SYSTEM FOR ATTITUDE DETERMINATION

Sistema per il controllo di
assetto e direzione
AHRS M2
AHRS M2-M
Manuale dell’utente
Maggio, 2010 Revisione 0
2010,
Contenuti
Descrizione
1
Lista delle Figure
Figura 1.1. Piattaforma AHRS ADM-E2-M ...........................................................................5
Figure 1.2. Cavi .....................................................................................................................6
Figure 1.3. Tubo di protezione ..............................................................................................7
Figure 1.4. Adattatore AC/DC...............................................................................................7
Figure 2.1. Piattaforma ADM-E2-m con coordinate .............................................................7
Figure 2.2. Diagramma operativo della piattaforma ............................................................9
Figure 4.1. Superficie di montaggio della piattaforma ........................................................14
Figure 4.2. Disegni di ingombro della piattaforma .............................................................15
Figure 4.3. Esempi di montaggio della piattaforma ............................................................17
Figure 5.1. 5-Connessioni ...................................................................................................18
Figure 5.2. Connessione della piattaforma al computer ....................................................19
Figure 5.3. Cavo di interfaccia della piattaforma al computer e all’ alimentatore
20
Figure 5.4. Connettore cavo interfaccia .............................................................................20
Figure 5.5. Indicatori visivi della piattaforma inerziale .......................................................21
Figure 8.1. Guarnizioni della piattaforma inerziale .............................................................34
Lista Tabelle
Тable 3.1. Specifiche tipiche della piattaforma ADM-E2-M ................................................11
Тable 5.1. Connessioni connettore .....................................................................................18
Table 5.2. Specifiche elettriche ..........................................................................................18
Table 6.1. Parametri della porta Com .................................................................................22
Тable 6.2. Struttura blocco parametri per il carico della piattaforma con il comando
LoadBlockPar 25
Тable 6.3. Struttura del blocco di parametri letto con il comando ReadBlockPar...............26
Тable 6.4. Struttura del blocco di parametri letto con il comando GetVerFirmware .........26
Тable 6.5. Formato dati full (comando AHRS1) .................................................................27
Тable 6.6. Orientazione + formato dati (comando AHRS2) ..............................................27
Тable 6.7. Formato dei quaternioni (Comando AHRS3) ...................................................28
Тable 6.8. Orientazione e formato output dei sensori (comando AHRS4) ........................28
Table 6.9. Descrizione delle parole di stato.........................................................................29
Table 7.1. Configurazione PC ..............................................................................33
1. INTRODUZIONE
1.1. DESCRIZIONE DEL SISTEMA
Il sistema
Il sistema AHRS di (Attitude and Heading Reference System – Sistema di riferimento per
assetto e direzione) è progettato per misurare gli angoli di Eulero (direzione, rollio e
beccheggio) in ambiente statico e dinamico. Consiste di tre giroscopi, tre accelerometri e
tre magnetometri con un sistema di controllo interno della alimentazione ed un
microcomputer embedded. L’apposito algoritmo è usato per processare i dati in uscita dai
sensori sopra citati per ottenere una indicazione di assetto e direzione estremamente
accurati. AHRS è un sistema in grado di fornire con una come output digitale un
indicazione molto rapida di orientazione nello spazio. Può trasmettere indicazione dei
valori degli angoli sopra citati relativi ad un corpo cui è collegato fino ad una frequenza di
campionamento di 100 sample/s. La trasmissione dei dati avviene tramite una
comunicazione seriale bidirezionale RS-232 o USB (con un convertitore COM-to-USB). La
frequenza di campionamento può essere scelta dall’utente tra i valori di 1 Hz fino a 100Hz
(valore di default).
Fig 1.1 AHRS
1.2. Contenuto
In aggiunta al vostro AHRS dovrete possedere:
a. Un set di cavi che consiste di (vedere fig 1.2 sotto) :
Cable 1
COM-to-USB converter
Figure 1.2
a. Cavo 1 che fornisce la connessione elettrica tra AHRS ed un ricevitore
esterno tramite la porta COM ed una alimentazione;
b. Convertitore COM-USB FTDI FT232BM che fornisce la connessione con un
ricevitore esterno tramite la porta USB;
b. Copertura tubolare di protezione (vedere figura 1.3 sotto) che può essere avvitato al
connettore di AHRS per prevenire danni di carattere meccanico;
Figura 1.3
c. Adattatore AC/DC intercambiabile che consente di usare le spine USA o EUR.
L’adattatore è usato per alimentare AHRS da sorgenti 110-240V, 50-60 Hz (vedere
figura 1.4);
Figura 1.4
d. Un mini-cd con il software per AHRS: il software consente di visualizzare
immediatamente gli output del dispositivo su PC che utilizzino il sistema operativo
Microsoft Windows e salvare i dati sull’Hard Disk.
e. Il manuale dell’utente che contiene informazioni di grande utilità inerenti il
montaggio e la connessione del AHRS e l’utilizzo del demo software in dotazione
per la visualizzazione ed il salvataggio degli output di AHRS.
f. Il manuale per l’utente del programma demo “AHRS demo” che contiene
informazioni di grande utilità per la visualizzazione dei valori di angolo forniti in
uscita da AHRS ed il salvataggio di tali dati.
2 AHRS: principio di funzionamento
2.1 DESCRIZIONE DEGLI ANGOLI DI ORIENTAZIONEFORNITI DA AHRS
La figura 2.1 mostra il sistema di coordinate O-XYZ proprio del sistema AHRS .
Questo sistema di coordinate è fisso per il corpo ed indica il sistema di coordinate
derivato dalla calibrazione dei sensori. Gli errori di ortogonalità tra gli assi del
sistema di coordinate indicato sopra è inferiore a 0,01°.
Fig 2.1 AHRS con il sistema di coordinate fisso
L’angolo di rollio di AHRS è 0 quando l’asse X è orientato orizzontalmente e l’asse
Z è nell’emisfero superiore. Se l’asse X è orizzontale e l’asse Z nell’emisfero
inferiore l’angolo di rollio è 180°. Se l’asse Z è orientato orizzontalmente e l’asse X
nell’emisfero inferiore l’angolo di rollio è uguale a 90°.
