Eine der größten Herausforderungen für autonome Fahrzeuge in bebauten Gebieten - sei es in städtischen Umgebungen oder in industriellen Umgebungen wie Bergwerken oder Häfen - ist die Frage, was zu tun ist, wenn das GNSS-Signal die Sichtlinie zu einigen Satelliten verliert, Mehrwegfehler auftritt oder das Signal ganz ausfällt.
In diesem Artikel befassen wir uns mit der Frage, wie autonome Fahrzeuge auch bei lückenhaftem oder nicht vorhandenem Satellitensignal auf dem richtigen Weg bleiben können.
Ich habe eine IMU - wo ist das Problem?
Wenn Sie neu auf dem Gebiet der Autonomie sind (oder in dieser Wiki-Reihe), dann könnten Sie versucht sein zu denken, dass der einfache Einbau einer Inertialmesseinheit (IMU) in Ihr Fahrzeug ausreicht, um das Problem zu lösen - dafür ist sie ja schließlich da, oder?
Nun, ja - und nein. Die IMU trägt dazu bei, die Genauigkeit der Fahrzeugposition (Neigung, Drehung und Gieren) zu erhalten, wenn das GNSS-Signal ausfällt, aber sie ist nicht perfekt. IMUs sind so konzipiert, dass sie eng mit GNSS-Updates zusammenarbeiten - aber alleine unterliegen sie der so genannten IMU-Drift. Selbst ein Ausfall der GNSS-Abdeckung von nur 60 Sekunden kann zu einer IMU-Drift von zwei Metern führen, wenn keine anderen Sensoren zur Hilfe kommen. Eine solche Drift könnte leicht dazu führen, dass ein autonomer Bergbau-Lkw gegen einen Schacht fährt oder ein autonomer Reach Stacker mit einem großen Turm von Seecontainern kollidiert. Und da GNSS-Signale in vielen Bereichen, in denen diese Fahrzeuge eingesetzt werden, notorisch unzuverlässig sind, braucht man andere Optionen, um sie auf dem richtigen Weg zu halten.
Option 1: Beschränken Sie Ihre IMU
Wenn Sie die Abmessungen Ihres Fahrzeugs kennen, einschließlich Radstand und Anzahl der Lenkachsen (und ich hoffe, dass Sie diese kennen, wenn Sie ein autonomes Fahrzeug bauen!), dann können Sie Ihrem Kalman-Filter mitteilen, dass er seitliche Bewegungsmesswerte von Ihrer IMU, die eine IMU-Drift anzeigen, ignorieren soll. Bei OxTS INS-Geräten nennen wir dies Noslip, und es funktioniert sowohl für Gieren (seitliche Drift) als auch für Nicken (Auf- und Abwärtsbewegung).
Option 2: Verwendung zusätzlicher Sensoren
Das Prinzip ist einfach: Wenn Ihre IMU nicht zuverlässig genug ist, um Sie ohne GNSS auf dem richtigen Kurs zu halten, sollten Sie mehr Daten sammeln, damit Sie auf dem richtigen Weg bleiben.
Ein beliebter Sensor, den wir zu diesem Zweck verwenden, ist ein Raddrehzahlsensor. Wenn Sie die Daten des Raddrehzahlsensors mit den IMU-Messwerten kombinieren, können Sie schlechte Daten, die durch die IMU-Drift verursacht werden, aussortieren und so Ihr Fahrzeug auf Kurs halten. Es können jedoch auch andere Sensoren verwendet werden. Auf OxTS haben wir beispielsweise die LiDAR-Odometrie (oder kurz LiO) entwickelt, die es unseren INS-Geräten ermöglicht, Daten von einem am Fahrzeug montierten LiDAR-Scanner zu verwenden, um Geschwindigkeits- und Kursinformationen zu berechnen. In Kombination mit den Einschränkungen, die wir unserer IMU mit Noslip auferlegt haben, können wir daraus eine Karte unserer Route erstellen...
... dazu:
Die Integration zusätzlicher Sensordaten kann vor allem bei autonomen Fahrzeugen - von Lkw bis hin zu Taxis - sinnvoll sein, da diese mit größerer Wahrscheinlichkeit bereits zusätzliche Sensoren an Bord haben, mit denen Sie die Genauigkeit relativ kostengünstig verbessern können. Bei einigen Fahrzeugen können Sie sogar den CAN-Bus nutzen, um auch Daten von den bordeigenen Sensoren zu erfassen.
