La ciencia detrás de la fusión de sensores en la cartografía móvil

En este blog, nos adentramos en los detalles de la fusión de sensores en la cartografía móvil, explicando por qué es importante y cómo funciona.

Por qué es importante la fusión de sensores en la cartografía móvil

La fusión de sensores en la cartografía móvil ofrece toda una serie de ventajas. En última instancia, el objetivo es producir datos de posición y orientación lo más precisos posible para la georreferenciación directa. Esto es importante para los profesionales de la cartografía móvil porque les permite realizar estudios en una gama más amplia de entornos y, potencialmente, ofrecer nuevos tipos de estudios, en función de los sensores que se integren.

Ser capaz de medir con precisión en lugares que otros no pueden también podría ser un diferenciador crucial para una empresa de cartografía móvil.

Por supuesto, merece la pena mencionar que incluso un GNSS/INS básico que funcione en entornos de cielo abierto fusiona datos GNSS e IMU, y OXTS lleva más de 25 años perfeccionándolo. Pero la fusión de datos de sensores adicionales en la solución es una prioridad importante para los cartógrafos móviles con visión de futuro, ya que intentan conseguir los siguientes beneficios: 

Redundancia en distintos entornos

Los sensores utilizados para medir la posición no son infalibles. Los cambios en las condiciones, o incluso los errores aleatorios, pueden hacer que las tecnologías de posicionamiento tradicionales introduzcan imprecisiones en un conjunto de datos. La fusión de sensores ayuda a mitigar esta situación proporcionando datos de apoyo procedentes de otros sensores que se comportan de forma diferente. Por ejemplo, si se mueve a través de un túnel y su señal GNSS desaparece, puede utilizar potencialmente los datos de un escáner LiDAR para compensar la falta de datos GNSS.

Libertad de movimiento entre entornos

Cada vez más, los topógrafos y los cartógrafos móviles están estudiando entornos topográficos en los que la señal GNSS no está disponible en absoluto, ya sea a petición de los clientes o para ofrecer proactivamente servicios que les diferencien de la competencia. Los principales ejemplos de estos entornos son los espacios subterráneos e interiores. Aquí es donde la fusión de sensores en la cartografía móvil entra en juego.

Ya existen soluciones cartográficas para estos espacios, pero a menudo no funcionan bien en exteriores. Así que, si tienes que inspeccionar un lugar que tiene espacios interiores y exteriores, pueden surgir complicaciones adicionales.

La fusión de sensores permite combinar métodos de localización en interiores y exteriores en la misma solución, de modo que se puede pasar de un entorno a otro sin problemas utilizando una única carga útil de topografía.

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Cómo interactúan las IMU, los GNSS y otros sensores

El núcleo: una IMU

Ahora entramos en los detalles. En cualquier sistema de fusión de sensores, hay generalmente un sensor central al que se conectan todos los demás. En la gran mayoría de sistemas, eso es una unidad de medición inercial, o IMU. Una IMU contiene acelerómetros y giroscopios, que miden los cambios del momento angular, velocidad y aceleración. Estos datos se pasan por un algoritmo conocido como filtro de Kalman, que filtra los datos susceptibles de ser errónea, y utiliza los datos de la IMU para calcular estimaciones sobre la posición y el movimiento de la IMU.

La siguiente capa: GNSS

Donde las cosas se ponen inteligentes es cuando pasas datos de adicional sensores en el filtro de Kalman para que las estimaciones que produce sean más preciso. El sensor más común datos para fusionarse en una IMU es Podría decirse que GNSS datos, que proporcionan mediciones de posición y altitud. Un sistema que fusiona Los datos IMU y GNSS son generalmente referido se denominan sistemas de navegación inercial o GNSS/INS. Recientemente, sin embargo, se ha avanzado en la fusión de otros sensores en la solución, para hacerla aún más robusta.

Como ya se ha mencionado, esto es en lo que OXTS ha estado trabajando desde nuestra fundacióny es una de las razones por las que nuestros dispositivos tienen fama de ofrecer altamente fiable y preciso datos.

La próxima generación: LiDAR y otros sensores

El sensor más popular de momento para fusionarse en un GNSS/INS es el LiDAR. Abreviatura de Light Detection Y Ranging, El LiDAR es un potente sensor que suele utilizarse para la fusión de sensores en la cartografía móvil.. Dispara pulsos láser que rebotan en los objetos que rodean al sensor y, midiendo el tiempo que tarda el pulso en volver, el LiDAR puede medir con precisión la distancia desde el sensor hasta el punto. Es necesario un trabajo complejo para convertir estos datos en mediciones que puede utilizar un filtro Kalman - pero existen integraciones (incluida la nuestra) que lo hacen más fácil.

Más información uso de LiDAR para mejorar la precisión de la posición 

También se pueden integrar otros sensores. Los sensores de velocidad de las ruedas (también conocidos como sensores de tick de rueda) han sido utilizados por comprobadores de automóviles Desde hace años se utilizan para mejorar la precisión; también pueden emplearse para la fusión de sensores en la cartografía móvil, mientras el vehículo es terrestre y tiene ruedas.

