Lez. 12B - 8 gennaio - Politecnico di Milano

Seminario: strumentazione avionica per la misura e
la presentazione dei dati
Milano, Campus Bovisa, Aula CT35 - 8 Gennaio 09
Progetto, realizzazione e test di
un AHRS allo stato solido
per unità stand-by
M. Carminati
[email protected]
Dipartimento di Elettronica e Informazione
Sommario
Il sistema Stand-by Display
• Introduzione e motivazione
• Architettura
• Sensori MEMS
Unità di stima dell’assetto
• L’approccio multisensore
• Le problematiche di fusione dei dati
• Il progetto del filtro di Kalman
Unità bussola magnetica
• Sensori di campo magnetico
• Architettura e soluzioni circuitali
Risultati della caratterizzazione sperimentale
Conclusioni e prospettive
2
Stand-by display con sensori allo stato solido
Cosa condividono questi sistemi?
3
Stand-by display con sensori allo stato solido
La determinazione dell’assetto è strategica
Vastissimo interesse di ricerca accademica e industriale
riguardo ai sistemi di stima dell’assetto per veicoli:
Stand-by Systems
• High Performances (M346)
• General Aviation
Unmanned Aerial Vehicles
Aerospace
Satellites
Rovers
Motorbikes
Vehicles
Underwater ROV’s
Robots
Human Body Trackers
4
Stand-by display con sensori allo stato solido
In-door
Stand-by Display
In un unico strumento stand-by sono
misurate e visualizzate le informazioni di:
Prua
Assetto
Dati aria
Caratteristiche:
Autonomia e indipendenza
Compattezza estrema (3” ATI)
“Basso costo”
Vantaggi:
Prestazioni migliori
Installazione e manutenzione
Flessibilità di personalizzazione
5
Stand-by display con sensori allo stato solido
Soluzione: Sensori MEMS di qualità
Le contrastanti richieste di compattezza,
elevate prestazioni e costi contenuti posso
essere soddisfatte solo combinando:
Sensori microlavorati allo stato dell’arte
Architetture innovative
Design analogico accurato
Massiccia elaborazione numerica
analogamente all’avionica degli “small” UAV
I criteri di selezioni dei sensori MEMS sono
legati all’incidenza delle non-idealità di misura:
Vout ( t ) = S ⋅ M ( t ) + b + n( t ) + C( t )
Bias
Cross-effects
Guadagno
Rumore
e alla loro dipendenza dai parametri ambientali,
in particolare rispetto alla temperatura.
6
Stand-by display con sensori allo stato solido
Giroscopi: tecnologie
7
Stand-by display con sensori allo stato solido
Sensori MEMS
Il chip di silicio contiene:
• Il Trasduttore
• Front-end analogico di lettura del segnale
• Stadi di condizionamento analogici
• Eventuali stadi di elaborazione digitale del segnale
• Il segnale in uscita è pronto per l’acquisizione (5V)
8
Stand-by display con sensori allo stato solido
Accelerometri MEMS (1/2)
Principio di funzionamento:
seconda legge di Newton
Costituito da:
• Massa di prova
• Bracci elastici di sostegno
• Sistema di trasduzione dello
spostatemento:
capacitivo
piezoelettrico
9
Stand-by display con sensori allo stato solido
Accelerometri MEMS (2/2)
Esempio di prodotto commerciale: accelerometro Colibrys
Lettura capacitiva Armatura fissa
differenziale
Cantilever
tramite ponte di
Armatura fissa
Wheatstone
in AC
Prestazioni
Modello MS8010
Dinamica
Offset
Drift termico
Rumore
Banda
Temperatura di
funzionamento
±10g
<25mg
2mg/°C
35ug/√Hz
0 to >200Hz
-40°C to 85°C
100€
10
Stand-by display con sensori allo stato solido
Giroscopi MEMS (1/3)
Principio di funzionamento:
Forza di Coriolis
che provoca un
moto ortogonale con un accelerazione ∝ ω
Costituito da:
• Massa di prova
• Doppio frame
• Trasduttori dello
spostamento
11
Stand-by display con sensori allo stato solido
Giroscopi MEMS (2/3)
Esempio di prodotto commerciale: Analog Devices
Sensore capacitivo
∆C = 12e-21 F !!!
30€
12
Stand-by display con sensori allo stato solido
Giroscopi MEMS (3/3)
Struttura alternativa: Tuning Fork piezoelettrico
Impiegata nei sensori della Systron Donner
13
Stand-by display con sensori allo stato solido
Assetto: il problema dei giroscopi
Il sensore fondamentale per la misura dell’assetto rimane il giroscopio:
nella versione MEMS è basato sulla forza di Coriolis
segnale proporzionale alla velocità angolare (rate gyro)
É necessario eseguire un’operazione di integrazione nel tempo
2 equazioni differenziali:
ω x 
ϕ&  1 sin ϕ ⋅ tan θ cos ϕ ⋅ tan θ   
non lineari
× ωy
θ&  = 0
− sin ϕ   
cos ϕ



