Lo sviluppo di sofisticate soluzioni per sistemi di riferimento di dati aerei, assetto e rotta (ADAHRS) è fondamentale per garantire una navigazione accurata e la sicurezza nei sistemi aerei con e senza pilota. Per creare progetti ADAHRS robusti e affidabili, gli sviluppatori necessitano di componenti in grado di affrontare molteplici sfide nella progettazione dei sistemi di navigazione avionica, tra cui la precisione dei sensori, la resilienza ambientale e l'integrazione del sistema.
Questo articolo descrive come i moduli di acquisizione dati di precisione e le unità di misura inerziale (IMU) di Analog Devices affrontano queste sfide e semplificano lo sviluppo di soluzioni ADAHRS efficaci.
La sicurezza aerea si basa 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 pilota (UAS) agli aerei passeggeri pesanti. In linea con i miglioramenti aerodinamici degli aerei, le capacità dei sistemi avionici si sono evolute dal tradizionale "pacchetto da sei" di strumenti di volo del pilota basati su bussole magnetiche, giroscopi meccanici e strumenti di volo azionati dal vuoto, a sistemi di strumenti di volo elettronici con display grafico sempre più sofisticati (EFIS ) “cabine di vetro”.
Alla base dell'EFIS, l'ADAHRS integra le capacità di un computer di dati aerei e di un sistema di riferimento di assetto e rotta (AHRS) necessario per integrare gli aiuti alla navigazione del sistema satellitare di navigazione globale (GNSS) a lungo raggio, come il sistema di posizionamento globale (GPS) degli Stati Uniti. e il sistema di aumento dell'area terrestre associato al GPS (WAAS). Il computer dei dati aerei calcola l'altitudine e la velocità verticale, aerea e terrestre utilizzando le misurazioni della pressione atmosferica e della temperatura dell'aria esterna. Per fornire i dati sull'assetto dell'aereo (beccheggio, rollio e imbardata) e sulla rotta necessari per la navigazione stimata nella navigazione inerziale, l'ADAHRS si basa su una combinazione di giroscopi per i cambiamenti nella velocità angolare, accelerometri per i cambiamenti nella velocità lineare e magnetometri per la direzione magnetica. . Progressi nel sensore la tecnologia hanno cambiato radicalmente la natura di questi sensori critici.
In passato, i giroscopi complessi 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 sistemi microelettromeccanici avanzati (MEMS) fornisce agli sviluppatori una tecnologia in grado di soddisfare i requisiti di diverse piattaforme aeronautiche (Figura 1).
Oltre a giroscopi, accelerometri e magnetometri, la funzionalità ADAHRS dipende anche da flussi di dati affidabili provenienti da sensori che segnalano 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 del governo della ruota anteriore. Sensori aggiuntivi forniscono dati essenziali sulle prestazioni del motore e sul carburante necessario per i sistemi di informazione del motore, nonché sulla temperatura dell'abitacolo, sulla pressione e sui livelli di ossigeno.
Una combinazione di moduli di acquisizione dati di sensori ad alte prestazioni e IMU MEMS di Analog Devices fornisce agli sviluppatori i componenti critici necessari per fornire soluzioni avioniche con caratteristiche di affidabilità, precisione, dimensioni e costi che ne consentono l'applicazione su tutta la gamma di sistemi di volo dell'aviazione.
Applicazione di moduli di acquisizione dati di sensori e IMU nell'avionica moderna
Per acquisire dati dall'ampia gamma di sensori in qualsiasi piattaforma di volo, i moduli di acquisizione dati ad alte prestazioni offrono una gamma di capacità prestazionali per ciascuna modalità di sensore e requisito funzionale. Con la sua catena di segnali di precisione µModuli Solutions, Analog Devices integra sottosistemi comuni di elaborazione del segnale, inclusi blocchi di condizionamento del segnale e convertitori analogico-digitale (ADC) in un dispositivo SIP (system-in-package) compatto per risolvere difficili sfide di progettazione. I μModule incorporano inoltre i componenti passivi critici con caratteristiche di deriva e adattamento superiori, realizzati utilizzando la tecnologia iPassive® di Analog Devices, che riduce al minimo le fonti di errore dipendenti dalla temperatura e semplifica la calibrazione mitigando al contempo le sfide termiche. La significativa riduzione dell'ingombro della soluzione consente l'aggiunta di più canali/funzioni per strumenti aeronautici scalabili che richiedono precisione e stabilità rispetto alla temperatura e al tempo. I µModule semplificano la distinta base (BOM) della catena del segnale, riducono la sensibilità delle prestazioni ai circuiti esterni, abbreviano i cicli di progettazione, riducendo quindi il costo totale di proprietà.
Progettati per soddisfare i severi requisiti di acquisizione dati, i μModule ADAQ4003 e ADAQ23878 di Analog Devices integrano un amplificatore driver ADC completamente differenziale (FDA, Figura 2) con un array di resistori adattati con precisione dello 0.005%, un buffer di riferimento stabile e un'approssimazione successiva a 18 bit ADC di registro (SAR), in grado di fornire rispettivamente prestazioni di 2 megacampioni al secondo (MSPS) e 15 MSPS.
Combinando un dispositivo di acquisizione dati μModule come ADAQ4003 con un amplificatore strumentale a guadagno programmabile completamente differenziale (PGIA), come LTC6373 di Analog Devices, gli sviluppatori possono implementare una soluzione semplice per molti dei complessi requisiti di rilevamento dei sistemi aeronautici.