L’angolo di beccheggio di AHRS è 0° quando l’asse Z è rivolto verso l’alto od il
basso. Se l’asse Y è rivolto verso il basso allora l’angolo di beccheggio è - 90°.
L’angolo di direzione di AHRS ha come riferimento il nord magnetico ed è zero
quando la proiezione dell’asse Y su un piano orizzontale è orientata a Nord. Se tale
proiezione è orientata ad est allora l’angolo di direzione è uguale a 90°. Così la
direzione è positiva nel caso di una rotazione oraria attorno all’asse verticale. Gli
angoli misurati corrispondono alla classica terna di rotazione di Eulero (Est – Nord Alto) con prima la direzione, secondo il beccheggio, terzo il rollio.
Gli angoli di orientazione non sono limitati e possono variare all’interno dei range
comuni:
1. Direzione 0 +/- 360°;
2. Beccheggio +/- 90°;
3. Rollio +/- 90°.
2.2 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI AHRS
AHRS consente di misurare gli angoli di Eulero (Direzione rollio e beccheggio) di un
oggetto in un ambiente statico o dinamico. Il sistema AHRS è un sistema di
misurazione che consiste in 3 giroscopi, 3 accelerometri e 3 magnetometri. Tutti gli
angoli dei sensori sono allineati con gli angoli di AHRS. L’uso di giroscopi a 3 assi,
accelerometri e magnetometri consente di effettuare una misurazione completa
degli angoli di orientazione di un oggetto qualsiasi. Si faccia riferimento alla figura
2.2 per un diagramma funzionale del sistema AHRS.
Fig. 2.2 diagramma funzionale dell’ AHRS
AHRS usa dei giroscopi per misurare la velocità angolare assoluta del vettore,
quindi i suoi angoli di orientazione (direzione, rollio e beccheggio) possono essere
ottenuti usando una apposita modalità di integrazione delle uscite dei giroscopi. Gli
accelerometri sono usati per avere idea dell’assetto iniziale di AHRS e per
correggere la deriva dei giroscopi nella misurazione degli angoli di rollio e
beccheggio.
I magnetometri sono usati per determinare l’allineamento direzionale iniziale di
AHRS e per correggere le derive del giroscopio nella determinazione dell’angolo di
direzione.
AHRS ha un algoritmo che rende possibile, grazie alla misurazione della gravità,
(con gli accelerometri) del nord magnetico (con magnetometri) la compensazione
degli errori (diversamente non correggibili) dati dalla velocità angolare di rotazione.
In tale modo si riscontra l’effettivo vantaggio che caratterizza questo AHRS rispetto
agli altri, ovvero la presenza di giroscopi che consentono la determinazione degli
angoli di orientazione con una alta precisione non solo in condizioni statiche ma
anche dinamiche. Inoltre AHRS fornisce un output ad alta frequenza di risposta
(fino a 100Hz).
La base dell’algoritmo AHRS è un filtro adattivo Kalman che è usato per la stima
della deriva dei giroscopi ed il calcolo di direzione,rollio e beccheggio stabilizzati. Il
filtro di Kalman corregge automaticamente nel caso di cambiamenti nelle condizioni
dinamiche senza che vi sia bisogno di intervento esterno.
A seguito della accensione il sistema AHRS richiede approssimativamente 60s per
il processo iniziale di allineamento. In questa posizione iniziale gli angoli sono
determinati come condizioni iniziali per l’integrazione delle uscite dei giroscopi.
Anche le derive dei giroscopi sono calcolate usando il filtro di Kalman per la
compensazione successiva.
Per questo motivo si prega NON MUOVERE il dispositivo AHRS nel corso del
processo di allineamento iniziale. Qualora questo consiglio venga disatteso si
possono verificare grossolani errori durante la determinazione iniziale degli angoli.
Visto che AHRS usa dei sensori magnetici per determinare la direzione, fornisce in
modo diretto solo la direzione rispetto al Nord magnetico. AHRS può anche fornire
la direzione rispetto al Nord reale quando la declinazione magnetica corretta è
fornita come input. La declinazione, chiamata anche variazione magnetica, è la
differenza tra il Nord reale e quello magnetico, relativa ad un punto dato della terra.
Gli angoli di declinazione variano lungo l’intero pianeta e sono soggetti a lievi
variazioni nel tempo.
L’angolo di declinazione può essere inserito direttamente nel software usando un
comando apposito (vedere tabella 6.2 oggetto 6.2). Per fare ciò l’angolo dovrebbe
esser noto o calcolato usando il SW
(vedere AHRS demo program, manuale
dell’utente, sezione 4, menù opzioni).
Da informazioni ulteriori inerenti la latitudine, longitudine, altitudine e data, il SW
AHRS calcola la declinazione usando il modello magnetico del Globo generato dall’
U.S. National Geophysical Data Center e dal British Geological Survey
(http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/WMM/DoDWMM.shtml).
Il modello magnetico citato è quello standard usato da: US Department of Defense,
UK Ministry of Defense, North Atlantic Treaty Organization (NATO), e World
Hydrographic Office (WHO) per temi connessi alla determinazione di assetto e
direzione dei propri vettori.
3 SPECIFICHE TECNICHE
Тabella 3.1. caratteristiche di AHRS
Parametro
Unità
Modello: AHRS
Rate di aggiornamento
Tempo di warm-up (1)
Range di misura (complete in 3D)
Hz
s
deg
1...100 (configurabile dall’utente)
60
0...360 direzione ±90 beccheggio ±180
rollio
Massima velocità angolare
Precisione statica in condizioni normali
deg/s
deg
±300
< 0.3 (2) < 0.1
deg
< 0.5 (2) < 0.3
Direzione
Rollio e beccheggio
1
Precisione statica nel range di temperature
operativo
Direzione
Rollio e beccheggio
Precisione dinamica
deg
RMS
0.7 0.4
Rumore uscita (dev std) a 100 Hz
deg
RMS
0.03 (direzione)
Ampiezza di banda sensori (4)
Range di temperatura operativo
Hz
deg C
40
-40 to +70
Dimensioni
mm
109 x 31 x 29 (custodia) 127 x 31 x 29
Peso
Alimentazione:
Consumo di corrente
kg
V DC
A
0.19 / 0.16 (5)
+5.5 to +6.5 (6)
0.11
Direzione
Rollio e beccheggio
-1
Tempo di allineamento iniziale incluso, può essere diminuito su richiesta
(2)
In un ambiente magnetic omogeneo, per latitudini fino a ±65 deg;
(3)
RMS (1 sigma) può dipendere dal tipo di movimento
(4)
-3 dB level;
(5)
Funzione del material ostituente la custodia
(6)
AHRS può essere alimentato con corrente AC da 100 a 240V, 50,60 Hz dall’ adattatore AC/DC fornito col dispositivo
4.INSTALLAZIONE
Questa sezione descrive il montaggio di AHRS e consente di realizzare correttamente le
connessioni elettriche.