ω z 
accoppiate
funzione di ωx ωy ωz
GYRO ERRORS
OUTPUT DIVERGENCE
singolarità per θ = 90°
Bias
Ma, problema fondamentale:
divergenza illimitata
dell’errore di stima per
l’accumulo di non-idealità
(bias e rumore)
14
Stand-by display con sensori allo stato solido
1
s
t
White noise
t
Ramp
t
INTEGRATION
1
s
σrms(t)
Random Walk
t
Assetto: misura gravimetrica
Esistono 2 soluzioni possibili:
Sensori di elevata qualità rispetto alla durata della missione
Affiancare un sistema ausiliario di misura assoluta dell’assetto
Stima dell’assetto misurando l’orientamento del vettore gravità terrestre
Misura assoluta: può “resettare” l’integrazione dei giroscopi
Ma risente di ogni accelerazione dinamica impressa al velivolo
X
AX
Pitch

− Ax

θ ( t ) = a tan
 A 2 +A 2
y
z

Roll
ϕ( t ) = a tan
AY
Y
g
AZ





 Ay 

A 
 z 
Z
15
Stand-by display con sensori allo stato solido
Assetto: approcio complementare
Si è adottato un approccio multisensore in cui le due triadi
ortogonali di sensori inerziali MEMS forniscono delle misure
dell’assetto dinamicamente complementari:
Giroscopi: segnale veloce da integrare nel breve periodo
Accelerometri: riferimento di lungo termine (bassa
frequenza
Si pone il problema
di trovare lo
strumento migliore
per fondere le due
sorgenti di dati
16
Stand-by display con sensori allo stato solido
Aspetti critici della miscelazione dei dati
Si è optato per un:
Filtro di Kalman (ottimo)
Coseni direttori
ATTITUDE PARAMETERIZATIONS
In letteratura molteplici proposte di:
Algoritmi di fusione
Parametrizzazioni
DATA BLENDING TECHNIQUES
WAHBA’S
PROBLEM
KALMAN
FILTER
COMPLEM.
FILTER
EULER
ANGLES
QUATERNIONS
DIRECTION
COSINES
Aspetti critici nel trade-off tra prestazioni e peso computazionale:
Dimensioni (numero variabili di stato)
Implementazione embedded
Tuning dei parametri
Definizione delle procedure di calibrazione
17
Stand-by display con sensori allo stato solido
Il filtro di Kalman
Algoritmo ricorsivo che fornisce la stima (ottima) delle variabili di
stato x(t) di un sistema dinamico lineare a partire dalla misure
(rumorose) delle sue uscite y(t).
Mismodeling – Unknown inputs
• Filtro digitale basato sullo
schema predittore correttore.
• Richiede la formulazione conoscenza di un modello
del sistema osservato ed
una sua caratterizzazione
statistica.
• La grandezza deve essere
osservabile.
18
Stand-by display con sensori allo stato solido
System
Measurement
Kalman Filter
Replica predictor
Taratura del filtro tramite simulazioni
Taratura preliminare dei parametri di miscelazione:
25
100
Kalman Filter Estimate
Gravimetric Estimate
Complementary Filter
Reference Trajectory
R oll Angle [°]
60
40
High Dynamical State
20
0
10
5
High Dynamical State
15
P itch A ng le [°]
80
Kalman Filter Estimate
Gravimetric Estimate
Complementary Filter
Reference Trajectory
20
0
-5
-10
-20
-15
-40
400°/s step
-60
0
500
1000
1500
-20
-25
2500 0
2000
500
1000
1500
2000
Samples
Samples
Errore statico inferiore alla specifica
Buona risposta al transitorio rispetto alla reiezione del rumore
L’accuratezza dinamica definitiva dipende dal profilo di volo
19
Stand-by display con sensori allo stato solido
Panoramica del sistema: hardware e software
Accelerom.
X Axis
A
D
C
Accelerom.
Y Axis
T
X
Accelerom.
Z Axis
R
X
Remote
Gyro
X Axis
A
D
C
Gyro
Y Axis
Calib.
+
Data
Fusion
T
X
Roll
PC-Based Elaboration
Gyro
Z Axis
ANALOG
20
Pitch
Stand-by display con sensori allo stato solido
DIGITAL
2500
Misure: risoluzione angolare
Per entrambe le unità la risoluzione
angolare ottenuta è migliore di 0.1°.
