Nehmen wir an, Sie bauen ein Robotaxi und haben digitale HD-Karten der Stadt gekauft, in der Sie arbeiten, damit das Fahrzeug sie zur Navigation verwenden kann. Während der Integrationsphase bemerken Sie ein Problem. Den Kartendaten zufolge sind Sie an einer bestimmten Koordinate angekommen - und während das GNSS-System des Robotaxis zustimmt, dass Sie an diesem Ort angekommen sind, gibt es eine andere Koordinate an. Woran liegt das?
In diesem Artikel erläutern wir eine häufige Herausforderung bei der autonomen Navigation - die Bezugspunkte - und wie man sie löst.
Was ist ein Bezugspunkt?
Im Bereich der Trägheitsnavigation spricht man von zwei Bezugspunkten - dem horizontalen und dem vertikalen. Beide Bezugspunkte sind eine Kombination aus zwei verschiedenen Daten, die für die Erstellung von Karten unerlässlich sind:
- Ein Referenzellipsoid der Erde
- Ein Bezugsrahmen, der das Koordinatensystem der Karte mit der Erde an einen bestimmten Punkt bindet
Stellen Sie sich vor, Sie hätten ein Stück Stoff, auf das ein Gitter gezeichnet ist, und einen riesigen Luftballon. Der Ballon ist das Referenzellipsoid, und der Bezugsrahmen ist das Tuch. Wenn Sie das Tuch über den Ballon ziehen würden, wäre das ein horizontaler Bezugspunkt. Vertikale Bezugspunkte geben uns die Möglichkeit, die Höhe zu messen, und einige verwenden die hypothetische Oberfläche ihres Bezugsellipsoids (den Ballon) als Bezugspunkt, während andere die Seehöhe an bestimmten Punkten der Erde verwenden.
Kompliziert wird es dadurch, dass es viele verschiedene Bezugspunkte gibt - und jeder liefert ein etwas anderes Ergebnis. Einige Unterschiede zwischen den Bezugspunkten ergeben sich aus der Verwendung unterschiedlicher Referenzellipsoide (stellen Sie sich vor, dasselbe Tuch über einen anders geformten Ballon zu ziehen), während andere aus der Verwendung unterschiedlicher Referenzrahmen resultieren (stellen Sie sich vor, ein anderes Tuch über Ihren ursprünglichen Ballon zu ziehen) - oder aus beiden Faktoren (übertreibe ich das Beispiel mit dem Tuch und dem Ballon?).
Das Ergebnis ist, dass sich dieselben Koordinaten auf verschiedene Orte in verschiedenen Bezugssystemen beziehen können - und umgekehrt kann derselbe Ort mehrere Koordinaten in verschiedenen Bezugssystemen haben.
Was hat das mit autonomer Navigation zu tun?
Verschiedene Organisationen verwenden unterschiedliche Datumsangaben. In Australien zum Beispiel gibt es drei Datumsangaben, die von verschiedenen Organisationen aktiv verwendet werden: das aktuellste Datum GDA94, sein Vorgänger AGD84 und eine ältere Version namens ADG66. Die Kartendaten, die Sie für Ihre Stadt gekauft haben, wurden unter Verwendung eines bestimmten Bezugssystems erstellt - und Ihr autonomes Fahrzeug wird die Welt unter Verwendung seines eigenen Bezugssystems navigieren. Wenn die beiden nicht übereinstimmen - oder Sie die Unterschiede zwischen ihnen nicht berücksichtigt haben - werden Sie feststellen, dass Ihre GNSS-Daten nicht mit Ihren Kartendaten übereinstimmen.
Und (nur für den Fall, dass Sie versucht sind zu glauben, dass es sich dabei um ein kleines Problem handelt), Unterschiede zwischen den Datumsangaben können große Probleme verursachen. Um auf unser vorheriges Beispiel zurückzukommen: Die gleichen Koordinaten in GDA94 und AGD84 können an manchen Stellen um mehr als 200 m voneinander abweichen. Außerdem könnte eine Abweichung bei den vertikalen Bezugspunkten dazu führen, dass Ihr Fahrzeug seine Höhe im Vergleich zur Höhe einer Brücke, die es unterqueren muss, falsch einschätzt. Sie können sich hoffentlich vorstellen, welche Folgen dies für Ihr Fahrzeug und alle Personen, die sich zu diesem Zeitpunkt auf der Brücke befinden, haben könnte!