Per una corretta installazione si prega di seguire le seguenti indicazioni:
a. Scegliere una posizione di montaggio;
b. Bloccare meccanicamente AHRS;
c. Effettuare le connessioni elettriche;
d. Valutare AHRS con il SW demo fornito a corredo.
4.1 Dove installare AHRS per i test
AHRS comprende dei magnetometri che hanno un range dinamico molto ampio ed il
sofisticato algoritmo di calibrazione permette di lavorare in molti ambienti. Tuttavia per
ottenere le performance migliori dovreste montare il dispositivo facendo attenzione a:
a. Posizionarlo lontano da fonti di campi magnetici. Il luogo dove effettuare i test non
deve comprendere materiali ferromagnetici ed il laboratorio stesso deve essere
caratterizzato da un livello intrinseco di campo magnetico ed elettromagnetico
adatto per una apparecchiatura come AHRS. Quindi:
i. All’interno ed all’esterno del laboratorio non ci deve essere nessuna
fonte potente di campi magnetici, elettrici od elettromagnetici.
L’intensità del campo magnetico non deve essere superiore a quello
terrestre se non dello 0,01%
ii. I piccoli oggetti ferromagnetici devono essere ad almeno 3 metri dal
tavolo di test mentre quelli grandi (come automobili o camion)
debbono essere ad almeno 15 m dal tavolo;
iii. È necessario effettuare un controllo della uniformità del campo
magnetico dentro il laboratorio.
È fortemente raccomandato effettuare un degauss di AHRS prima di effettuare il
test di direzione per rimuovere la magnetizzazione permanente di alcuni suoi
componenti (se accidentalmente esposti a campi magnetici intensi). Potete usare
uno smagnetizzatore manuale per effettuare tale operazione (molti dei normali
unità di degauss destinati ad apparati video od audio possono essere adatti allo
scopo). Seguire le indicazioni riportate sull’unità smagnetizzante.
b.Montare AHRS in un posto stabile. Scegliere un posto che non sia soggetto a shock
eccessivi, oscillazioni e vibrazioni. Tavole rotanti speciali debbono essere usate
per testare la precisione degli AHRS , montate su basamenti speciali che siano
liberi da oscillazioni e vibrazioni. Test di resistenza alle vibrazioni ed oscillazioni
sono condotti e portati termine separatamente dai principali test inerenti la
precisione.
4.2 Come installare AHRS su un oggetto
Prima di installare AHRS sul’oggetto, le indicazioni riportate nel paragrafo 4.1 debbono
essere scrupolosamente seguite.
AHRS deve essere installato su un oggetto il più distante possibile da fonti di forti
interferenze
magnetiche,
elettriche
ed
elettromagnetiche
e
da
grosse
masse
ferromagnetiche. Se gli effetti delle masse ferromagnetiche sull’oggetto non distorcono il
normale campo magnetico terrestre per più del 20% il SW da la possibilità di compensarne
l’effetto sulla precisione di determinazione della direzione. A tale fine è da effettuarsi una
calibrazione sul campo del dispositivo che non richiede nessun ulteriore equipaggiamento,
solo che il vettore che trasporta AHRS possa essere ruotato. Si noti che la calibrazione di
cui sopra resta efficace finché il campo magnetico che circonda AHRS resta identico,
diversamente AHRS va ricalibrato.
La calibrazione è descritta in modo completo nel manuale dell’utente del programma demo
fornito.
La procedura di calibrazione sul campo è sviluppata da sulla base del tipo di prodotto sul
quale AHRS verrà montato ed è sviluppata in accordo con il cliente.
E’ preferibile inoltre che AHRS sia montato il più vicino possibile al centro di massa
dell’oggetto; in tale posizione gli effetti delle accelerazioni sugli accelerometri durante le
oscillazioni sono ridotti e quindi gli errori di orientazione e posizionamento sono
conseguentemente ridotti.
4.3 Montaggio meccanico
La custodia ha due superfici A e B principali (vedere le figure 4.1 e 4.2) progettate per il
montaggio di AHRS durante il funzionamento ed il testing. La superficie A è caratterizzata
dalla presenze di tre fori filettati mentre la superficie B è progettata per l’allineamento
durante il montaggio. AHRS è calibrato in produzione rispetto alla superficie A così deve
esser allineato all’interno del sistema che lo ospita secondo tale superficie e non secondo
i vertici del dispositivo.
Durante il montaggi di AHRS sul vettore ospite fate attenzione all’orientazione degli assi
d’uscita “X” “Y” e “Z” (fig 2.1) il cui simbolo è inciso sulla custodia. In condizioni standard
AHRS è posizionato sul vettore ospite appoggiato sulla superficie A con l’asse Y
direzionato verso il muso del vettore. Per ottenere un valore preciso di assetto e direzione
ricordate che il montaggio è molto importante ed errori di montaggio possono generare
errori di posizionamento ed assetto.
Esistono due varianti del montaggio di AHRS sul vostro sistema:
1. Usando 4 fori filettati M2X5 sul fondo;
2. Usando 3 fori da 2,5mm sulle flange.
Nota: nel caso di AHRS con la custodia in alluminio l’utilizzo dei fori filettati non è
raccomandato (Fig.4.2, posizioni 1 – 4) per il possibile deterioramento dei filetti.
