Cómo implantar de forma rentable sistemas fiables de navegación aérea con componentes de precisión

El desarrollo de soluciones sofisticadas de sistemas de referencia de datos aéreos, actitud y rumbo (ADAHRS) es crucial para garantizar la precisión de la navegación y la seguridad de los sistemas de aeronaves tripuladas y no tripuladas. Para crear diseños ADAHRS resistentes y fiables, los desarrolladores necesitan componentes que puedan hacer frente a múltiples retos en el diseño de sistemas de navegación aviónica, como la precisión de los sensores, la resistencia al entorno y la integración de sistemas.

Este artículo describe cómo los módulos de adquisición de datos de precisión y las unidades de medición inercial (IMU) de Analog Devices abordan estos retos y simplifican el desarrollo de soluciones ADAHRS eficaces.

La seguridad aérea se basa en sofisticados sistemas de sensores

La disponibilidad de información precisa sobre el rendimiento de los vuelos es fundamental para la seguridad en todos los segmentos de la aviación, desde los sistemas aéreos no tripulados (UAS) hasta los reactores pesados de pasajeros. En consonancia con las mejoras aerodinámicas de las aeronaves, los sistemas de aviónica han evolucionado desde el tradicional "paquete de seis" instrumentos de vuelo del piloto, basado en brújulas magnéticas, giroscopios mecánicos e instrumentos de vuelo accionados por vacío, hasta las cada vez más sofisticadas "cabinas de cristal" del sistema electrónico de instrumentos de vuelo (EFIS) con pantallas gráficas.

Subyacente al EFIS, el ADAHRS integra las capacidades de una computadora de datos aéreos y un sistema de referencia de actitud y rumbo (AHRS) necesarios para complementar las ayudas a la navegación del sistema global de navegación por satélite (GNSS) de largo alcance, como el sistema de posicionamiento global (GPS) estadounidense y el sistema de aumento de área amplia (WAAS) terrestre asociado al GPS. La computadora de datos aéreos calcula la altitud y la velocidad vertical, del aire y del suelo utilizando las mediciones de la presión atmosférica y la temperatura del aire exterior. Para proporcionar la actitud de la aeronave (paso, balanceo y guiñada) y los datos de rumbo necesarios para la navegación por estima, el ADAHRS se basa en una combinación de giroscopios para los cambios de velocidad angular, acelerómetros para los cambios de velocidad lineal y magnetómetros para el rumbo magnético. Los avances en la tecnología de sensores han cambiado radicalmente la naturaleza de estos sensores críticos.

En el pasado, los complejos giroscopios láser de fibra óptica o de anillo eran de las pocas tecnologías disponibles que podían ofrecer una precisión suficiente para la aviación. Hoy en día, la disponibilidad de sistemas microelectromecánicos avanzados (MEMS) proporciona a los desarrolladores una tecnología que puede satisfacer los requisitos de diversas plataformas de aviación (Figura 1).

Figura 1: Los giroscopios MEMS de gama alta ofrecen características únicas que los convierten en la tecnología preferida para los sistemas electrónicos de aviónica. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Además de giroscopios, acelerómetros y magnetómetros, la funcionalidad de ADAHRS depende también de la fiabilidad de los flujos de datos procedentes de sensores que informan de la temperatura y la presión del aire exterior. Otros sensores de presión, fuerza y posición proporcionan datos sobre la posición y la carga de las superficies de vuelo, el tren de aterrizaje y la dirección de la rueda de morro. Los sensores adicionales proporcionan datos esenciales sobre el rendimiento del motor y el combustible necesarios para los sistemas de información del motor, así como la temperatura de la cabina, la presión y los niveles de oxígeno.

Una combinación de módulos de adquisición de datos de sensor de alto rendimiento e IMU MEMS de Analog Devices proporciona a los desarrolladores los componentes críticos necesarios para ofrecer soluciones de aviónica con unas características de fiabilidad, precisión, tamaño y coste que permiten su aplicación en toda la gama de sistemas de vuelo de aviación.

