Newsgroup: it.scienza.fisica
Titolo: Accelerometri

Lo spunto per la mia domanda viene da un post su it.scienza.astronomia,
ma ho pensato che sia più facile trovare qui qualcuno capace di
rispondermi.
Tutto nasce da Schiaparelli.
Su isa è stato segnalato un blog:
http://attivissimo.blogspot.it/2016/10/cose-successo-realmente-schiaparelli.html
 
dove è raccontato piuttosto bene come sono andate le cose.
Ci sono stati un bel po' di commenti, almeno in parte scritti da
persone con una certa competenza (ing. aerospaziali o giù di lì).
Tanto che mi sono dovuto districare tra i più vari acronimi, solo in
parte spiegati.
 
Per es. ci ho messo un bel po' a capire che HST era lo Hubble Space
Telescope, ma ora non serve spiegare che cosa c'entrasse con
Schiaparelli.
(In effetti non c'entrava: era solo un esempio di un errore di
progetto.)
 
Per venire al sodo, a un certo punto hanno cominciato parlare di (cito
dal blog):
"Inertial Measurement Unit (IMU), una piattaforma inerziale che misura
le accelerazioni istante per istante e consente al computer di bordo
di calcolare velocità e orientamento nello spazio senza effettuare
misurazioni assolute, che non sarebbero possibili durante la discesa."
 
Questa IMU, a quanto ho capito, era dotata di tre accelerometri (per
tre direzioni ortogonali) e di tre giroscopi.
E fin qui sembrerebbe tutto bene.
Poi uno dei commenti scriveva:
"Purtroppo non c'è modo di distinguere l'accelerazione "da spinta"
dall'accelerazione di gravità, è uno dei corollari della legge della
relatività generale."
E qui nasce il problema.
(A parte il tirare in ballo la RG: mi fa piacere che stia diventando un
ingrediente di lavoro pratico, ma che bisogno ce n'è?
Per capire questo bastano i vecchi rif. non inerziali con associate
forze apparenti...)
 
Il mio problema è appunto: che ci fai con un accelerometro in quelle
condizioni (caduta libera)?
L'accelerometro non può né dirti con che accel. stai cadendo, né che
direzione abbia l'accel. rispetto al corpo della sonda.
Per l'orientamento servono i giroscopi, e va bene. Ma poi?
 
Qualcuno sa come viee usato in quelle condizioni un accelerometro?
BTW, anche se non possiedo uno smartphone, so che di regola contengono
uno (o due?) accelerometri, essenzialmente per sapere come si trova
orientato lo schermo e ruotare automaticamente l'immagine di
conseguenza.
Il che vuol dire (come mi aspettavo) che l'accelerometro misura la
forza di gravità come se fosse una forza apparnte di un moto
accelerato.
E infatti ho anche visto dei lavori didattici in cui si usa uno
smartphone per es. montandolo sul piatto di un giradischi, per
verificare l'esistenza dell'accel. centrifuga.
 
Ma tornando a Schiaparelli, lì *bisogna* distinguere!
A me viene in mente una sola soluzione.
Se sai che ti trovi nei pressi di Marte, di cui si conosce raggio e
massa, puoi mettere nel software la correzione per la gravità del
pianeta: basta usare l'orientmento della sonda (che è noto) e la sua
quota (che però quando è bassa influisce poco).
E' così che funziona?
 
Spero di essermi spiegato...
 
 
-- 
Elio Fabri


Ho lavorato con qualche accelerometro, e come sai non conosco la teoria dietro,
quindi scrivo solo da programmatore.
 
Gli IMU sono dei maledetti! :D
Per qualche motivo, o costruttivo o del firmware sui controller, ogni tanto un
asse s'inverte. Sinceramente non mi sono mai addentrato in una possibile
spiegazione del fenomeno, anche se ora m'hai fatto venire la curiosità..
Hai citato giustamente gli smartophone: hai presente quando lo ruoti, non
"capisce" subito e lo devi agitare un po' per fargli riprendere senno? :)
 
Per dire un po' di più bisognerebbe vedere il modello di IMU che hanno montato,
perché l'elettronica per missioni spaziali è abbastanza diversa da quella che
si usa solo sulla Terra (non solo le meccaniche, ma anche i componenti sulle
schede sono solo di certi tipi, per ovvi motivi).
 
In generale comunque giusto un pensiero: di IMU immagino ce ne fossero almeno
due (la ridondanza minima per una missione simile, anche considerando che in
generale costano e pesano poco) per cui immagino ci siano stati problemi di
stress meccanico inaspettati che hanno influito su entrambi.
 