Raccomandazioni per il montaggio:
a. tolleranza di planarità 0,03mm
b. Rugosità Ra= 1,25
Figura 4.1
Figura 4.2
4.4 Varianti al montaggio relative agli assi dell’oggetto
Dal rilascio della versione 3.3.9 del FirmWare, AHRS
può essere montato in ogni
posizione relativa agli assi dell’oggetto. Questo montaggio non influenza la determinazione
dell’orientazione dell’oggetto se gli angoli di montaggio sono salvati correttamente nella
memoria non volatile di AHRS. Per salvare tali angoli si prega di usare il demo program
(vedere le indicazioni in merito sul programma di utilizzo del SW) oppure di inviare il
comando LoadBlockPar direttamente ad AHRS facendo riferimento alla sintassi del
comando indicata nella tabella 6.2 sotto riportata. Gli angoli di posizionamento di AHRS
(angoli di allineamento) sono definiti nel seguente ordine (settaggio di posizione,
beccheggio e rollio):
a. Il primo angolo di allineamento definisce la posizione dell’asse longitudinale Y di
AHRS relativo all’asse longitudinale dell’oggetto misurato nel piano orizzontale
di quest’ultimo. Il verso di rotazione orario è considerato positivo;
b. Il secondo angolo di allineamento è quello di inclinazione dell’asse longitudinale
Y relativo al piano orizzontale dell’oggetto. La direzione dal basso all’alto è
considerata positiva.
c. Il terzo angolo di allineamento è uguale all’angolo di inclinazione dell’asse
laterale X misurato attorno all’asse longitudinale di AHRS. Una rotazione
positiva comporta il movimento dell’asse X verso il basso.
Tutti gli angoli sono definiti in gradi.
Alcuni esempi del montaggio di AHRS relativo all’oggetto sono mostrati nella figura 4.3
Figura 4.3 esempi del montaggio di AHRS sull’oggetto
a. gli angoli di allineamento sono (0,0,0);
b. gli angoli di allineamento sono (0,0,180);
c. gli angoli di allienamento sono (90,0,0);
d. gli angoli di allineamento sono (0,-90,180)
Per verificare la correttezza degli angoli di allineamento si prega di fare funzionare AHRS
usando il Programma Demo.
5. CONNESSIONI ELETTRICHE
5.1. Cavi e connettori
AHRS è dotato di un connettore Binder 719 09-9789-71-05 (Maschio) per i collegamenti
elettrici al sistema ospite. La figura 5.1 illustra le uscite pin del dispositivo
Fig.5.1. Connettore di uscita maschio a 5 Pin (vista frontale)
Тabella 5.1. Pin uscita del connettore
Pin
Segnale
1
RxPC
2
GND
3
TxPC
4
VDD
5
n.c.
Тabella 5.2. Caratteristiche Elettriche
Parametro
Condizione
Alimentazione
Min
Tipico
Max
Unità
+5.5V
+6V
+6.5V
Volts DC
Corrente
VDD = +6V
110
mA
Potenza
VDD = +6V
660
mW
Per alimentare il dispositivo può essere usato l’adattatore esterno AC/DC, fornito con il
dispositivo stesso, alimentato a sua volta da una sorgente 100…240V a 50…60 Hz.
Il set di componenti a corredo include:
a. cavo per l’interfaccia COM ad un PC od altro dispositivo con cavi di derivazione per
l’alimentazione DC di AHRS;
b. adattatore AC/DC;
La figura 5.2 mostra il diagramma per la connessione elettrica tra AHRS ed un PC, con il
quale il dispositivo scambia dati attraverso la porta COM
Fig.5.2. Diagramma di collegamento di AHRS con il computer
La figura 5.3 mostra il diagramma dei collegamenti relativi al cavo di interfaccia.
Х1
5
Х3
9
Х2
2
Х 3 ( СОМ) – Female
c onnector DB-9F i n the case
Х1 – Female connector Binder 719
09- 9790-71-05
1
DCD
RxPC
1
2
Rx
TxPC
3
3
Tx
GND
2
4
DTR
VDD
4
5
SG
5
6
DSR
7
RTS
8
CTR
9
RI
Х2 ( Power)
GND
VDD
La figura 5.4 descrive I pin di uscita del connettore di interfaccia
Х1
Х2
Vdd
5 1
4
3
2
GND
5.2. Collegamento elettrico rapido per la valutazione del dispositivo
Per testare AHRS preparare l’area di test come descritto nella figura 5.2
a. Connettere il cavo 1 a AHRS e poi alla porta COM del PC (usare il cavo 1 per
collegare AHRS usando il connettore Binder 719 09-9789-71-05 (maschio) sulla
custodia di AHRS;
b. Collegare il cavo 1 all’adattatore AC/DC;
c. Fornire l’alimentazione a AHRS; a tal fine connettere l’adattatore alla rete. Il tempo
di start up è meno di due secondi. Quando la luce rossa a fianco del connettore è
accesa il dispositivo è operativo.
d. Attivare il programma demo (la luce da rossa diventerà verde)
Fig. 5.5 Luce di indicazione stato
Luce rossa: AHRS è acceso ma nessun programma è in esecuzione
Luce verde: AHRS è alimentato ed un programma è in esecuzione.
Figura 5.5 Led di stato del dispositivo AHRS
6. INTERFACCIA SOFTWARE
AHRS fornisce I dati di angolo di direzione, beccheggio e rollio come interi a 2 bytes – con
o senza segno (fare riferimento alle tabelle sotto riportate)
Dopo l’alimentazione ha luogo la inizializzazione primaria di AHRS ed il programma
principale inizia a funzionare. Il tempo di inizializzazione è non più di 1 s. Il programma
resta in attesa di comandi che possono esser trasmessi tramite la porta seriale secondo il
protocollo RS232.
