I sistemi di riferimento di assetto e direzione (AHRS) sono sistemi di riferimento per l’orientamento che calcolano continuamente il rollio, il beccheggio e la direzione utilizzando giroscopi, accelerometri e fonti ausiliarie quali magnetometri o GNSS. Gli strumenti AHRS per applicazioni marine supportano la navigazione, il controllo dei veicoli, i rilievi idrografici, l’allineamento dei sonar, la stabilizzazione del carico utile e il posizionamento dei sensori scientifici.
Questa pagina presenta fornitori e produttori di sistemi AHRS che offrono soluzioni per AUV, ROV, USV, imbarcazioni di superficie, boe e osservatori oceanici fissi.
Leggi il Panoramica tecnologica
Soluzioni avanzate di navigazione inerziale, movimento e posizionamento per applicazioni marine
Strumenti, sensori e tecnologie ad alte prestazioni per l'esplorazione e il monitoraggio degli ambienti sottomarini
Sensori inerziali e sistemi di posizionamento acustico ad alta precisione per applicazioni marine, marittime e offshore
Moduli di rilevamento inerziale compatti ad alte prestazioni per applicazioni marine e sottomarine
Soluzioni avanzate di rilevamento del movimento per sistemi marini autonomi e d'alto mare
Tecnologie di rilevamento subacqueo innovative e ad alte prestazioni per il settore marino
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Un sistema di riferimento di assetto e rotta (AHRS) determina l’orientamento di una piattaforma marina o di uno strumento calcolando continuamente il rollio, il beccheggio e la rotta. Un tipico sistema AHRS combina giroscopi e accelerometri con magnetometri, misurazioni GNSS o altre fonti ausiliarie. Gli algoritmi di fusione dei sensori elaborano tali misurazioni per mantenere una stima stabile dell’orientamento mentre la piattaforma si sposta. La prua riportata può essere magnetica o vera a seconda del riferimento di prua, delle fonti ausiliarie e della configurazione del sistema.
Gli strumenti AHRS marini forniscono dati di riferimento per la navigazione, il controllo dei veicoli, i rilievi idrografici, l’allineamento dei sonar e il posizionamento dei sensori scientifici. Possono essere integrati in imbarcazioni di superficie, piattaforme autonome, veicoli telecomandati, boe e altri sistemi oceanografici. A differenza di un’unità di misura inerziale (IMU) di base, un’unità AHRS produce una soluzione di assetto referenziata anziché limitarsi a fornire misurazioni inerziali.
I moduli AHRS MEMS utilizzano giroscopi e accelerometri basati su sistemi microelettromeccanici (MEMS) per fornire un rilevamento dell’assetto compatto e a consumo energetico relativamente basso. Le loro dimensioni ridotte li rendono adatti per veicoli subacquei autonomi (AUV), veicoli telecomandati (ROV), veicoli di superficie senza equipaggio (USV), boe e strumenti scientifici integrati. Le prestazioni dipendono dalla classe dei sensori, dalla calibrazione, dalla compensazione termica, dalla dinamica del veicolo e dalle misurazioni esterne disponibili per limitare gli errori inerziali.
AHRS MEMS di Advanced Navigation.
Gli strumenti AHRS a fibra ottica utilizzano giroscopi a fibra ottica per misurare la rotazione. Questi sensori possono offrire una maggiore stabilità di bias e una deriva angolare inferiore rispetto a molti dispositivi basati su MEMS, rendendoli adatti ad applicazioni che richiedono dati stabili sull’assetto e sulla prua in mare per periodi più lunghi o in condizioni operative impegnative.
I sistemi AHRS assistiti da GNSS combinano le misurazioni inerziali con le informazioni relative a velocità, posizione o rotta ricavate dai satelliti. Le configurazioni a doppia antenna e a più antenne consentono di determinare la prua in base alla posizione relativa della fase portante delle antenne separate, anziché fare affidamento sul campo magnetico terrestre o sul movimento del veicolo. Questo approccio risulta particolarmente utile per le imbarcazioni di superficie e le piattaforme di rilevamento che dispongono di una disponibilità costante del GNSS e di una separazione adeguata tra le antenne.