Come notato in precedenza, i sensori basati su MEMS offrono una soluzione efficace per fornire i dati critici richiesti per la funzionalità ADAHRS. Integrando giroscopi triassiali MEMS e accelerometri triassiali con sensori di temperatura e altri blocchi funzionali, le IMU con sei gradi di libertà, come l'IMU MEMS miniaturizzato di precisione ADIS16505 di Analog Devices e il sensore inerziale di livello tattico ADIS16495, forniscono il set completo di funzionalità necessarie per semplificare sviluppo di sottosistemi avionici (Figura 3).
Combinati nell'ADAHRS, questi sistemi possono fornire i componenti essenziali dei sistemi di navigazione inerziale in grado di fornire la rotta richiesta verso la destinazione desiderata anche senza aiuti alla navigazione satellitare o terrestre. Come qualsiasi dispositivo prodotto, i dispositivi basati su MEMS sono soggetti a diverse fonti di limitazioni prestazionali che possono ridurre la precisione della navigazione computerizzata. Ad esempio, le inevitabili variazioni nella produzione, nelle fonti di rumore interno e negli effetti ambientali limitano la precisione di un giroscopio MEMS.
I produttori documentano gli effetti sulle prestazioni di queste variazioni in numerose specifiche dei parametri delle schede tecniche. Tra queste specifiche, i parametri di sensibilità, non linearità e bias possono avere un impatto diretto sulla precisione ADAHRS. Nei giroscopi, la sensibilità limitata (risoluzione della misurazione della velocità angolare) può causare errori di rotta (Ψ) e errori di posizione (de) durante le virate (Figura 4, a sinistra); la risposta non lineare (deviazione dalla risposta lineare ideale) può provocare errori simili dopo una serie di manovre come le virate a S (Figura 4, al centro); e la polarizzazione del giroscopio provoca una deriva nella direzione e nella posizione anche durante la crociera (volo rettilineo e livellato senza accelerazione) (Figura 4, a destra).
Gli errori di polarizzazione derivano dal disallineamento di ciascun asse del giroscopio rispetto agli altri assi o al pacchetto, da errori di ridimensionamento e dalla risposta errata del giroscopio all'accelerazione lineare come rotazione dovuta ad asimmetrie nella fabbricazione del MEMS. Per le IMU ADIS16505 e ADIS16495, Analog Devices determina i fattori di correzione del bias specifici per ciascun dispositivo testandoli a diverse velocità di rotazione e temperature. Questi fattori di correzione del bias specifici della parte vengono archiviati nella memoria flash interna di ciascuna parte e applicati durante l'elaborazione del segnale 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. Il grado in cui tempi di campionamento più lunghi riducono il rumore è descritto nel grafico della deviazione di Allan (o varianza di Allan) di un foglio dati del giroscopio, che visualizza il rumore in gradi all'ora (°/ora) rispetto al periodo di integrazione (τ) (Figura 5).
Il minimo del grafico della deviazione di Allan rappresenta il caso migliore per la deriva del giroscopio nel tempo, un parametro chiamato stabilità del bias in-run (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 un'IMU fornisce un parametro essenziale per comprendere le migliori prestazioni possibili con quella parte. Gli esperti di giroscopi classificano le IMU come ADIS16495 di Analog Devices come “grado tattico” quando i valori IRBS del loro giroscopio sono compresi tra 0.5° e 5.0°/ora.
L'ADIS16495 presenta specifiche rigorose su molteplici parametri vitali per soddisfare le applicazioni tattiche più esigenti. A supporto delle sue prestazioni migliorate, ADIS16495 integra una coppia di giroscopi MEMS e una catena di segnali di campionamento dedicata a 4100 hertz (Hz) per ciascuno dei suoi tre assi (Figura 6).
I campioni di ciascuna catena di segnali vengono quindi combinati utilizzando una frequenza di campionamento separata di 4250 Hz (fSM) per fornire una misurazione della velocità angolare che riduce l'effetto del rumore. La combinazione di questo metodo di campionamento con specifiche prestazionali più rigorose si traduce in un'IMU in grado di soddisfare i requisiti avionici più esigenti.
Sviluppo ed esplorazione rapidi di progetti basati su IMU
Per velocizzare lo sviluppo di progetti basati sulle IMU, Analog Devices fornisce un set completo di strumenti di sviluppo. Progettato per supportare la scheda di valutazione IMU EVAL-ADIS-FX3 (Figura 7) e le schede breakout associate, lo stack software FX3 di Analog Devices comprende un pacchetto firmware, un'interfaccia di programmazione dell'applicazione (API) compatibile con .NET e un'interfaccia utente grafica ( GUI). Una libreria wrapper fornita con l'API consente agli sviluppatori di lavorare con qualsiasi ambiente di sviluppo che supporti .NET, compresi quelli per MATLAB, LabView e Python. Durante lo sviluppo, la GUI di valutazione FX3 consente agli sviluppatori di leggere e scrivere facilmente registri, acquisire dati e tracciare i risultati in tempo reale.
Conclusione
Le soluzioni avioniche ADAHRS costituiscono il cuore degli EFIS in evoluzione. 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 sono state oltre la portata di tutti tranne che delle più grandi flotte di aerei commerciali. Utilizzando i moduli di acquisizione dati e le IMU altamente integrate di Analog Devices, gli sviluppatori di avionica possono progettare soluzioni più piccole e convenienti per soddisfare i rigorosi requisiti di funzionalità, sicurezza e affidabilità nei sistemi aeronautici.