Esiste un detto secondo il quale quando non si conosce la destinazione, si può percorrere qualsiasi strada. Nonostante abbia un fondo di verità, al giorno d'oggi non è più necessario procedere a tentoni e arrivare a destinazione per caso.
Gli odierni sensori di movimento basati su MEMS, spesso combinati con i moduli GPS, possono fornire risposte estremamente precise alle domande riguardo ai costi, allo spazio e ai consumi energetici. In breve, la sfida della navigazione è stata semplificata e resa estremamente gestibile dalle applicazioni precedenti e dall'implementazione di nuove tecnologie.
In passato, era difficile effettuare il rilevamento del movimento e dei relativi fattori in modo preciso e accessibile dal punto di vista dei costi. I giroscopi, le bussole magnetiche, gli starfinder e gli accelerometri erano i componenti e i sottosistemi più comuni a disposizione, che spesso richiedevano complesse operazioni manuali di impostazione e calcolo. Di conseguenza, l'utilizzo del rilevamento elettronico del movimento era limitato ad applicazioni navali, aeree, missilistiche e aerospaziali. La disponibilità di un facile rilevamento del movimento per droni a basso costo, veicoli autonomi o persino per l'orientamento degli smartphone era impensabile.
Oggi, i sensori basati su EMS hanno trasformato il rilevamento del movimento e dell'orientamento in una semplice routine. In questo modo è cambiato il modo di pensare ai vantaggi della misura dell'accelerazione, un parametro incredibilmente importante.
Gli accelerometri basati su MEMS sono molto diversi dalle versioni miniaturizzate dei giroscopi a ruota, utilizzati anche nei sistemi di guida precisa. Le unità MEMS utilizzano strutture a diapason a vibrazione per la misura degli scostamenti dei parametri dovuti al movimento. Alcune applicazioni richiedono solo il rilevamento del movimento e della posizione relativa, poiché includono una base di riferimento fissa (ad esempio, i bracci robotici in una fabbrica), mentre altre devono conoscere la posizione assoluta (i droni e i veicoli a guida automatica, ad esempio).
Nozioni fondamentali
Il termine "rilevamento del movimento" in realtà include una serie di specifiche e obiettivi. I parametri fondamentali sono rappresentati dalla gerarchia dei tre vettori di posizione, velocità e accelerazione. Le nozioni di base di fisica definiscono la velocità come derivata temporale (entità del cambiamento) rispetto alla posizione x (v = dx/dt), mentre l'accelerazione è la derivata temporale rispetto alla velocità v (a = dv/dt).
Le operazioni complementari stabiliscono che la velocità è l'integrale temporale dell'accelerazione, mentre la posizione è l'integrale temporale della velocità. In teoria, se si conosce una delle tre incognite e si misurano gli intervalli di tempo, è possibile effettuare un'integrazione e una differenziazione per individuare le altre. Ovviamente è comunque necessario conoscere il punto iniziale della navigazione, anche se si determina uno o più degli altri valori.
Alcuni sistemi si basano unicamente sugli accelerometri di precisione e sull'integrazione analogica o digitale per stabilire la velocità e la posizione. Anche il minimo errore nel segnale dell'accelerazione rilevato causato a imperfezioni del trasduttore o disturbi può portare a errori gravi dei risultati, a prescindere che si utilizzi l'integrazione o la differenziazione. Di conseguenza, in molti sistemi viene applicata una combinazione di sensori per stabilire in modo indipendente questi parametri fondamentali.
Il rilevamento del movimento non è comunque determinato solo da questi tre fattori. In base all'applicazione, un sottosistema di rilevamento del movimento potrebbe includere giroscopi ad asse singolo o multiasse oppure una bussola elettronica per stabilire l'orientamento, nonché un sistema GPS per stabilire la posizione. Tuttavia, i segnali GPS non sono sempre disponibili. Un sistema di movimento basato su giroscopio, che include tre giroscopi e accelerometri ortogonali (per gli assi x, y, e z), viene spesso definito come un'unità di misura inerziale (IMU) poiché stabilisce l'orientamento e l'accelerazione senza alcun riferimento esterno o segnale ricevuto (Figura 1).