Gli strumenti AHRS senza magnetometro utilizzano riferimenti di rotta alternativi, quali la rotta GNSS, sensori inerziali con funzione di giroscopio o un riferimento di rotta fornito esternamente. Sono utili nei casi in cui motori elettrici, strutture in acciaio, sistemi di alimentazione o apparecchiature vicine potrebbero disturbare le misurazioni magnetiche. Ciò può risultare particolarmente importante sui veicoli marini compatti, dove la distanza tra il sensore di prua e le potenziali fonti di interferenza è limitata.
I dati di navigazione dell’AHRS forniscono una stima continua dell’orientamento della piattaforma per i sistemi di guida e navigazione. Rollio, beccheggio e rotta possono essere combinati con dati GNSS, velocimetro Doppler (DVL), posizionamento acustico, misurazioni di profondità o altri input di navigazione per stabilire l’orientamento di un veicolo di superficie o subacqueo mentre segue la rotta pianificata.
AHRS per ROV/AUV di Impact Subsea
Un sistema AHRS fornisce un feedback sull’assetto ai sistemi di controllo del veicolo responsabili del mantenimento di un movimento stabile. Su AUV, ROV e USV, le misurazioni rapide del rollio e del beccheggio consentono agli algoritmi di controllo di rispondere alle perturbazioni causate da correnti, onde, forze di propulsione e manovre. L’AHRS fornisce i dati di misurazione, mentre il controllore del veicolo comanda l’azione correttiva necessaria.
I dati dell’AHRS del ROV possono migliorare la consapevolezza situazionale durante la teleoperazione, fornendo ai piloti un’indicazione continua della rotta e dell’assetto del veicolo. Ciò risulta particolarmente utile in ambienti con scarsa visibilità, dove gli indizi visivi sono limitati e quando un operatore deve mantenere un orientamento specifico rispetto a strutture sottomarine, condotte o obiettivi scientifici.
Le informazioni sulla rotta marina possono essere fornite all’autopilota e ai sistemi di controllo autonomi per mantenere una rotta prestabilita. Le misurazioni ad alta frequenza dell’AHRS consentono al sistema di controllo di rilevare rapidamente i cambiamenti di rotta e di compensare le perturbazioni prima che si verifichino deviazioni significative dalla rotta.
I dati di orientamento possono essere utilizzati per stabilizzare telecamere, sistemi sonar, antenne e altri carichi utili direzionali. Misurando il movimento della piattaforma indipendentemente dal carico utile, l’AHRS aiuta i sistemi di stabilizzazione a mantenere la direzione di puntamento richiesta mentre un’imbarcazione o un veicolo rolla, beccheggia o cambia rotta.
Le misurazioni idrografiche, acustiche e oceanografiche devono spesso essere riferite a un sistema di coordinate geocentrico. Misurazioni accurate dell’assetto consentono al software di rilevamento di compensare il movimento dell’imbarcazione e di trasformare le osservazioni dal sistema di riferimento del sensore, passando per quello della piattaforma, nel sistema di riferimento di navigazione o geocentrico richiesto. Per questo processo sono fondamentali una sincronizzazione temporale precisa, l’allineamento dei sensori e la corretta misurazione degli offset di montaggio e del braccio di leva.
Un sistema AHRS per AUV fornisce informazioni relative a rollio, beccheggio e rotta per la guida, il controllo, la mappatura e l’allineamento del carico utile. Poiché i segnali GNSS non sono disponibili durante l’immersione, un AUV può combinare il proprio AHRS con un DVL, un sensore di pressione, un sistema di posizionamento acustico o un sistema di navigazione inerziale (INS) più ampio per mantenere un riferimento di navigazione subacquea per tutta la durata della missione.
Un sistema AHRS per ROV supporta il pilotaggio, il controllo del mantenimento della posizione, le operazioni del manipolatore, l’interpretazione dei dati sonar e l’ispezione sottomarina. Un sensore di prua sottomarino installato direttamente sul veicolo richiede inoltre un’adeguata protezione dalla pressione e l’integrazione con altri strumenti di navigazione utilizzati per stabilire la posizione e il movimento del ROV.