Wie gehe ich mit mehreren Bezugspunkten um?
Es ist relativ einfach, Koordinaten von einem Bezugssystem in ein anderes zu konvertieren - wichtig ist nur, dass Sie wissen, mit welchen Bezugssystemen Sie arbeiten. Sie können das Datum wählen, das Ihr INS verwendet, um die von den GNSS-Satelliten empfangenen Daten zu interpretieren, aber Sie müssen herausfinden, in welchem Datum externe Kartendaten, die Sie gekauft haben, erstellt wurden.
Wenn Sie also autonome Traktoren in mehr als einem Land (oder Kontinent) verkaufen wollen, müssen Sie Ihre Fahrzeuge je nach den verwendeten Kartendaten unterschiedlich konfigurieren. Wenn Ihr Fahrzeug so weit fährt, dass Sie zwei Kartendatensätze kombinieren müssen, müssen Sie die Bezugspunkte beider Karten kennen und genau wissen, wann Sie die Umrechnung ändern müssen, wenn Ihr Fahrzeug eine Karte nicht mehr nutzt und eine andere verwendet.
Es ist auch wichtig, das vertikale Datum nicht zu vergessen. Während die meisten GNSS-Satelliten die Höhe relativ zu einem Erdellipsoid angeben (spezifisch für jede GNSS-Konstellation), enthält der Prozessor Ihres GNSS-Empfängers auch ein Modell des Geoids (klicken Sie hier, um zu erfahren, was das ist), das verwendet wird, um Ihnen die geoidale Höhe anzuzeigen(dieser Artikel enthält eine großartige Erklärung der verschiedenen Arten von Höhenmessungen). Es gibt jedoch einige Probleme:
- Die von Ihrem GNSS-Empfänger berechnete geoidale Höhe ist möglicherweise nicht sehr genau - minderwertige Empfänger verfügen oft nur über ein Geoidmodell mit sehr geringer Auflösung, mit dem sie arbeiten können.
- Verschiedene GNSS-Karten verwenden unterschiedliche Geoidmodelle zur Berechnung der Höhe.
- Die HD-Kartendaten, die Ihr Fahrzeug verwendet, haben auch einen bestimmten vertikalen Bezugspunkt zur Berechnung der Höhen verwendet, der möglicherweise nicht mit dem Ihren übereinstimmt.
Um sicherzustellen, dass Ihre Höhenschätzungen korrekt sind (was wichtig sein kann, wenn Ihr autonomes Fahrzeug unter Dingen wie Brücken oder Portalen hindurchfahren muss), müssen Sie sicherstellen, dass Sie möglichst genaue Höhenschätzungen verwenden und korrekt zwischen den verschiedenen vertikalen Bezugspunkten konvertieren, die in Ihrem GNSS-Empfänger und Ihrer Karte verwendet werden.
Die Lösung OxTS
Unter OxTS haben wir versucht, unsere INS-Geräte für die Benutzer flexibler zu gestalten, indem wir ihnen die Möglichkeit gegeben haben, Positionsdaten in Echtzeit unter Verwendung der folgenden Bezugspunkte auszugeben:
- WGS84
- ITRF2008
- ETRS89
- NAD83
Es nimmt dem Benutzer zwar nicht die gesamte Arbeit ab, aber es erleichtert die Arbeit, da es eine Reihe von Bezugspunkten gibt, mit denen er arbeiten kann.
Mit unserem INS können Sie auch wählen, ob Sie Höhendaten auf der Grundlage der eigenen Berechnungen des GNSS-Empfängers für die geoidale Höhe oder die Ellipsoidhöhe ausgeben möchten. Da die Ellipsoidhöhe des GNSS-Empfängers in der Regel viel genauer ist als die geoidale Höhe, können Sie so ein System aufbauen, das mit der genauest möglichen Höhe arbeitet - solange Sie daran denken, alle Höhenmessungen vor der Integration in denselben Bezugspunkt zu konvertieren.
Noch Fragen?
Wir hoffen, dass dieser Artikel hilfreich für Sie war, wenn Sie sich über die Besonderheiten der Trägheitsnavigation für autonome Fahrzeuge informieren. Wenn Sie Fragen haben, bei denen Sie Hilfe benötigen, stehen wir Ihnen jederzeit gerne zur Verfügung - kontaktieren Sie uns einfach unter support@oxts.com