Тabella 6.1. Parametri relativi alla porta COM
Parametri relativi alla porta COM
Baud rate
115200
Data bits
8
Parity
none
Stop bits
1
6.1 Modalità operative e formato dati
AHRS può funzionare secondo due modalità:
a. In attesa: tutti i sensori e l’elettronica sono accesi ed il microprocessore attende un
qualsiasi comando dal computer per iniziare ad operare in una delle modalità
indicate di seguito (in modalità attesa il led è rosso);
b. Operativo: In questa modalità AHRS fornisce in uscita ed in loop i valori degli angoli
ed altri dati funzione della modalità di output scelta (vedere di seguito). Il data rate
(velocità di aggiornamento del dato fornito) può essere scelto dall’utente tra 1Hz e
100Hz.
Sono disponibili, nella modalità “Operativo” i seguenti tipi di dati in uscita:
i.
Uscita full
ii.
Orientazione + Dati incrementali
iii.
Quaternione di orientazione
iv.
Orientazione + uscita sensori
“Uscita full”: in genere il primo è quello scelto dagli sviluppatori per avere pieno controllo
dei calcoli elaborati dal microprocessore. Questo formato può esser usato anche
dall’utente per effettuare uno scambio di informazioni con gli sviluppatori in caso di
necessità o difficoltà.
“Orientazione + Dati incrementali”: fornisce I tre angoli di orientazione (direzione,
beccheggio e rollio), e l’integrazione degli incrementi di velocità angolare, accelerazione
lineare e intensità campo magnetico. Nell’uscita questi incrementi sono divisi per la base
tempi dell’uscita così possono esser interpretati come velocità angolare media,
accelerazione lineare media e intensità media del campo magnetico per ciclo.
Del resto l’utilizzo di questo formato di dati è più idoneo in vista dell’utilizzo di AHRS come
IMU (dispositivo per la misura inerziale).
“Quaternione di orientazione”: fornisce i quaternioni di orientazione in aggiunta ai tre angoli
di orientazione
“Orientazione + uscita sensori” aggiunge agli angoli di orientazione le uscite calibrate dei 9
sensori (giroscopi, accelerometri e magnetometri) che danno informazioni in merito alle
velocità angolari, accelerazioni lineari e componenti del campo magnetico. Questo è il
formato di dato usato come default e fornisce i valori istantanei dei sensori a differenza del
formato “Orientazione + Dati incrementali” che invece fornisce i valori mediati dai 9
sensori.
6.2. Istruzioni operative per il funzionamento
Dopo l’accensione il programma è in modalità attesa. La luce rossa dell’indicatore significa
che il dispositivo è pronto e ricevere comandi dal PC. Quando AHRS passa in modalità
operativa la luce diventa verde. AHRS può immediatamente ricevere i seguenti segnali di
comando:
a.
AHRS1, AHRS2, AHRS3, AHRS4 (codice 0x80, 0x81, 0x82, 0x83)
b.
Stop;
c.
LoadBlockPar;
d.
ReadBlockPar;
e.
GetVerFirmware.
I comandi AHRS1, AHRS2, AHRS3, AHRS4 (codice 0x80, 0x81, 0x82, 0x83) sono usati
per attivare il AHRS impostandogli uno dei formati di uscita.
a. AHRS1 command, codice 0x80 Uscita full
b. AHRS2 command, codice 0x81 Orientazione + Dati incrementali
c. AHRS3 command, codice 0x82 Quaternione di orientazione
d. AHRS4 command, codice 0x83 Orientazione + uscita sensori
Dopo avere ricevuto uno dei comandi sopra riportati AHRS inizia il processo di
allineamento iniziale. Dopo di che AHRS dà in uscita il blocco report di registrazione (50
bytes che ne includono 48 di dati e 2 di checksum) e si configura in modalità operativa. In
tale modalità il programma nel processore opera in loop continuo realizzando la
elaborazione degli angoli di orientazione sulla base delle uscite dal convertitore ADC. I
blocchi di dati sono trasmessi in funzione della modalità di uscita scelta. In tutte le varianti
il blocco ha 36 bytes (34 di dati + 2 di checksum).
La struttura dei dati dipende dalla modalità di uscita e la velocità di aggiornamento può
esser scelta dall’utente tra 1 e 100Hz dove 100 è quella di default.
Dato il comando di STOP (codice 0xFE) il programma si arresta ed il dispositivo torna in
modalità attesa e il led diventa rosso.
Nota importante:
prima di usarne altri, inviare il comando STOP per mettere il dispositivo in modalità attesa
e fare attenzione che la luce sia rossa prima di inviare qualsiasi altro comando.
Il comando LoadBlockPar (codice 0x10) è usato per caricare il blocco di parametri
(utilizzato per esser settato dall’utente) nella memoria non volatile di AHRS. Vedere sotto
la struttura del blocco di parametri.
Тabella 6.2. Struttura del blocco di commando LoadBlockPar
Byte
Parametro
Formato
Lunghezza
note
0-1
Aggiornamento
word
2
in Hz
2-3
Tempo iniziale
allineamento
word
2
in secondi
4-7
Declinazione magnetica
float
4
in gradi
8-11
Latitudine
float
4
in gradi
12-15
Longitudine
float
4
in gradi
16-19
Altitudine
float
4
in metri
20-23
Data (Anno, Mese)
float
4
24-27
Angolo di allineamento
A1
float
4
28-31
float
4
float
4
36-49
Angolo di allineamento
A2
Angolo di allineamento
A3
Riservato
50-51
Check sum
word
32-35
Fare riferimento alla sezione 4.4 sopra
riportata
14
2
AHRS calcola I checksum dei parametri accettati e lo ritorna per il controllo. Il formato del
checksum:
byte0
byte1
low byte high byte
Il lowbyte è trasmesso per primo. Il checksum è la somma aritmetica dei byte 0…49
Nota: prima di usare LOADBLOCKPAR è fortemente consigliato inviare il comando
READBLOCKPAR per leggere il valore dei parametri.
Dopo di che l’utente può cambiare alcuni dei parametri (come evidenziato in tabella) e
rispedire il blocco modificato a AHRS
1
2
Il comando ReadBlockPar (codice 0x11) è usato per leggere il blocco dei parametri (52
byte) dalla memoria non volatile di AHRS.
