I trasduttori inerziali

Giroscopio

Il giroscopio è un dispositivo che misura o mantiene l’orientamento di un oggetto nello spazio utilizzando la forza di inerzia. Il principio di funzionamento di un giroscopio meccanico si basa sulla conservazione del momento angolare.

E’ costituito da una parte rotante, ovvero un disco con la maggior parte della massa concentrata sulla parte periferica, e una parte statica, a cui è connessa tramite una struttura che la rende libera sui tre assi.

Giroscopio. Immagine di Lucas Vieira

Il rotore viene messo in rotazione e mantiene il suo orientamento spaziale quando l’oggetto su cui è vincolato il giroscopio cambia orientamento.

Installando dei trasduttori di posizione sui tre assi dello statore, è possibile misurare gli angoli o le velocità angolari a cui è sottoposto.

Il giroscopio meccanico è utilizzato in navigazione, l’inertial guidance, la stabilizzazione di sistemi di imaging e di volo, la riduzione del rollio delle navi.

I primi elimodelli erano forniti di giroscopio meccanico, quindi con una piccola massa in rotazione. Consumavano energia per il mantenimento della rotazione, ed erano pesanti.

Sul tuo drone sono presenti giroscopi piezoelettrici, ovvero che utilizzano la piezoelettricità, un fenomeno fisico per cui alcuni materiali generano una tensione elettrica quando sono sottoposti a pressione o deformazione. In un giroscopio piezoelettrico, un cristallo piezoelettrico viene utilizzato per generare un segnale elettrico in risposta alle variazioni di orientamento dell’oggetto.

Il funzionamento del giroscopio piezoelettrico può essere spiegato così:

  • Il cristallo piezoelettrico è montato su un perno libero di ruotare. Quando il drone cambia orientamento, il cristallo piezoelettrico si deforma leggermente in risposta alle forze di inerzia.
  • La deformazione del cristallo genera una tensione elettrica, che viene amplificata e utilizzata per generare un segnale elettrico.
  • Il segnale elettrico viene elaborato dal Flight Controller per calcolare la variazione di orientamento del drone e attuare le manovre di correzione necessarie

Nella IMU ci sono almeno tre giroscopi (ma possono essere di più), uno per asse di rotazione del drone.

Accelerometri

Occorre innanzitutto effettuare una distinzione tra

  • sistemi inerziali
  • sistemi non inerziali

Un sistema inerziale è un sistema che si muove di moto rettilineo uinforme. Tutto cio che è all’interno di un sistema inerziale non ha modo ci capire se il sistema sia in movimento o no. Un sensore di accelerazione quindi non rileverebbe variazoni di movimento, inquanto parte del sistema.

Un sistema non inerziale è un sistema che non ha la velocità costante, ovvero è soggetto ad accelerazioni positive o negative. In questo caso un oggetto posto al suo interno è sottoposto a forze dovute all’inerzia, che è la resistenza al cambiamento di velocità. Le forze a cui è sottoposto l’oggetto sono direttamente proporzionali alla massa e all’accelerazione secondo la formula

F = m a 

e di conseguenza

a = F / m

In pratica avendo un sistema in cui conosciamo la massa in movimento, se misuriamo la forza che che si sviluppa nella direzione in cui si sposta, possiamo ottenere l’accelerazione a cui è sottoposto il sistema in quel momento.

Schema di un accelerometro

Un accelerometro è un dispositivo che misura l’accelerazione. Esistono diversi tipi di accelerometri, ma tutti funzionano secondo lo stesso principio di base: utilizzano una massa che si sposta all’interno di un contenitore quando l’oggetto su cui è montato si muove. A seconda del tipo di accelerometro, il sensore di massa può essere un peso, una molla o un cristallo piezoelettrico.

I principali tipi di accelerometri sono:

  • accelerometri a galleggiamento: utilizzano una massa sospesa in un fluido; quando il sistema cambia velocità, la massa si muove grazie alla spinta di archimede.
  • accelerometri a molla: utilizzano una molla per misurare l’accelerazione. Il sensore di massa è un peso collegato alla molla, che si muove in base all’accelerazione dell’oggetto.
  • accelerometri a cristallo piezoelettrico: utilizzano un cristallo piezoelettrico, come il quarzo, per misurare l’accelerazione. Il cristallo piezoelettrico produce una tensione elettrica quando viene sottoposto a pressione o a deformazione.

Gli accelerometri sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, tra cui la navigazione, la stabilizzazione dell’immagine, il controllo della posizione e la rilevazione del movimento. Ad esempio, gli smartphone utilizzano gli accelerometri per orientare automaticamente lo schermo, mentre le automobili utilizzano gli accelerometri per attivare gli airbag in caso di incidente.

La IMU del tuo drone è in grado di misurare l’accelerazione su tre assi. Il Flight Controller sarà così in grado di effettuare le correzioni necessarie per mantenere la posizione del drone, anche in assenza di segnale satellitare.

Giroscopi e accelerometri sono il cuore della Inertial Measurement Unit.

Le IMU non sono utilizzate solo per il controllo del volo. I supporti cardanici delle telecamere (gimbal) utilizzano una IMU propria per mantenere stabile l’angolo di ripresa nonostante i movimenti del drone. Questa teconolgia è utilizzata anche sui gimbal per fotocamere DSLR, mirrorless o telefonini, come quelli prodotti da DJI o FeiyuTech.

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