Aplicación de módulos de adquisición de datos de sensores e IMU en la aviónica moderna

Para la adquisición de datos de la amplia matriz de sensores en cualquier plataforma de vuelo, los módulos de adquisición de datos de alto rendimiento ofrecen una gama de capacidades de rendimiento para cada modalidad de sensor y requisito funcional. Con sus soluciones de µmódulos para cadenas de señal de precisión, Analog Devices integra subsistemas comunes de procesamiento de señales, incluidos bloques de acondicionamiento de señales y convertidores de analógico a digital (ADC), en un dispositivo compacto de sistema en paquete (SIP) para resolver los difíciles retos de diseño. Los μModules también incorporan los componentes pasivos críticos con características superiores de adaptación y deriva construidos con la tecnología iPassive® de Analog Devices, que minimizan las fuentes de error dependientes de la temperatura y simplifican la calibración a la vez que mitigan los desafíos térmicos. La importante reducción de la huella de la solución permite añadir más canales/funciones para instrumentos de aviación escalables que requieren precisión y estabilidad a lo largo de la temperatura y el tiempo. Los µModules simplifican la lista de materiales (BOM) de la cadena de señal, reducen la sensibilidad del rendimiento a los circuitos externos y acortan los ciclos de diseño, reduciendo así el costo total de propiedad.

Diseñados para satisfacer los exigentes requisitos de adquisición de datos, los μModules ADAQ4003 y ADAQ23878 de Analog Devices integran un amplificador controlador de búfer (FDA, figura 2) totalmente diferencial con una matriz de resistencias emparejadas con una precisión del 0.005%, un búfer de referencia estable y un ADC con registro de aproximaciones sucesivas (SAR) de 18 bits, capaz de ofrecer un rendimiento de 2 megamuestras por segundo (MSPS) y 15 MSPS, respectivamente.

Combinando un dispositivo de adquisición de datos μModule como el ADAQ4003 con un amplificador de instrumentación de ganancia programable (PGIA) totalmente diferencial, como el LTC6373 de Analog Devices, los desarrolladores pueden implementar una solución sencilla para muchos de los complejos requisitos de detección de los sistemas de aviación.

Figura 2: Los desarrolladores pueden satisfacer eficientemente muchos requisitos de detección de la aviación mediante la combinación de un PGIA totalmente diferencial LTC6373 con un sistema de adquisición de datos μModule ADAQ4003. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Como ya se ha señalado, los sensores basados en MEMS ofrecen una solución eficaz para suministrar los datos críticos necesarios para la funcionalidad ADAHRS. Mediante la integración de giroscopios MEMS triaxiales y acelerómetros triaxiales con sensores de temperatura y otros bloques funcionales, las IMU con seis grados de libertad, como la IMU MEMS en miniatura de precisión ADIS16505 y el sensor inercial de grado táctico ADIS16495 de Analog Devices, proporcionan el conjunto completo de funciones necesario para simplificar el desarrollo de subsistemas de aviónica (figura 3).

Figura 3: La IMU ADIS16505 y la IMU ADIS16495 (mostradas aquí) integran sensores con un controlador, calibración, procesamiento de señales y bloques de autocomprobación para proporcionar una solución completa para los sistemas de aviónica subyacentes de los sistemas de medición electrónica como ADAHRS. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Combinados en el ADAHRS, estos sistemas pueden proporcionar los componentes esenciales de los sistemas de navegación inercial capaces de proporcionar el rumbo necesario hacia el destino deseado incluso sin ayudas de navegación por satélite o terrestres. Como ocurre con cualquier dispositivo fabricado, los dispositivos basados en MEMS están sujetos a distintas fuentes de limitaciones de rendimiento que pueden degradar la precisión de la navegación computada. Por ejemplo, las inevitables variaciones en la fabricación, las fuentes internas de ruido y los efectos ambientales limitan la precisión de un giroscopio MEMS.

Los fabricantes documentan los efectos sobre el rendimiento de estas variaciones en numerosas especificaciones de parámetros de la hoja de datos. Entre estas especificaciones, los parámetros de sensibilidad, no linealidad y polarización pueden impactar directamente en la precisión del ADAHRS. En los giroscopios, una sensibilidad limitada (resolución de la medición de la velocidad angular) puede dar lugar a errores de rumbo (Ψ) y de posición (d_e) durante los giros (Figura 4, izquierda); una respuesta no lineal (desviación de la respuesta lineal ideal) puede dar lugar a errores similares tras una serie de maniobras como los giros en S (Figura 4, centro); y la polarización del giroscopio da lugar a una desviación del rumbo y de la posición incluso durante el crucero (vuelo recto y nivelado sin aceleración) (Figura 4, derecha).

Figura 4: Las limitaciones de sensibilidad del giroscopio, la no linealidad y la polarización pueden provocar la acumulación de errores de rumbo (Ψ) y de posición (d_e) durante los giros (izquierda), los giros en S (centro) y el crucero (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los errores de polarización se deben a la desalineación de cada eje del giroscopio con respecto a otros ejes o al paquete, a errores de escalado y a la respuesta incorrecta del giroscopio a la aceleración lineal como rotación debido a asimetrías en la fabricación de MEMS. Para sus IMU ADIS16505 y ADIS16495, Analog Devices determina los factores de corrección de polarización específicos de cada dispositivo probándolos a múltiples velocidades de rotación y temperaturas. Estos factores de corrección de polarización específicos de cada pieza se almacenan en la memoria Flash interna de cada pieza y se aplican durante el procesamiento de la señal del sensor.