Figura 1: L'architettura IMU classica è completamente autocontenuta e include un accelerometro e un giroscopio per ciascun asse ortogonale, per stabilire il movimento e l'orientamento senza necessità di riferimenti esterni quali GPS, riferimenti visivi (stelle o elementi analoghi) o fasci di geolocalizzazione (segnali radio)
Pertanto, rappresenta la soluzione ideale per applicazioni quali veicoli subacquei, veicoli in tunnel o aerospaziali, dove i segnali GPS o il campo magnetico terrestre non sono disponibili o sono troppo imprecisi. Le unità IMU possono venire utilizzate insieme ad altri sottosistemi di rilevamento del movimento per un controllo incrociato dei risultati.
Sono disponibili molte applicazioni di rilevamento del movimento che non necessitano delle complete funzionalità delle unità IMU, né della misura della distanza, della velocità e dell'accelerazione. Ad esempio, il sensore di un airbag deve solo misurare l'accelerazione per stabilire se un improvviso cambiamento della velocità di un veicolo indica uno scontro. La posizione o il percorso effettuato per raggiungerla sono parametri irrilevanti. Analogamente, il rilevamento della vibrazione per i macchinari a rotazione necessitano unicamente di un accelerometro per stabilire le vibrazioni in eccesso e i possibili guasti ai cuscinetti. Inoltre, il blocco dell'accelerazione di un veicolo deve solo misurare tale parametro, senza necessità di conoscere la posizione o l'accelerazione.
Parametri di interesse per i sensori di movimento
Uno dei più antichi strumenti di navigazione è costituito da una bussola magnetica con ago rotante. È abbastanza accurata, non richiede alcuna forma di alimentazione ed è sufficientemente affidabile. Tuttavia, non è compatibile con i sistemi elettronici ed è difficile calibrare o compensare gli eventuali errori dovuti alla presenza di oggetti metallici nelle vicinanze.
La bussola fluxgate costituisce l'equivalente elettronico di quella magnetica. Utilizza un nucleo magnetico avvolto da una bobina, la quale viene stimolata con una corrente alternata che induce cambiamenti noti nel campo magnetico del nucleo e produce un segnale. Eventuali campi magnetici esterni causeranno scostamenti da tali modifiche previste. Tali scostamenti possono essere rilevati e amplificati per rilevare la potenza del campo con estrema precisione.
Benché la disposizione della bussola fluxgate sia ovviamente più complessa del rilevamento di un ago di una bussola o dei relativi equivalenti, non presenta parti in movimento, è compatta ma sensibile e può essere sviluppata per ridurre al minimo gli effetti dei campi esterni parassiti dovuti a oggetti nelle vicinanze. Richiede un'interfaccia elettrica abbastanza insolita e il modello DRV421 di Texas Instruments è stato progettato per questo tipo di applicazione (Figura 2). Combina un sensore fluxgate, un sistema di condizionamento del segnale e un driver di compensazione della bobina in un singolo IC, consentendo di ottenere un'accuratezza di rilevamento superiore allo 0,1%. Per garantire la linearità, un altro parametro fondamentale per le prestazioni, l'IC semplifica la minimizzazione dell'accoppiamento incrociato fra il sensore fluxgate e la bobina di compensazione esterna, nonché delle emissioni indesiderate dovute all'eccitazione del fluxgate stesso.
