GUIDANCE AND NAVIGATION SYSTEMS
Academic year2023/24
CourseROBOTICS AND AUTOMATION ENGINEERING
Code278II
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageItalian
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| SISTEMI DI GUIDA E NAVIGAZIONE | ING-INF/04 | LEZIONI | 60 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Il corso si propone di fornire agli studenti:
- conoscenze sulle tecniche di navigazione inerziale incluso i principi fisici su cui si basano i sesnori di grandezze inerziali;
- conoscenze sulle tecniche di navigazione inerziale integrata.
- conoscenze sulle tecniche di guida per intercettazione e guida a waypoint.
Knowledge
The course has the goal of giving the students:
- knowledge of inertial navigation techniques including physical principles used to realize sensors of inertial quantities
- knowledge of integrated inertial navigation techniques.
- knowledge of guidance technique for interception of targets, and waypoint guidance.
Modalità di verifica delle conoscenze
Lo studente sara' valutato in base alla sua capacità di interloquire sugli argomenti del corso con la terminologia appropriata. In aggiunta, lo studente dovrà preparare un report scritto su una problematica teorica/realizzativa a lui/lei assegnata alternine delle lezioni (o successivamente) su sua richiesta. Lo studente discuterà oralmente il suo report con lo scopo di dimostrare le attività svolte e la capacità di mettere in pratica, con adeguato senso critico, competenze acquisite.
Assessment criteria of knowledge
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology. In addition the student will prepare a written report on an implementation/practical topic assigned him/her at the end of the year, or later, or his/her request. The student will then discuss orally the report and must demonstrate the ability to put into practice and to execute, with critical awareness, the activities illustrated or carried.
Capacità
Lo studente al termine dell'insegnamento dovrà:
- Saper analizzare un problema di navigazione inerziale, integrata e non, impostare la soluzione ed ottenere e appropriate equazioni di meccanizzazione.
- Comprendere l’impatto degli errori di misura e meccanizzazione sull’accuratezza della navigazione.
- Saper descrivere i principi fisici alla base di accelerometri e giroscopi, e sistemi di misura non inerziali quali GPS, LORAN, VOR, DME, etc.
- Saper impostare un problema di intercettazione e fornire appropriate misure di performance attese.
- Saper analizzare un problema di guida con simulazioni al calcolatore.
Skills
The student, at the end of the lectures, shall be able to:
- Analyze an inertial navigation problem, both simple and integrated, set-up a solution as mechanization equations.
- Understand the impact of mechanization and measurement errors on the navigation accuracy.
- Be able to describe the physical principles used to realize gyroscopes and accelerometers, as well as non-inertial measurement systems like: GPS, LORAN, VOR, DME, etc.
- Be able to set-up an interception problem and provide appropriate expected measure of performance.
- Be able to analyze a guidance problem with the aid of computer simulations.
Modalità di verifica delle capacità
Lo studente dovrà svolgere un’attività progettuale nel campo della guida o della navigazione, in laboratorio o a casa seconda dei temi, volta ad applicare le conoscenze acquisite ad un caso pratico e presentare i propri risultati attraverso una relazione scritta.
Assessment criteria of skills
The student will develop and solve a guidance or navigation problem, in the laboratory or at home according to the specific cases, in order to apply the acquired competences in a practical problem, and present his/her results with a written report.
Comportamenti
Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di analizzare e progettare sistemi di navigazione inerziale e di guida con senso critico in autonomia.
Behaviors
At the end of preparation, the student shall be able to analyze and design guidance and navigation system with good critical reasoning and in full autonomy.
Modalità di verifica dei comportamenti
La verifica dei comportamenti avviene attraverso una approfondita discussione durante l'esame orale
Assessment criteria of behaviors
Assessment of students skills takes place during a throughout oral discussion at the final exam.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
- sistemi di equazioni differenziali lineari e non-lineari;
- Tecniche di controllo a ciclo chiuso di base;
- concetti base di dinamica del corpo rigido
Prerequisites
- Techniques for solution of linear and non-linear differential equations;
- Basic closed loop control techniques.
- basic concets of rigid body dynamics
Indicazioni metodologiche
Lezioni frontali in aula con uso di lucidi e filmati. Le attività di apprendimento avvengono seguendo le lezioni e partecipando alle discussioni in aula. Il lavoro di gruppo e' incoraggiato, con particolare riguardo all'attività progettuale.
Teaching methods
Class lectures with the use of audio-visual supports. Learning takes place attending lectures and actively participating to the frequent discussions opened by the lecturer during the lessons. Group work is encouraged, in particular with respect to the design activity.