Un AHRS per USV fornisce informazioni sull’assetto e sulla prua per la navigazione autonoma, il governo, la stabilizzazione del carico utile e la raccolta di dati scientifici. I moduli AHRS compatti sono particolarmente preziosi sui veicoli più piccoli con capacità di carico utile e potenza elettrica limitate. L’ausilio del GNSS può fornire un ulteriore riferimento di prua o velocità durante le operazioni in superficie.
L’AHRS per le navi di superficie fornisce misurazioni di rollio, beccheggio e rotta utilizzate per correggere e georeferenziare le osservazioni del sonar. Errori relativi all’assetto, all’allineamento dei sensori, alla sincronizzazione, agli scostamenti di montaggio o alla configurazione del sistema di riferimento possono ripercuotersi sui risultati dei rilievi; pertanto, le prestazioni dell’AHRS contribuiscono all’incertezza complessiva del sistema di misurazione idrografica.
Le navi da ricerca possono trasmettere dati relativi all’assetto e alla prua al sonar, alle apparecchiature di posizionamento acustico, alle antenne, ai sistemi di imaging e ai carichi utili scientifici. Marcatori temporali accurati e sistemi di coordinate coerenti sono fondamentali quando i dati provenienti da più strumenti devono essere successivamente combinati in un riferimento spaziale comune.
Le boe e gli osservatori oceanici fissi possono utilizzare sensori AHRS per monitorare l’orientamento degli strumenti, il movimento indotto dalle onde o le variazioni di assetto della piattaforma. Un sensore di rotta impermeabile può inoltre fornire informazioni direzionali a sensori acustici, telecamere, sistemi di misurazione delle correnti e altri strumenti il cui funzionamento dipende dal loro orientamento fisico.
Le tecnologie del Sistema di riferimento di assetto e rotta (AHRS), dell’Unità di misura inerziale (IMU), dell’Unità di riferimento verticale (VRU), dell’Unità di riferimento del movimento (MRU) e del Sistema di navigazione inerziale (INS) si sovrappongono, ma forniscono livelli diversi di informazioni inerziali, di movimento e di navigazione.
| Sistema | Rilevamento e elaborazione tipici | Uscite principali |
| AHRS | Nucleo di rilevamento IMU con stima dell’assetto e riferimento di rotta | Rollio, beccheggio, rotta |
| IMU | Giroscopi e accelerometri | Velocità angolare e forza specifica |
| VRU | Sensori inerziali con elaborazione a riferimento verticale | Rollio e beccheggio, con beccheggio verticale disponibile in alcune implementazioni |
| MRU | Sensori inerziali con elaborazione del movimento marittimo | Dati relativi a rollio, beccheggio, sollevamento e movimento |
| INS | IMU con stima della navigazione | Assetto, velocità e posizione |
La distinzione tra strumenti AHRS, VRU, MRU e INS varia a seconda delle architetture di sistema, in particolare nei casi in cui i prodotti forniscano dati di movimento e navigazione che si sovrappongono. La loro classificazione dipende dalle misurazioni generate, dall’elaborazione effettuata, dai sistemi ausiliari esterni utilizzati e dalle capacità di navigazione fornite.
Sistema di riferimento di assetto e rotta (AHRS), l’Ellipse Micro AHRS, di SBG Systems.
L’integrazione degli AHRS marini può comportare diversi standard di comunicazione e requisiti ambientali:
Anche la precisione richiesta in termini di rotta e assetto, la frequenza di aggiornamento, la latenza, la stabilità dei giroscopi, il comportamento di inizializzazione, la compatibilità delle interfacce e i requisiti di calibrazione influiscono sull’integrazione dell’AHRS all’interno di una piattaforma navale.
Diversi sviluppi stanno ampliando le capacità dei sistemi AHRS marini e sottomarini:
Questi sviluppi favoriscono l’impiego di sistemi di riferimento di assetto e rotta nell’ambito di architetture integrate di navigazione marina, autonomia, rilevamento e misurazione oceanica.
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