Tabella 6.3 Struttura del blocco di parametri letti dal comando ReadBlockPar
Byte
0-1
Parametro
Aggiornamento
Formato
word
Lunghezza
2
2-3
Tempo iniziale
allineamento
word
2
4-7
Declinazione
magnetica
float
4
in gradi
8-11
12-15
16-19
20-23
Latitudine
Longitudine
Altitudine
Data (Anno, Mese)
float
float
float
float
4
4
4
4
in gradi
in gradi
in metri
24-27
Angolo di
allineamento A1
float
4
float
4
float
4
char
8
6
2
28-31
32-35
36-43
44-49
50-51
Angolo di
allineamento A2
Angolo di
allineamento A3
ID Dispositivo
Riservato
Check sum
word
note
in Hz
in secondi
Fare riferimento alla
sezione 4.4 sopra riportata
Sola lettura
Come nel caso precedente checksum è il risultato della somma aritmetica dei bytes da 0 a
49 dove il lowbyte è trasmesso per primo. Il comando GetVerFirmware (codice 0x1F) è
usato per leggere la versione firmware di AHRS (52 bytes) dalla sua memoria non volatile.
Tabella 6.3 Struttura del blocco di parametri letti dal comando GetVerFirmware
Byte
0-49
50-51
Parametro
Versione
Firmware
Check sum
Formato
char
Lunghezza
50
word
2
note
Come nei casi precedenti checksum è il risultato della somma artimetica dei bytes da 0 a
49 dove il lowbyte è trasmesso per primo.
6.3
Formato dati AHRS in modalità operativa
Come già anticipato l’utente può scegliere tra 4 modalità operative:
i.
Uscita full
i.
Orientazione + Dati incrementali
ii.
Quaternione di orientazione
iii.
Orientazione + uscita sensori
il cui formato è descritto nelle tabelle di seguito riportate (dove word = intero 2 bytes senza
segno, sword = intero 2 bytes con segno).
Tabella 6.5 formato uscita full (commando 0x80)
Numero
Bytes
0–1
2–3
4–5
6-7
8–9
10 – 11
12 – 29
30 – 31
32 – 33
34 – 35
Param.
Direzione
Beccheggio
Rollio
GyroX
GyroY
GyroZ
Ugyro,
Uacc,
Umag
Dati
Combin
ati
Utermo
Check
sum
Lungh.
2 byte
word
2 byte
sword
2 byte
sword
2 byte
sword
2 byte
sword
2 byte
sword
9X2
byte
sword
2 byte
word
2 byte
sword
2 byte
Note
Angoli di orientazione
gradi *100
Dati dai
sensori
Vedere
descrizio
ne sotto
Tempe
ratura di
ogni
sensore
Velocità angolari medie
(Angoli incrementali divisi
per la base tempi) g/s * 100
(girosc,
accel.,
magnet
om.
I dati riportati di seguito sono registrati nel campo “Dati combinati” in sequenza:
a. Tensione di alimentazione di AHRS;
b. Tensione stabilizzata fornita ai sensori;
c. Lowbyte della USW (Unit Status Word);
d. Highbyte della USW
Nel campo Utermo sono registrati in sequenza le uscite ADC dai 7 sensori di temperatura
contenuti nei giroscopi, accelerometri, e magnetometri. Il lowbyte è trasmesso per primo,
ed il Checksum è la somma aritmetica dei bytes 0…33. Il formato di uscita full è usato
dagli sviluppatori AHRS per il controllo completo dei calcoli effettuati da AHRS.
Tabella 6.6 formato uscita Orientazione+ Dati incrementali (commando 0x81)
Numero
Bytes
0–1
2–3
4–5
6-7
8–9
10 – 11
12 – 17
18 – 23
24 – 27
28 – 29
Param.
Direzione
Beccheggio
Rollio
GyroX
GyroY
GyroZ
AccX
AccY
AccZ
MagX
MagY
MagZ
Riservato
USW
Lungh.
2
byte
word
2
sword
2
byte
sword
2
byte
sword
2 byte
sword
2 byte
sword
3 x 2
byte
sword
3 x 2
byte
sword
4 byte
2 byte
word
Note
Angoli di orientazione
°*100
Acc.
Ang
medie
Campo
magneti
co
medio
byte
Velocità angolari medie
(Angoli incrementali divisi per la
base tempi) °/s * 100
(g
x
10000)
(nT/4)
Numero
Bytes
30 – 31
32 – 33
34 – 35
Param.
Vdd
Utermo
Checksum
Lungh.
2 byte word
2
sword
byte
2 byte
Note
Tensione
di
alimentazione
Temperatur
a, ºCx10
(VDCx100)
Le velocità angolari, le accelerazioni lineari ed i campi magnetici medi sono espressi
secondo gli assi di AHRS (X è l’asse laterale,Y quello longitudinale, Z quello verticale).
I dati medi sono costituiti dalle uscite incrementali dei sensori integrate e divise per la base
tempi del dato in uscita. Per la USW fare riferimento al paragrafo 6.4. Vdd è la tensione di
alimentazione di AHRS. Utermo è la temperatura media nei 3 accelerometri. Il low byte è
trasmesso per primo e checksum è la somma aritmetica dei bytes 0…33.
Tabella 6.7 formato uscita Quaternione di orientazione (commando 0x82)
Numero
Bytes
0–1
2–3
4–5
6-7
8–9
10 – 11
Param.
Direzi
one
Beccheggio
Rollio
LK0
LK1
LK2
Lungh.
2 byte
word
2 byte
sword
2 byte
sword
2
byte
swor
d
2 byte
sword
2 byte
sword
Note
Angoli di orientazione
°*100
12 – 13
3x2
byte
sword
14 – 27
28 – 29
30 – 31
Riservato
USW
Vdd
14 byte
2 byte
word
2 byte
word
Quaternioni di orientazione
X10000
Numero
Bytes
32 – 33
34 – 35
Param.
Utermo
Checks
um
Lungh.
2 byte
sword
2 byte
Note
Temper
atura,
ºCx10
Per la USW fare riferimento al paragrafo 6.4. Vdd è la tensione di alimentazione di AHRS.
Utermo è la temperatura media nei 3 accelerometri. Il low byte è trasmesso per primo e
checksum è la somma aritmetica dei bytes 0…33.