IMU a parte, i metodi migliori che conosciamo (ovvero che utilizziamo
quotidianamente sulla Terra) per un atterraggio computerizzato utilizzano radio,
GPS e/o camera: prima o poi anche Marte avrà una copertura tale da permetterci di
far atterrare in sicurezza di tutto, ma per ora purtroppo ancora siamo nel campo
della sperimentazione.
 
Ciao!

On 11/2/2016 21:06, Elio Fabri wrote:
 
Devo dire che Attivissimo ha una ottima talpa all'interno dell'ESA: 
quello che ha detto sul blog e` praticamente il rapporto preliminare!
 
Qualche notizia su come funziona e come non ha funzionato il sistema.
 
Le IMU attualmente sono fatte da 3 accelerometri allineati con gli assi 
del veicolo e tre virometri, anche loro fissati alla struttura. La 
configurazione di queste IMU si chiama strap down. Non ci sono giroscopi.
 
I virometri forniscono come misura la velocita` angolare intorno a un 
asse. Le vecchie piattaforme inerziali, con i giroscopi, invece davano 
in uscita un angolo e mantenevano una posizione "fissa" rispetto a un 
sistema di riferimento inerziale.
 
La IMU ha degli integratori per passare dalla velocita` angolare 
all'angolo (e altri integratori per passare dall'accelerazione alla 
velocita` e alla posizione).
 
Nel caso della sonda Schiaparelli, quando e` stata risvegliata prima 
dell'ingresso nell'atmosfera ha riallineato gli integratori degli angoli 
usando dei sensori solari. In questa fase gli accelerometri danno 
lettura zero, e questo periodo viene usato per fare gli zeri, altrimenti 
un errore costante integrato due volte da` origine a un drift della 
velocita` e della posizione calcolata.
 
Gli accelerometri vengono usati per sentire il rientro nell'atmosfera, 
dall'entita` della decelarazione si conosce la densita` dell'atmosfera e 
si ha una stima della quota. Dopo che e` stato aperto il paracadute la 
sonda ha oscillato oltre i limiti per i quali era stata provata (e anche 
di parecchio).
 
Quello che si era assunto era che durante la discesa, prima frenata 
fatta con scudo termico, poi appesa al paracadute e infine frenata dai 
retrorazzi, la sonda avesse il suo asse sempre circa allineato con la 
traiettoria.
 
Gli integratori dei virometri sono stati scritti in modo da fornire in 
uscita degli angoli di "beccheggio" e "rollio" di ampiezza limitata. 
Sfortunatamente durante la discesa con il paracadute la sonda ha ruotato 
molto piu` del previsto. Gli integratori sono andati a fondo scala, 
dando in uscita il valore massimo, anche se la sonda aveva ruotato di 
piu`. Il problema e` stato sul ritorno. Quando la sonda ha cominciato a 
ruotare all'indietro, tornando verso la posizione normale, gli ingratori 
hanno iniziato immediatamente a "disintegrare" per cui quando la sonda 
e` tornata in posizione normale, l'indicazione degli angoli era 
sbagliata, la sonda ha creduto di essere sottosopra e ha spento i 
retrorazzi dopo 3s (tempo minimo di accensione) e ha acceso il payload, 
credendo di essere gia` al suolo.
 
Per rispondere alla tua domanda, gli accelerometri sono usati nella fase 
di frenata aerodinamica per stimare la densita` dell'atmosfera, 
velocita` e quota, sapendo la velocita` e la quota iniziale all'ingreso 
nell'atmosfera.
 
Non so quale sia il profilo di velocita` nella parte iniziale della 
discesa con paracadute, quindi non so dire se possono stimare la 
densita` dell'atmosfera sottraendo la parte gravitazionale. Direi che 
sia una cosa complicata, ma mi posso informare. Poi quando viene 
attivato il radar a quel punto si sa quota e velocita` in modo preciso 
(se si conosce l'assetto, e qui c'e` stato il problema).
 
Infine durante la discesa con i retrorazzi bisogna tenere "orizzontale" 
la sonda. Le correzioni ad alta frequenza sono fatte usando i virometri, 
che pero` essendo derivativi non sanno la posizione assoluta che deve 
essere fornita dagli accelerometri messi sugli assi orizzontali. Non si 
possono usare direttamente questi accelerometri per l'assetto perche' 
tipicamente il loro segnale e` sporco, bisogna filtrarlo e quindi 
rispondono piu` lentamente dei virometri.
 