Además de los factores de polarización corregibles, el ruido aleatorio procedente de diversas fuentes impacta en el error de polarización a lo largo del tiempo. Aunque no es posible compensar directamente este ruido aleatorio, sus efectos pueden reducirse muestreando durante tiempos de integración más largos. El grado en que los tiempos de muestreo más largos reducen el ruido se describe en el gráfico de desviación Allan (o varianza Allan) de la hoja de datos de un giroscopio, que muestra el ruido en grados por hora (°/h) frente al periodo de integración (τ) (Figura 5).

Figura 5: Diagramas de desviación Allan de los giroscopios MEMS de las IMU ADIS16495 (izquierda) y ADIS16505 (derecha) describen la capacidad del tiempo de muestreo ampliado para compensar la deriva aleatoria. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El mínimo del gráfico de desviación de Allan representa el mejor caso para la deriva del giroscopio a lo largo del tiempo, un parámetro denominado estabilidad de polarización en marcha (IRBS) que suele especificarse en términos de la suma de la media y una desviación estándar en las especificaciones de la hoja de datos. Para los desarrolladores que crean soluciones ADAHRS de alta precisión, el IRBS de una IMU proporciona un parámetro esencial para comprender el mejor rendimiento posible con esa pieza. Los expertos en giroscopios clasifican las IMU, como la ADIS16495 de Analog Devices, como de "grado táctico" cuando los valores IRBS de su giroscopio se sitúan entre 0.5° y 5.0°/h.

El ADIS16495 presenta unas estrictas especificaciones en múltiples parámetros vitales para satisfacer las aplicaciones tácticas más exigentes. Para mejorar sus prestaciones, el ADIS16495 integra un par de giroscopios MEMS y una cadena de señales de muestreo de 4100 hertzios (Hz) para cada uno de sus tres ejes (Figura 6).

Figura 6: La IMU táctica ADIS16495 mejora la precisión y la deriva del giroscopio promediando la salida de un par de giroscopios MEMS con cadenas de señales específicas. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

A continuación, las muestras de cada cadena de señales se combinan utilizando una frecuencia de muestreo independiente de 4250 Hz (_fSM) para proporcionar una medición de la velocidad angular que reduce el efecto del ruido. La combinación de este método de muestreo con especificaciones de rendimiento más estrictas da como resultado una IMU capaz de satisfacer requisitos de aviónica más exigentes.

Desarrollo y exploración rápidos de diseños basados en IMU.

Para ayudar a acelerar el desarrollo de diseños basados en sus IMU, Analog Devices proporciona un completo juego de herramientas de desarrollo. Diseñada para ser compatible con su placa de evaluación EVAL-ADIS-FX3 IMU (figura 7) y las placas de conexión asociadas, la pila de software FX3 de Analog Devices incluye un paquete de firmware, una interfaz de programación de aplicaciones (API) compatible con .NET y una interfaz gráfica de usuario (GUI). La API incluye una biblioteca que permite a los desarrolladores trabajar con cualquier entorno de desarrollo compatible con .NET, incluidos MATLAB, LabVIEW y Python. Durante el desarrollo, la interfaz gráfica de usuario de evaluación de FX3 permite a los desarrolladores leer y escribir registros, capturar datos y representar los resultados en tiempo real.

Figura 7: La placa de evaluación EVAL-ADIS-FX3 forma parte de un completo paquete de soporte de hardware y software para ayudar a ejercitar las IMU de Analog Devices. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Conclusión:

Las soluciones de aviónica de ADAHRS constituyen el núcleo de los EFIS en evolución. Con el desarrollo de giroscopios, acelerómetros y magnetómetros de precisión basados en tecnologías MEMS, los sistemas de aviónica pueden ofrecer unas prestaciones de vuelo y unas capacidades de navegación que hasta ahora estaban fuera del alcance de todas las flotas de aviones comerciales, salvo las más grandes. Con los módulos de adquisición de datos y las IMU altamente integradas de Analog Devices, los desarrolladores de aviónica pueden diseñar soluciones más rentables y de menor tamaño para satisfacer los estrictos requisitos de funcionalidad, seguridad y fiabilidad de los sistemas de aviación.