Tabella 6.8 formato uscita Orientazione+ Dati sensori (commando 0x83)
Numero
Bytes
0–1
2–3
4–5
6 - 11
12 – 17
18 – 23
24 – 27
28 – 29
30 – 31
32 – 33
34 –35
Param.
Direzio
ne
Becch
eggio
Rollio
GyroX,
GyroY,
GyroZ
AccX,
AccY,
AccZ
MagX,
MagY,
MagZ
Riservato
USW
Vdd
Utermo
Checks
um
Lungh.
2 byte
word
2 byte
sword
2 byte
sword
3x2 byte
sword
3x2
byte
sword
3x2 byte
sword
4 byte
2
byte
word
2 byte
word
2
byte
sword
2 byte
Velocità
angolari
Acceler
azioni
Campo
magneti
co
°/s x 100
g
x
10000
Tension
e
di
alimenta
zione
Temperat
ura °Cx10
Note
Angoli di orientazione
gradi *100
nT/4
Le velocità angolari, le accelerazioni lineari ed i campi magnetici sono espressi secondo
gli assi di AHRS (X è l’asse laterale,Y quello longitudinale, Z quello verticale).
I dati medi sono costituiti dalle uscite incrementali dei sensori integrate e divise per la base
tempi del dato in uscita. Per la USW fare riferimento al paragrafo 6.4. Vdd è la tensione di
alimentazione delAHRS. Utermo è la temperatura media nei 3 accelerometri. Il low byte è
trasmesso per primo e checksum è la somma aritmetica dei bytes 0…33.
6.4. Definizione della word Stato unità (USW)
La USW fornisce lo stato di AHRS: il lowbyte (0-7) da informazioni circa il non
funzionamento dell’unità. Se il valore è 0 l’unità funziona correttamente, diversamente fare
riferimento alla tabella sotto riportata (o contattare direttamente l’assistenza). L’highbyte
(8-15) fornisce avvertimenti od informazioni all’utente.
Lowbyte
(malfunzionament
o)
Bit
Parameter
Performance
0
Allineamento
inizale
1
Parametri AHRS
0 –Nuovo allineamento effettuato con successo
1 – Allineamento non effettuato causa spostatmento
AHRS o eccessive variazioni del campo magnetic esterno
0 – Parameters corretto 1 – Parameters non corretti
2
Unità giroscopica
0 – Nessun problema – 1 Problemi
3
Unità
Accelerometrica
Unità
Magnetometrica
0 – Nessun problema – 1 Problemi
5
Elettronica
0 – Nessun problema – 1 Problemi
6
Software
0 – Nessun problema – 1 Problemi
7
Riservato
4
Bit
Parameter
Performance
8
Tensione di
alimentazione
non corretta
Parametri AHRS
0 – OK Tensione alimentazione non inferiore a livello minimo
1 – Tensione di alimentazione troppo bassa
0 - OK Tensione alimentazione non superiore a livello
massimo
1 – Tensione di alimentazione troppo alta
9
10
Highbyte
(Avvertimento
)
0 – Nessun problema – 1 Problemi
11
0 – VAx nei range stabiliti – 1 VAx fuori range
Velocità angolare
troppo elevata
12
13
14
15
0 – VAy nei range stabiliti – 1 VAy fuori range
0 – VAz nei range stabiliti – 1 VAz fuori range
Campo magnetico
troppo elevato
Temperatura
ambiente
0 – CM totale nei range stabiliti – 1 CM totale fuori range
0 –TA nei range stabiliti – 1 TA fuori range
Riservato
6.5 Esempi di lettura dati da AHRS
Il programma in Pascal riportato di seguito può aiutare l’utente ad ottenere dati
da AHRS.
La funzione GetData consente la lettura del blocco dati e usa le variabili espresse di
seguito:
•
Cntbyte – dimensioni del blocco da leggere;
•
masOut – array di dati accettati da AHRS;
•
ReadByte – accetta 1 byte da COM PORT.
L’esempio sotto consente di usare la funzione GetData per leggere 12 numeri float di 4
bytes. Questo può servire per leggere il blocco di 50 bytes (inclusi i 48 di dati e 2 di
checksum) dopo l’allineamento iniziale di AHRS.
Vedere descrizione nella sezione 6.2.
La dimensione di questo blocco è Cntbyte=50bytes (12x4=48 + 2 bytes checksum)
Il prossimo esempio mostra come ottenere 17 numeri in format smallint (intero 2 bytes con
segno).
Questo può servire per ottenere dati in loop continuo (vedere sezione 6.2) secondo uno
dei quattro formati di dato descritti nella sezione 6.3 .
La dimensione del blocco dati è Cntbyte = 36 bytes (17*2=34 + 2 bytes di check sum).
In questo esempio l’array mas_small contiene gli angoli di orientazione calcolati:
Direzione:= word(mas_small [0])/100; Beccheggio:= mas_small [1])/100; Rollio:=
mas_small [2])/100;
Nota: è fondamentale che la direzione sia word (2 bytes senza segno)
7. AHRS PROGRAMMA DEMO
fornisce un programma demo per l’utente che desidera testare il dispositivo AHRS ed
applicarlo ad un sistema con semplicità. Tale programma permette di visualizzare gli
angoli di orientazione salvando inoltre i dati.
Per fare funzionare il programma è necessario che Windows XP sia installato sul
computer. Per iniziare l’installazione copiare la cartella del programma (solo i file
AHRS_Demo.exe, AHRS_Demo.ini, AHRS_Demo.bmp, AHRS_Demo.dat,
AHRS_Demo.glm and AHRS_Demo.lng) sul disco fisso in una qualsiasi posizione
Per garantire il corretto funzionamento del programma il sistema deve soddisfare i requisiti
indicati di seguito:
a. Processore: «Pentium 4» 2.2GHz
b. RAM: almeno 256 Mb
c. Scheda video: GeForce Ti 4400, analoga o modello migliore
d. HDD: Dimensione superiore ai 500Mb
Informazione: per visualizzare correttamente tutte le informazioni il monitor deve avere la
risoluzione maggior od uguale a 1024x768 Pixels, riproduzione colore 32bit e la scala
caratteri 32pix/inch settate in Windows.
