Introduzione
Conoscere l’esatta posizione di un oggetto sulla terra è sempre stato un desiderio dell’uomo, oggi più che mai. Per applicazioni outdoor, tipo la navigazione o le misure geodetiche, esiste il GNSS ( Global Navigation Satellite System). Con ricevitori molto sofisticati e soprattutto molto costosi è possibile determinare l’esatta posizione di un oggetto sulla terra con una elevata precisione ( fino a pochi centimetri). Purtroppo i ricevitori accessibili alla stragrande maggioranza degli utenti hanno delle prestazioni molto meno esaltanti, con un errore che può raggiungere nei casi peggiori anche i 100 m. Inoltre tale sistema ha un funzionamento ottimo solo nel caso in cui vi sia la line-of-sight , ossia visibilità ottica tra il ricevitore e almeno 4 satelliti. E’ semplice intuire che in molte situazioni il sistema satellitare non è utilizzabile, per esempio nelle grandi città dove, a causa della presenza di edifici spesso molto alti, si ha difficoltà a ricevere un segnale ottimo. Un altro limite che presenta il sistema satellitare è il basso rate di aggiornamento, che nei casi più comuni non supera 1 Hz ( un aggiornamento al secondo). Questo secondo limite ci induce a pensare che il sistema satellitare non sia ottimo in molte condizioni in cui sia richiesto un alto rate di aggiornamento ( veicoli senza pilota, missili, aerei, misuratori di prestazioni etc.). Inoltre spesso non si desidera solo la posizione di un oggetto, ma anche la sua velocità o il suo assetto. Tutte queste considerazioni sui limiti del sistema satellitare ( che di qui in poi chiamerò GPS data la sua rilevanza rispetto ai concorrenti Europei/Russi) ci inducono a cercare un sistema alternativo per ovviare a tali limitazioni. Il Sistema di Navigazione Inerziale (INS) si è dimostrato uno dei sistemi più efficaci per tale scopo. Basandosi su sensori ( prevalentemente accelerometri e giroscopi) e sulle leggi di Newton del moto fornisce posizione, velocità e assetto di un corpo se è nota la sua posizione iniziale. A differenza del GPS il rate dei sensori può superare i 100 Hz fornendo quindi una maggiore risoluzione del moto. I sensori inerziali vengono definiti Dead Reckoning poiché il valore corrente dello stato è ottenuto per mezzo di un incremento relativo dello stato precedente. Ciò comporta un accumulo di errori nel tempo (errori tipo il bias dei sensori o il rumore di bassa frequenza ) che causa una deriva dalla posizione reale che aumenta proporzionalmente al passare del tempo. Da questa sintetica descrizione si evince che il GPS e l’INS sono due sistemi complementari e che quindi per incrementare
la precisione nella stima della posizione si debbano utilizzare contemporaneamente. Dunque il sistema GPS deve aiutare il sistema INS per quanto riguarda la correzione degli errori interni e l’inizializzazione della posizione, e l’INS deve sopperire agli outages del GPS ed al suo basso rate.
Questa soluzione è stata studiata per la prima volta negli anni sessanta ed è sempre stata considerata la soluzione più appropriata. L’unico svantaggio che ha sempre avuto è stato il costo di realizzazione dei sensori. Basti pensare che un sistema con un errore di 30 m / min negli anni ottanta costava più di 100.000 $.
Fortunatamente negli anni novanta sono stati introdotti i sensori MEMS ( Micro Electro Mechanical System). L’introduzione dei MEMS ha portato una svolta nell’utilizzo dei sistemi INS visto il prezzo molto contenuto e il minimo ingombro di tali sensori. Lo scopo di questa tesi è lo studio di un sistema di integrazione che utilizzi congiuntamente il sistema INS e il sistema GPS con l’obiettivo di ottenere una stima accurata della posizione e della traiettoria di un veicolo. Dopo aver presentato i sistemi separatamente si presentano le varie alternative plausibili per la loro integrazione. Si passa successivamente all’implementazione di un algoritmo che realizza tale integrazione utilizzando un ambiente di sviluppo di tipo ANSI C. Infine si riportano i risultati ottenuti dalle prove effettuate per mezzo di tale algoritmo .
La tesi è stava svolta pressa la Merlino Technology S.r.l. situata in via Tiengo a Benevento, di cui si darà breve presentazione nelle pagine seguenti.