Option 3: Enge Kopplung von GNSS- und IMU-Daten
Wenn Sie einen GNSS-Empfänger und eine IMU angeschlossen haben und die Daten kombinieren, dann ist das Ergebnis das, was wir als lose gekoppelte Daten bezeichnen würden. Das ist sicherlich gut genug, wenn Sie ein starkes GNSS-Signal haben, aber - wie wir bereits erwähnt haben - sobald Sie die Satelliten verlieren, kann Ihr GNSS Ihnen keine Positionsdaten liefern. Eine enge Kopplung der Daten ermöglicht es Ihnen, einige dieser Satellitendaten zu retten, wenn die Satellitenabdeckung teilweise ausfällt, und kann Ihnen helfen, schneller wieder eine genaue GNSS-Position zu erhalten, wenn Ihr INS wieder Satelliten sehen kann.
Die enge Kopplung von GNSS- und IMU-Daten bedeutet im Wesentlichen, dass Sie eine Ebene tiefer in Ihre GNSS-Daten eindringen müssen. Die Ergebnisse, die Sie normalerweise von einem GNSS-Empfänger erhalten, sind das Ergebnis einer Verarbeitung durch den GNSS-Empfänger selbst; er hat Daten von allen Satelliten, die er sehen kann, genommen und sie kombiniert, um zu Positions- und Kurslösungen zu gelangen, die er als Ausgabe an Sie weitergibt. In einem eng gekoppelten System verlässt man sich nicht auf die Ausgabe des Empfängers, sondern nimmt die Rohdaten, die der Empfänger verwendet, und speist sie in das Navigationssystem ein. Auf diese Weise kann Ihr System die IMU-Daten nutzen, um jedes einzelne Satellitensignal auszuwerten, wobei die ungenauen Signale außer Acht gelassen und die genauen verwendet werden, um die IMU-Drift zu begrenzen.
Die enge Kopplung Ihrer IMU- und GNSS-Daten hat zusätzliche Vorteile, wenn Sie ein OxTS INS verwenden. Wir haben unsere Geräte so entwickelt, dass, wenn das GNSS-Signal nach einem Verlust wiedergefunden wird, die IMU-Daten dem INS helfen, den RTK-Lock (im Wesentlichen hochgenaues GNSS) in wenigen Sekunden statt in bis zu 30 Sekunden wiederzuerlangen. Dies ist für autonome Fahrzeuge von großem Vorteil, denn es bedeutet, dass sie Navigationsprobleme viel schneller korrigieren können, sobald sie wieder ein GNSS-Signal empfangen, wodurch das Risiko, dass etwas Unerwünschtes passiert, verringert wird.
Verwenden Sie so viele Methoden wie möglich
Sie können alle oben genannten Methoden kombinieren, um die Position Ihres Fahrzeugs auch dann genau zu bestimmen, wenn die GNSS-Abdeckung abnimmt - je mehr, desto besser, wie man sagt. Es ist auch wichtig zu wissen, dass Sie je nach Ausstattung Ihres Fahrzeugs möglicherweise über den CAN-Bus auf Daten zugreifen können (z. B. wenn Ihr Fahrzeug über einen eigenen Raddrehzahlsensor verfügt), die Sie verwenden können, anstatt neue Sensoren zu kaufen.
Der Trick ist jedoch, sicherzustellen, dass alles richtig konfiguriert ist. Um Ihre IMU effektiv einzuschränken, müssen Sie beispielsweise die Abmessungen des Fahrzeugs kennen. Für die Integration zusätzlicher Sensoren müssen Sie wissen, in welchem Bezugsrahmen die Sensordaten bereitgestellt werden und in welchen Einheiten, damit Sie die Daten richtig transformieren können, damit sie mit den IMU-Daten übereinstimmen (andernfalls könnte eine seitliche Bewegung als vorwärts, aufwärts, abwärts usw. interpretiert werden). Wenn Sie Daten von Sensoren wie z. B. LiDAR verwenden wollen, wird es noch komplexer, da die Ausgaben der Sensoren verarbeitet werden müssen, um tatsächlich nützliche Informationen für Ihr Navigationsmodul zu liefern.
Noch Fragen?
Wir hoffen, dass dieser Artikel Ihnen bei der Planung von Methoden zum Umgang mit dem Verlust der GNSS-Abdeckung geholfen hat. Sollten Sie dennoch Fragen haben, helfen wir Ihnen gerne weiter - kontaktieren Sie uns einfach unter support@oxts.com und wir werden unser Bestes tun, um Ihnen zu helfen.