21
Bussola
-90.6
-90.7
-90.8
-90.9
Heading [°]
Roll Angle [°]
Assetto
8.0
7.9
7.8
7.7
7.6
7.5
7.4
7.3
7.2
7.1
7.0
6.9
6.8
6.7
6.6
6.5
500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700
Time [s]
-91.0
-91.1
-91.2
-91.3
-91.4
-91.5
-91.6
180
200
220
240
260
Time [s]
280
300
320
Stand-by display con sensori allo stato solido
Misure di accuratezza: calibrazione
L’accuratezza statica complessiva nella stima dell’assetto è affetta da:
Errori dovuti agli offset e al disallineamento di montaggio
Loro deriva termica
Si è elaborata ad attuata una procedura di calibrazione che ha
permesso di ottenere un’accuratezza di ± 0.5°.
3.0
2.5
Errore Residuo Rollio [°]
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Limite accuratezza
-0.5
-1.0
2.0
-1.5
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Angolo di Rollio [°]
22
Stand-by display con sensori allo stato solido
Raw Data
Offset Comp.
Calibrated
1.5
Errore Residuo Beccheggio [°]
Raw Data
Offset Comp.
Calibrated
1.0
0.5
0.0
Limite accuratezza
-0.5
-1.0
singolarità
-1.5
-2.0
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Angolo di Beccheggio [°]
Misure di accuratezza: stabilità termica
VOUT = 2SA + ∆VOS
Per contrastare la sensibilità degli offset degli
accelerometri alle variazioni di temperatura
ricorrendo ad un unico passo di calibrazione a
temperatura ambiente si è scelta una lettura
differenziale per ogni canale, ottenendo un drift
complessivo pari al solo mismatch tra i sensori.
_
+
A
Acc 1
Acc 2
0.25
0.3
Deriva Angolo di Beccheggio [°]
0.20
Deriva Angolo di Rollio [°]
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
Z down
Z down
Z down
Y down
Y up
Z down
Z down
Y down
Y up
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
-0.4
-40 -30 -20 -10 0
-0.15
-40 -30 -20 -10 0
10 20 30 40 50 60 70
Temperatura [°C]
Temperatura [°C]
23
10 20 30 40 50 60 70
Stand-by display con sensori allo stato solido
Test dinamici vibrazionali 1/2
Verifica sperimentale su tavolo
vibrante del comportamento del
sistema sollecitato con vibrazioni di
varia intensità/spettro (standard):
Adeguatezza e sopravvivenza
Funzionalità
4
Degrado delle prestazioni
3,5
Filtraggio e cross-talk
3
Risonanze dei MEMS e
2,5
STD [°]
meccaniche (montaggio,
supporti, colonnine)
2
1,5
1
0,5
Test passato !
Ottimizzazione meccanica
24
Stand-by display con sensori allo stato solido
0
0
1
2
3
4
5
Intensità vibrazioni [g,RMS]
6
7
Test dinamici vibrazionali 2/2
Frequency
Amplitude
Filtraggio 100Hz
25
Stand-by display con sensori allo stato solido
Test dinamici rotazionali
Sollecitazioni rotazionali:
Adeguatezza e sopravvivenza
Funzionalità
Degrado delle prestazioni
Filtraggio e cross-talk
3
dVout gyro [V]
2,5
2
1,5
Test passato !
1
0,5
0
0
100
200
300
Velocità angolare [°/sec]
26
Stand-by display con sensori allo stato solido
400
500
600
Sensori di campo magnetico
Tecnologie allo stato solido disponibili e adatte alla misura del
campo magnetico terrestre (0.2 - 0.6 Gauss):
(micro)Fluxgate
Effetto Hall
Magnetoinduttivi
Magnetoresistivi
unici ad avere raggiunto una maturità industriale adatta
M
θ
j
j
-
e
e
θ = 90° ρ bassa
27
M
-
θ = 0° ρ elevata
Stand-by display con sensori allo stato solido
Bussola magnetica: architettura
REMOTE MAGNETOMETER
X Axis Field Sensor
Y Axis Field Sensor
Z Axis Field Sensor
COMPASS
HEADING
ADC
ADC
T
X
R
X
ADC
DIGITAL
ELABORATION
TRIGONOMETRIC
LOOK-UP TABLE
ANALOG
DECLINATION
CORRECTION
DIGITAL
SIGNAL
CONDITIONING
Roll & Pitch
from Attitude SubSys.
Remote Positioning
Length: 20 m
 Hy
 Hx
ψ = a tan