Programma (contenuti dell'insegnamento)
Navigazione:
- Dead reckoning, Schemi base di navigazione inerziale: stabilized platform e strapdown.
- Misura dell'accelerazione: accelerometro meccanico, MEMS, a pendolo vincolato ed a flusso termico.
- Misura della velocità angolare. L'effetto giroscopico, precessione e nutazione, control moment gyro, Rate Gyro, L'effetto Sagnac, Fiber Optic Gyro, Ring Laser Gyro, vibrating element gyroscopes, Quartz e tuning fork gyroscopes, driving comb e capacitive pick-off.
- Sistemi di riferimento per la navigazione inerziale per la navigazione attorno alla terra: ECI, ECEF, NED, ENU, NWU, BODY, Wander Azimuth.
- Modello della terra: gravità, Geoide, campo magnetico.
- Equazioni di meccanizzazione per velocità, posizione ed assetto.
- Sistemi e principi di navigazione NON inerziale: misura velocità ad effetto doppler, VOR, DME e TACAN, LORAN, GPS, Differential GPS ed RTK
- La dinamica dell'errore nella navigazione inerziale strapdown.
- La navigazione inerziale integrata con filtraggio alla kalman diretto e indiretto (error state)
Guida:
- Classificazione dei sistemi di guida. Guida pursuit, constant bearing e proportional navigation guidance (PNG).
- La matematica del triangolo di intercettazione, linearizzazione della dinamica di intercettazione ed il concetto di Zero Effort Miss
- La guida PNG come soluzione di un gioco differenziale.
- La Augmented PNG e la Optimal Guidance Law.
- Proportional Navigation Command Guidance.
- Beam Rider Guidance e Command to LOS Guidance.
- Stima e filtraggio del rumore nei problemi di guida
Syllabus
Navigation:
- Dead reckoning, inertial navigation schemes: stabilized platform and strapdown.
- Measurement of acceleration: mechanical accelerometer, MEMS, restrained pendulum and thermal flux.
- Angular velocity measurement. Gyroscopic effect, precession and nutation, control moment gyro, Rate Gyro, Sagnac effect, Fiber Optic Gyro, Ring Laser Gyro, vibrating element gyroscopes, Quartz and tuning fork gyroscopes, driving comb and capacitive pick-off
- Reference systems for inertial navigation around Earth: ECI, ECEF, NED, ENU, NWU, BODY, Wander Azimuth.
- Earth models: gravity, the Geode, magnetic field.
- Mechanization equations for position, velocity, and attitude.
- Systems and principles for NON inertial navigation: doppler effect, VOR, DME e TACAN, LORAN, GPS, Differential and RTK GPS.
- Error dynamics in inertial strapdown navigation.
- Integrated inertial navigation with Kalman direct and indirect (error state) filtering.
Guidance:
- Classification of Guidance systems. Pursuit and constant bearing guidance, proportional navigation guidance (PNG).
- The mathematics of interception triangle, linearization and the concept of Zero Effort Miss
- PNG guidance as solution of a differential game problem.
- Augmented PNG and Optimal Guidance Law.
- Proportional Navigation Command Guidance.
- Beam Rider Guidance and Command to LOS Guidance.
- Noise filtering and estimation in guidance problems
Bibliografia e materiale didattico
Testi consigliati:
- Zarchan Paul, Tactical and Strategic Missile Guidance, AIAA Progress in Aeronautics and Astronautics, Vol. 199, 2002.
- Rogers Robert, Applied Mathematics in Integrated Navigation Systems, AIAA Education Series, 2000.
- Titterton and Weston, Strapdown Inertial Navigation Technology, Peter Peregrinus Ltd, 1997
Tutti i lucidi delle lezioni (dell'anno precedente) sono disponibili in anticipo.
Bibliography
Suggested readings:
- Zarchan Paul, Tactical and Strategic Missile Guidance, AIAA Progress in Aeronautics and Astronautics, Vol. 199, 2002.
- Rogers Robert, Applied Mathematics in Integrated Navigation Systems, AIAA Education Series, 2000.
- Titterton and Weston, Strapdown Inertial Navigation Technology, Peter Peregrinus Ltd, 1997
All lecture slides (from past year) are available in advance.
Indicazioni per non frequentanti
Nessuna
Non-attending students info
None
Modalità d'esame
L’esame consiste nella valutazione dei risultati dell’attività progettuale ed in una verifica orale delle competenze acquisite.
Assessment methods
Final exam consists in an assessment of the results of the design activity via analysis of the written report and discussion with the student. An oral exam on course topics follows.
Altri riferimenti web
nessuno
Additional web pages
none
Updated: 11/08/2023 15:37
