausili alla navigazione satellitare o terrestre. Come tutti i dispositivi fabbricati, quelli basati su MEMS sono soggetti a diverse fonti che limitano le prestazioni e che possono compromettere l'accuratezza della navigazione calcolata. Ad esempio, le inevitabili variazioni di produzione, le fonti di rumore interne e gli effetti ambientali limitano la precisione di un giroscopio MEMS.

I produttori documentano gli effetti sulle prestazioni di queste variazioni in numerose specifiche elencate nelle schede tecniche. Tra queste, i parametri di sensibilità, non linearità e bias possono avere un impatto diretto sull'accuratezza dell'ADAHRS. Nei giroscopi, la sensibilità limitata (risoluzione della misurazione della velocità angolare) può causare errori di rotta (Ψ) e di posizione (d_e) durante le virate (Figura 4, a sinistra), la risposta non lineare (deviazione dalla risposta lineare ideale) può causare errori simili in seguito a una serie di manovre come le virate a S (Figura 4, al centro) e il bias del giroscopio comporta una deriva della rotta e della posizione anche durante la crociera (volo rettilineo e livellato senza accelerazione) (Figura 4, a destra).

Figura 4: Le limitazioni della sensibilità del giroscopio, la non linearità e il bias possono causare l'accumulo di errori di rotta (Ψ) e di posizione (d_e) durante le virate (sinistra), le virate a S (centro) e la crociera (destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Gli errori di bias derivano dal disallineamento di ciascun asse del giroscopio rispetto agli altri assi o al package, da errori di scalatura e dalla risposta errata del giroscopio all'accelerazione lineare come la rotazione a causa di asimmetrie nella fabbricazione del MEMS. Per le IMU ADIS16505 e ADIS16495, Analog Devices determina gli specifici fattori di correzione del bias per ciascun dispositivo testandoli a diverse velocità di rotazione e temperature. Questi fattori di correzione del bias, specifici per ogni componente, sono memorizzati nella memoria flash interna di ognuno e applicati durante l'elaborazione dei segnali del sensore.

Oltre ai fattori di bias correggibili, il rumore casuale proveniente da varie fonti influisce sull'errore di bias nel tempo. Sebbene non sia possibile compensare direttamente questo rumore casuale, i suoi effetti possono essere ridotti campionando su tempi di integrazione più lunghi. La misura in cui tempi di campionamento più lunghi riducono il rumore è descritta nel grafico della deviazione di Allan (o varianza di Allan) di un giroscopio, che visualizza il rumore in gradi all'ora (°/ora) rispetto al periodo di integrazione (τ) (Figura 5).

Figura 5: I grafici della deviazione di Allan per i giroscopi MEMS dell'IMU ADIS16495 (a sinistra) e dell'IMU ADIS16505 (a destra) descrivono la capacità del tempo di campionamento prolungato di compensare la deriva casuale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il minimo del grafico della deviazione di Allan rappresenta il caso migliore per la deriva del giroscopio nel tempo, un parametro chiamato stabilità in-run bias (IRBS) tipicamente specificato in termini di somma della media e di una deviazione standard nelle specifiche della scheda tecnica. Per gli sviluppatori che creano soluzioni ADAHRS altamente accurate, l'IRBS di una IMU è un parametro essenziale per comprendere le migliori prestazioni possibili con quel componente. Gli esperti di giroscopi classificano le IMU come ADIS16495 di Analog Devices come di "grado tattico" quando i valori IRBS del giroscopio sono compresi tra 0,5° e 5,0°/ora.

ADIS16495 è caratterizzato da specifiche rigorose su diversi parametri vitali per soddisfare le applicazioni tattiche più esigenti. Per migliorare le prestazioni, ADIS16495 integra una coppia di giroscopi MEMS e una catena di segnali di campionamento dedicata a 4100 Hz per ciascuno dei tre assi (Figura 6).

Figura 6: L'IMU di grado tattico ADIS16495 migliora la precisione del giroscopio e le prestazioni di deriva mediando l'uscita di una coppia di giroscopi MEMS con catene di segnali dedicate. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I campioni di ciascuna catena di segnali sono successivamente combinati utilizzando una frequenza di campionamento separata di 4250 Hz (f_SM) per fornire una misurazione della velocità angolare che riduce l'effetto del rumore. Combinando questo metodo di campionamento con specifiche di prestazione più rigorose, si ottiene una IMU in grado di soddisfare i requisiti avionici più esigenti.

Sviluppo rapido ed esplorazione di progetti basati sulle IMU

Per accelerare lo sviluppo di progetti basati sulle IMU, Analog Devices fornisce una serie completa di strumenti di sviluppo. Progettato per supportare la scheda di valutazione IMU EVAL-ADIS-FX3 (Figura 7) e le schede di breakout associate, lo stack software FX3 di Analog Devices comprende un pacchetto firmware, un'interfaccia di programmazione di applicazioni (API) compatibile con .NET e un'interfaccia grafica utente (GUI). Una libreria wrapper fornita con l'API consente agli sviluppatori di lavorare in qualsiasi ambiente di sviluppo che supporti .NET, compresi quelli per MATLAB, LabView e Python. Durante lo sviluppo, la GUI di valutazione dello stack FX3 consente agli sviluppatori di leggere e scrivere facilmente i registri, acquisire i dati e tracciare i risultati in tempo reale.

Figura 7: La scheda di valutazione EVAL-ADIS-FX3 fa parte di un pacchetto completo di supporto hardware e software per l'esercizio delle IMU di Analog Devices. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

Le soluzioni avioniche ADAHRS sono il cuore dell'evoluzione degli EFIS. Con lo sviluppo di giroscopi, accelerometri e magnetometri di precisione basati sulle tecnologie MEMS, i sistemi avionici possono offrire prestazioni di volo e capacità di navigazione che finora non erano alla portata di tutte le flotte di aerei commerciali, ma solo di quelle più grandi. Utilizzando i moduli di acquisizione dati e le IMU altamente integrate di Analog Devices, gli sviluppatori del settore avionico possono progettare soluzioni più economiche e più piccole per soddisfare i severi requisiti di funzionalità, sicurezza e affidabilità dei sistemi aeronautici.