Figura 2: L'IC DRV421 di Texas Instruments fornice un rilevamento accurato e senza contatto del campo magnetico in una confezione di 4 × 4 mm grazie alla combinazione del sensore fluxgate, del sistema di condizionamento del segnale e del driver di compensazione della bobina. (Fonte: Texas Instruments)
Visualizza prodotti correlati
Le vetture odierne utilizzano accelerometri per altri scopi oltre all'attivazione dell'airbag. Vengono utilizzati per il sistema di rilevamento/prevenzione dei ribaltamenti, per gli allarmi antifurto (nel caso in cui la vettura venga inclinata o sollevata), nonché a fini di maggiore stabilità e fluidità di guida. Le unità ad asse singolo come il Freescale MMA2201KEG (Figura 3) fanno parte di una serie di accelerometri MEMS che includono sistemi di condizionamento del segnale, un filtro passa-basso a 4 poli e un sistema di compensazione della temperatura per garantire migliori prestazioni. I valori di compensazione a gravità zero, portata di scala completa e frequenza d'interruzione del filtro sono preimpostati e pertanto non richiedono dispositivi esterni attivi o passivi, mentre la funzione completa di autotest verifica la funzionalità del sistema. L'IC opera con un'alimentazione a 5 V e ha una sensibilità nominale di 50 mV/g.
Figura 3: Il Freescale MMA2201KEG è un accelerometro di base ad asse singolo con uscita analogica di 50 mV/g su un intervallo di ±40 g e rappresenta la scelta ideale per molte applicazioni di movimento e accelerazione diverse dalla navigazione. (Fonte: Freescale Semiconductor)
Le applicazioni degli accelerometri di dimensioni estremamente ridotte come questo modello con un intervallo di ±40 g, incluso in una confezione OSIC a 16 cavi di 7,5 × 10 mm, superano quelle solite legate agli airbag o alla navigazione. Possono essere utilizzati, ad esempio, per il monitoraggio e la registrazione delle vibrazioni, il controllo degli elettrodomestici, la protezione dei disco rigido del computer (se l'accelerazione si azzera improvvisamente, è necessario retrarre immediatamente le testine dell'unità), mouse e joystick, dispositivi di realtà virtuale e persino prodotti per le analisi delle prestazioni sportive. Ne deriva che l'accelerazione ad asse singolo è in grado di quantificare quello che in precedenza risultava estremamente difficile da misurare.
Un IC a giroscopio mostra in che modo la tecnologia MEMS abbia trasformato l'approccio a "rotore rotante". Il giroscopio a bassa potenza ADIS16250 di Analog Devices (Figura 4) rappresenta un sistema di misurazione completo della velocità angolare grazie al trasferimento dei dati di un sensore digitale a 14 bit calibrato in fabbrica a un processore tramite una semplice porta di interfaccia seriale SPI. La portata del dispositivo può essere impostata in modo digitale su tre diversi valori: ±80°/sec, ±160°/sec e ±320°/sec. Necessita di un'alimentazione a 5 V, viene fornito in confezioni LGA da 11 mm × 11 mm × 5,5 mm e offre una resistenza agli urti fino a 2000 g, anche quando è acceso
Figure 4: Il giroscopio a bassa potenza ADIS16250 di Analog Devices è un dispositivo MEMS con convertitore A/D interno che offre una risoluzione a 14 bit e una porta SPI per il semplice interfacciamento al processore del sistema, oltre ad altre caratteristiche che ne ottimizzano la funzionalità. (Fonte: Analog Devices)
Visualizza prodotti correlati
È destinato a una vasta gamma di applicazioni correlate al movimento, come il controllo della strumentazione e delle piattaforme, nonché la stabilità, la navigazione e la robotica. Come molti IC MEMS per il movimento, è disponibile con un'elevata protezione alle alte temperature e soddisfa le specifiche più rigorose del settore automobilistico in termini di resistenza alle alte temperature, alle vibrazioni, agli shock termici e ai transienti di tensione.
Il rilevamento di attributi correlati al movimento, come velocità, direzione, posizione e accelerazione, ha sempre rappresentato una sfida che richiedeva l'utilizzo di sensori complessi, di grandi dimensioni e ad alti consumi. Questa situazione è cambiata radicalmente con la disponibilità dei sensori basati su MEMS come gli accelerometri e i giroscopi, nonché i circuiti ad alte prestazioni delle interfacce in grado di compensare i punti deboli dei sensori. Di conseguenza, i progettisti di sistemi possono oggi pensare a una vasta gamma di nuove applicazioni e sfruttare nuove opportunità di design.