Per tilt-compensation necessarie:
Misura tridimensionale
Informazioni di assetto
28
CALIBRATION
PROCEDURE
MAGNETIC
HEADING
Stand-by display con sensori allo stato solido
Pilot Adjustment
Look-Up Table
TRUE
HEADING
AZIMUTH
[°]
Bussola magnetica: soluzioni circuitali
Per contrastare le non idealità dei sensori si sono adottate particolari
topologie circuitali:
1. Filtraggio lock-in per ridurre l’incidenza dell’offset:
2. Anello di reazione elettromagnetica per ridurre la dipendenza
termica del guadagno:
29
Stand-by display con sensori allo stato solido
Bussola magnetica: misure di accuratezza
Calibrazione
Correzione delle distorsioni da
ferri duri e dolci tramite manovra
di swinging (12 punti):
δ (ψ ) = A + B sin(ψ ) + C cos(ψ ) + D sin( 2ψ ) + E cos( 2ψ )
8
48.4
Interpolante armonica
Deviazione angolare δ(α)
48.0
6
47.8
5
47.6
4
47.4
3
2
1
Errore residuo: 0.3°
Massima deviazione consentita
47.2
47.0
Anello aperto
46.8
46.6
46.2
-1
-180-150-120 -90 -60 -30 0
Anello chiuso
46.4
0
30
48.2
Prua [°]
Deviazione [°]
7
Stabilità termica
Confronto sperimentale delle
due configurazioni operative:
ad anello chiuso la deviazione
è inferiore a 0.1°
30 60 90 120 150 180
Prua [°]
Stand-by display con sensori allo stato solido
46.0
-30 -20 -10
0
10 20 30 40 50 60 70 80
Temperatura [°C]
Conclusioni e prospettive future
Si è illustrata la progettazione di un sistema AHRS quale cuore
di uno stand-by display di nuova generazione.
Le prestazioni verificate sperimentalmente con test statici:
Risoluzione angolare: 0.1°
Accuratezza: 0.5°
sono garantite su tutto l’intervallo termico operativo (-40°÷71°C)
Sono in corso di sviluppo e programmati per il futuro:
Realizzazione dei test dinamici in volo
Conclusione sviluppo dell’unita dati aria
Integrazione del sistema
31
Stand-by display con sensori allo stato solido
Bibliografia
• M. Kayton and W. R. Fried, Avionics Navigation Systems, II
Ed. John Wiley & Sons, New York (1997)
• M. J. Caruso (Honeywell), “Application of Magnetoresistive
Sensors in Navigation Systems”, Sensors and Actuators, SAE
SP-1220, pp. 15-21, February (1997)
• N. Maluf, “An Introduction to Microelectromechanical Systems
Engineering”, Artech House Publishers
32
Stand-by display con sensori allo stato solido
Grazie per l’attenzione!
[email protected]
33
Stand-by display con sensori allo stato solido