-- 
 
Franco
 
Wovon man nicht sprechen kann, darüber muß man schweigen.
(L. Wittgenstein)

 
 
"Elio Fabri"
Se sai che ti trovi nei pressi di Marte, di cui si conosce raggio e
massa, puoi mettere nel software la correzione per la gravità del
pianeta: basta usare l'orientmento della sonda (che è noto) e la sua
quota (che però quando è bassa influisce poco).
E' così che funziona?
 
----------
 
c'è effettivamente il problema della
taratura su un sistema non terrestre.
La taratura è comunque teorica.
Qua c'è una tesi su IMU con relativo
listato Matlab per la taratura; se si vuol
divertire...
 
http://nanojex.altervista.org/wp-content/uploads/2012/03/Realizzazione-di-un-sistema-di-misura-inerziale4.pdf
 
 
Saluti
Massimo

 ...(cut)
 
Molto interessante, grazie e complimenti!
Naturalmente ci sono un sacco di cose che non ho capito un granche'.   :-(
In particolare: se i virometri non sono giroscopici, come diavolo funzionano?
 
-- 
    Elio Proietti
    Valgioie (TO)


 
ciao
 
-- 
TRu-TS
buon vento e cieli sereni

 
 
Bellissima :)
 
Ciao!

 passati in pollici e interpretati in centimetri! Il dato massimo in
 
Il problema della saturazione degli integratori e` sempre stato un guaio 
serio, a partire dagli integratori analogici che affligge adesso, in 
forma diversa, anche quelli digitali e va sotto il nome di windup. Ci 
sono tecniche di mitigazione del problema, ma non c'e` LA soluzione.
 
A parte questo, e` possibile che qualche assunzione nel progetto del 
sistema non sia stata verificata o non fosse possibile avere una stima a 
priori del parametro. Le occasioni di errore e malfunzionamento sono 
innumerevoli nel campo spaziale. Ad esempio si riutilizza un sistema o 
un modulo che era sempre andato bene, e KA-BOOM un razzo esplode! (Primo 
lancio di Ariane 5 che usava il sistema di assetto di Ariane 4).
 
Se sei curioso di vedere i guai capitati nello spazio, in cui 
essenzialmente si va poco piu` in la` di un nuovo prototipo ad ogni 
lancio, suggerisco questo libro "Space System Failures" di Harland e Lorenz.
 
Per rispondere a Pangloss. Le piattaforme inerziali meccaniche usavano 
accelerometri e giroscopi per mantenere la piattaforma allineata a una 
direzione "fissa", e portavano un aereo dall'Europa agli USA con un 
errore alla fine di 30 miglia. Nel viaggio di ritorno l'errore era solo 
di poche miglia perche' la piattaforma misurava i suoi errori all'arrivo 
e li compensava per il ritorno (ovviamente dal punto di vista di un 
pilota europeo!). Le missioni Apollo avevano questo tipo di piattaforma 
meccanica, mentre i lander avevano piattaforme "strap down"
 
Le prime piattaforme "fisse" con accelerometri e virometri usavano i 
"giroscopi" ottici basati su effetto Sagnac: 1500m di fibra ottica 
avvolta su una bobina. Poi sono arrivati i virometri allo stato solido, 
praticamente tutti basati sull'effetto Coriolis, trovi qualcosa qui 
https://en.wikipedia.org/wiki/Vibrating_structure_gyroscope
. L'idea base 
e` di fare vibrare una massa da cui si ha la velocita` v. Se la massa 
che vibra viene fatta ruotare con velocita` w non parallela a v nasce 
una forza di Coriolis che deforma la massa o che applica una forza sui 
suoi vincoli. Misurando la deformazione o la forza si ottiene la misura 
di w.


 
 
Notizie uscite da thales Alenia franco-italiana  parlano di una consegna del software fatta con l'acqua alla gola ... c'erano stati dei problemi ma il dettaglio non l'ho capito... tali problemi ad ogni tentativo di conciliazione si ripresentavano in altra forma e altre vesti: io ho l'impressione che si sia trattato semplicemente di sfiga pazzesca

 forza si ottiene la misura di w.
Ho capito l'idea base, ma mi rimane un dubbio.
Com'è possibile raggiungere la precisione e riproducibilità
necessarie?
Evidentemente si può, altrimenti non li userebbero :-) ma a naso
(grossolanamente) mi sembrerebbe problematico.
Ne sai qualcosa?
 