Fare riferimento al manuale del programma demo.
8. GARANZIA
La garanzia copre:
1. AHRS è garantito per 12 (dodici) mesi dalla data di consegna all’utente finale.
Durante questo periodo il produttore garantisce le caratteristiche così come
specificate nel certificato.
2. La garanzia non prevede manutenzioni periodiche, installazione e configurazione
del dispositivo presso il cliente.
3. Le condizioni operative e l’ambiente di utilizzo devono essere quelli specificati nel
paragrafo 3.1.
4. Il cliente può rivolgere reclami ad in accordo con quanto indicato dalla garanzia.
5. I reclami devono essere indirizzati a in forma scritta descrivendo il problema
riscontrato.
6. Il Produttore si riserva di rifiutare un reclamo in garanzia nei seguenti casi:
a. i sigilli sono rotti (fare riferimento alla figura 8.1);
b. AHRS è danneggiato come effetto del tentativo di rimuovere i sigilli;
c. AHRS presenta danni di differente natura (meccanica o chimica) sul corpo o
sul connettore esterno.
7. Qualora i punti 3 o 6 siano violati viene meno quanto detto al punto 1
9. DESCRIZIONE DI AHRS M2-M
Di seguito verranno descritte brevemente le differenze che distinguono la versione marina
di AHRS da quella standard sopra citata.
•
AHRS M2-M è appositamente studiato per applicazioni marine;
•
AHRS M2-M ha una custodia resistente all’acqua;
•
Il SW di AHRS M2-M consente l’allineamento del dispositivo in condizioni di
dondolio del vettore;
•
AHRS M2-M può essere usato anche in altre applicazioni;
La figura 9.1 mostra il sistema di coordinate riferito al corpo del sensore ed è usato dai
sensori calibrati. La non ortogonalità tra gli assi del sistema fisso di coordinate è inferiore a
0,01°
Figura 9.1 il sistema di riferimento sovrapposto a AHRS
Gli angoli misurati sono quelli standard di Eulero secondo la terna di rotazione Est-NordAlto e comprendono a direzione prima, poi il beccheggio e poi il rollio. L’angolo di
direzione di AHRS è riferito al Nord Magnetico.
10 PECULIARITA’ DI FUNZIONAMENTO DELLA VERSIONE MARINA
Dopo la accensione AHRS richiede del tempo per l’allineamento iniziale.
I questa fase sono determinati gli angoli e le condizioni iniziali per l’integrazione delle
uscite dei giroscopi. Gli errori dei giroscopi sono stimati per poi esser compensati in fase di
funzionamento. La versione AHRS M2-M è specifica per l’utilizzo su vettori marini che
consente l’allineamento iniziale anche in fase di lento dondolio del vettore. Per permettere
ciò l’allineamento iniziale prevede due fasi. Dopo l’accensione viene effettuato un
allineamento breve (1 secondo) durante il quale sono identificati gli angoli iniziali di
orientamento per l’integrazione delle uscite dei giroscopi. Nella seconda fase (della durata
di 90 secondi) viene valutato l’errore dei giroscopi usando il filtro Kalman. Durante questo
periodo si prega di non sottoporre il dispositivo ad accelerazione, è consentita il solo lento
dondolio. Se il dispositivo viene mosso durante questa seconda fase si potrebbero
verificare errori di determinazione degli angoli di assetto. Superati i 90 secondi non vi sono
più restrizioni particolari per il movimento del dispositivo.
11 CARATTERISTICHE DELL’ AHRS M2-M
Тabella 3.1. caratteristiche delAHRS M2-M
Parametro
Unità
Modello: AHRS M2-M
Rate di aggiornamento
Hz
1...100 (configurabile dall’utente)
Tempo di warm-up (1)
s
90
Range di misura (complete in 3D)
deg
0...360 direzione ±90 beccheggio ±180
rollio
Massima velocità angolare
deg/s
±300
Precisione statica in condizioni normali
deg
< 0.3 (2) < 0.1
deg
< 0.5 (2) < 0.3
deg RMS
0.7 0.4
Rumore uscita (dev std) a 100 Hz
deg RMS
0.03 (direzione) 0.02 Beccheggio e
Rollio
Ampiezza di banda sensori (4)
Hz
40
Range di temperatura operativo
deg C
-40 to +70
Dimensioni
mm
109 x 31 x 29 (custodia) 127 x 31 x 29
Peso
kg
0.19 / 0.16 (5)
Alimentazione:
V DC
+5.5 to +6.5 (6)
Consumo di corrente
A
0.11
Direzione
Rollio e beccheggio
2
Precisione statica nel range di temperature
operativo
Direzione
Rollio e beccheggio
Precisione dinamica
Direzione
Rollio e beccheggio
(1)
Tempo di allineamento iniziale incluso
(2)
In un ambiente magnetic omogeneo, per latitudini fino a ±65 deg;
(3)
RMS (1 sigma) può dipendere dal tipo di movimento
(4)
-3 dB level;
(5)
Funzione del material ostituente la custodia
AHRS può essere alimentato con corrente AC da 100 a 240V, 50,60 Hz dall’ adattatore AC/DC fornito col
dispositivo
(6)
12. AHRS M2-M DEMO PROGRAM
La differenza principale nell’utilizzo del demo program nel caso del dispositivo AHRS per
applicazioni marine è che non è possibile cambiare il tempo di allineamento iniziale nella
finestra opzioni dispositivo.
Questo periodo di allineamento consiste di due fasi, come visto, una di allineamento della
durata di un secondo (la cui durata NON può esser cambiata) ed un’altra di novanta
secondi.
Secondo quanto detto il programma mostra due avvertimenti diversi a seguito della
accensione del dispositivo AHRS M2-M: nella prima fase di allineamento “Allineamento
iniziale. Attendere prego!” in seguito durante i 90s della seconda fase di allineamento
“Non muovere AHRS mentre vengono regolati i parametri”. E’ consentito solo un leggero
dondolio di AHRS in questa fase.