 
-- 
Elio Fabri
 
Fr


Ti posso dire le mie esperienze anche se non sono aggiornatissime.
Intanto mettiamoci d'accordo sui termini: per giroscopio, in inglese
gyro, intendiamo un sensore che misura la velocità angolare rispetto
ad un asse, indipendentemente dal principio fisico di funzionamento
che puo' essere ottico, a massa vibrante o a rotazione o altro.
Per accelerometro intendiamo un sensore in grado di misurare l'accelerazione
lungo un asse, compresa un'accelerazione costante come quella di
gravità (è una precisazione importante perché esistono sensori insensibili
alla componente continua, usati per misure di vibrazioni, chiamati
ugualmente accelerometri).
Per una IMU è inutile parlare di sensori MEMS. Nonostante gli enormi
miglioramenti rispetto ai primi dispositivi, la precisione dei sensori
MEMS è ancora lontanissima da quella necessaria per una IMU utile
alla navigazione inerziale. Si tratta di integrare nel tempo la velocità
di rotazione e integrare due volte l'accelerazione. In questo modo anche piccolissimi errori portano in breve tempo a enormi errori della posizione.
Una decina di anni fa io ho lavorato su IMU aerospaziali usando
accelerometri QFlex e giroscopi Honeywell che all'epoca erano
il miglior compromesso tra costi e prestazioni. Intendiamoci, sto
parlando di sensori che comunque costicchiavano: 10 mila $ un
accelerometro e 20 mila $ un giroscopio. Quindi una IMU montava
90 mila $ solo di sensori, esclusa l'elettronica.
Io, oltre a progettare l'elettronica, avevo il noiosissimo compito
della calibrazione. Prima di costruire un meccanismo che traslava e
ruotava con precisione la base su cui era fissata la IMU,
testavo gli accelerometri usando l'accelerazione di gravità. Invece
per i giroscopi sfruttavo la rotazione terrestre allineando la IMU
secondo i vari assi.
Questo puo' dare un'idea della sensibilità e precisione fornita da
quei giroscopi. Alla fine abbiamo verificato che l'errore della IMU
nella navigazione inerziale di un'ora era di circa un km come posizione
e di qualche primo come direzione.
Da notare che la presenza di un campo gravitazionale noto, come
avviene nell'ambiente terrestre o nello spazio in prossimità
di un corpo celeste, richiede opportune correzioni ma non
influisce significativamente sulla precisione. In altre parole,
nel caso di un atterraggio, grazie alla IMU una sonda conosce
relativamente bene la propria velocità, posizione e orientamento
anche senza il supporto di altri strumenti (radar, sensori stellari,
magnetometri, ecc.) che ovviamente contribuiscono alla precisione
complessiva.
Ovvio che se un accelerometro o un giroscopio vanno in overrange e
chi ha scritto il software non ha previsto in questo caso di
invalidare i dati, le conseguenze sono catastrofiche.

 ovviamente contribuiscono alla precisione complessiva.
E adesso mi perdo di nuovo.
A me interessa capire come si determinano posizione e velocità.
Chiaro che il giroscopio sia necessario per dare significato alle
componenti di accelerazione misurate, ossia per poterle riferire a
una terna fissa o comunque a una terna previamente definita.
Ma non capisco come un accelerometro *da solo* possa darti (dopo due
integrazioni) la posizione della sonda, se non tieni conto del campo
gravitazionale della Terra o di altro pianeta.
A meno che quando scrivi "opportune correzioni" tu non intenda proprio
questo.
 
 
-- 
Elio Fabri

 Elio Fabri

 ovviamente contribuiscono alla precisione complessiva.
E adesso mi perdo di nuovo.
A me interessa capire come si determinano posizione e velocità.
Chiaro che il giroscopio sia necessario per dare significato alle
componenti di accelerazione misurate, ossia per poterle riferire a
una terna fissa o comunque a una terna previamente definita.
Ma non capisco come un accelerometro *da solo* possa darti (dopo due
integrazioni) la posizione della sonda, se non tieni conto del campo
gravitazionale della Terra o di altro pianeta.
A meno che quando scrivi "opportune correzioni" tu non intenda proprio
questo.
 
 
-- 
Elio Fabri

 forza si ottiene la misura di w.


 in base alle informazioni che provengono da questo organo.
 
 
Che io sappia tutti i ditteri (=con due ali, mosche ecc.) hanno
un paio d'ali trasformato in bilancieri.
 
 
-- 
AIOE °¿°  

 
 
"Elio Fabri"
 
Ma non capisco come un accelerometro *da solo* possa darti (dopo due
integrazioni) la posizione della sonda, se non tieni conto del campo
gravitazionale della Terra o di altro pianeta.
 
-----
 
Kalman! Mach-è fretta c'è? :-)
 
http://geomatica.como.polimi.it/corsi/navigazione/Navigazione_inerziale.pdf
 
 
ciao
Massimo