Las cámaras pueden integrarse en soluciones estándar que ofrecen odometría basada en cámaras. Y hay muchos más sensores que podrían utilizarse. Mientras tiene la técnica experiencia para integrar correctamente los datos, puede integrar una amplia gama de sensores para mejorar la precisión. En OXTS, nuestra filosofía es que cada sensor tiene sus propios puntos fuertes, que pueden utilizarse para compensar los puntos débiles de otros sensores en diversos entornos. Puede ver esa filosofía en acción en nuestro producto más reciente, WayFinder Prime, que integra un GNSS/INS, LiDAR y cámaras para ofrecer una solución de navegación llave en mano que funciona en cualquier entorno.

Pero, ¿qué conocimientos se necesitan? Veamos algunas de las consideraciones clave para que la fusión de sensores tenga éxito en la cartografía móvil.

Sincronización y calibración de los sensores

Estas son dos consideraciones fundamentales de la fusión de sensores. Veámoslos uno por uno.

Sincronización de sensores

En las configuraciones de navegación multisensor, es fundamental que los relojes internos de los sensores estén sincronizados. Si no lo están, todo el sistema puede venirse abajo.

En la mayoría de los sistemas modernos, esto se hace utilizando PTP, o gPTP. Todos los dispositivos OXTS admiten configuraciones PTP y gPTP, y pueden actuar como reloj maestro (para que el resto de sensores alineen sus relojes con el GNSS/INS) o como cliente, sincronizándose con el reloj de otro dispositivo. Una vez más, esto puede ser importante para la fusión de sensores en la cartografía móvil.

Más información sobre PTP y gPTP

Calibración del sensor

Si la sincronización consiste en conseguir que los sensores se pongan de acuerdo en cuando, La calibración consigue que los sensores se pongan de acuerdo en donde. Todos los sensores producen datos en lo que se conoce como marco de referencia. Así, por ejemplo, el movimiento podría notificarse en formato x,y,z: nos hemos movido 3 cm a lo largo del eje x, 5 cm a lo largo del eje y y 2 cm en el eje z. Otros sensores podrían informar de ese mismo movimiento en formato adelante, lateral, abajo: 3 cm hacia adelante, 5 cm lateralmente y -2 cm hacia abajo (¡o 2 cm hacia arriba!). Como primer paso, tienes que convertir todos los datos de tus sensores en un marco de referencia común, para que el filtro Kalman pueda procesarlos correctamente. 

Una vez hecho esto, también hay que tener en cuenta las diferentes posiciones de los sensores. Cada sensor estará en un lugar ligeramente diferente de la carga útil, lo que significa que calcularán el movimiento de forma ligeramente diferente, especialmente al girar, ya que un sensor situado en el exterior de la carga útil viajará más lejos que un sensor situado en el centro de la carga útil.

Además, es posible que los sensores no apunten en la misma dirección. Por ejemplo, un LiDAR montado en un lateral y orientado hacia un lado del coche registraría el movimiento hacia delante como un movimiento lateral. Estas variaciones deben tenerse en cuenta mediante brazos de palanca: un conjunto de mediciones que describen la diferencia de posición y orientación entre el sensor y el sensor central (en este caso, la IMU). 

Se puede llegar a un mayor nivel de precisión con la calibración LiDAR realizando una calibración de la mira. Una calibración de puntería alinea los marcos de coordenadas LiDAR y GNSS/INS, con una precisión de décimas de grado. Para los topógrafos LiDAR, la calibración de la mira tiene un doble beneficio: mejora la precisión de los datos LiDAR para fines de navegación y también mejora la precisión del levantamiento final de la nube de puntos.

Más información sobre la calibración del calibre

Fusión de datos

Una vez que hayas configurado la sincronización y calibrado tus sensores, estarás casi listo para empezar a realizar la fusión de sensores. 

Las calibraciones que hayas realizado -alineación de marcos de coordenadas y brazos de palanca- se almacenarán en la interfaz entre tus sensores externos y tu sensor central; esa interfaz tomará las salidas de tus sensores y las convertirá en mediciones con las que pueda trabajar el filtro Kalman de la IMU.

Otro elemento importante que hay que incluir en esta interfaz es lo que se conoce como covarianza. Se trata de una estimación de la precisión de los datos, que el filtro de Kalman utiliza para decidir si mantener o descartar una medición de ese sensor. Por lo general, puede encontrar esta información en la documentación de su sensor; si no, hay otras formas de calcularla, como en nuestra documentación sobre fusión de sensores utilizando nuestra interfaz de datos genéricos de ayuda (GAD).

Cuando lo tengas todo configurado, tendrás que dedicar tiempo a probarlo todo para asegurarte de que obtienes los resultados que necesitas.

¿Necesita ayuda?

Esperamos que este artículo te haya ayudado a entender cómo funciona la fusión de sensores en la cartografía móvil y a avanzar en tu propio proyecto. Si todavía le resulta difícil, nuestros ingenieros podrían ayudarle. Llevamos años trabajando en la fusión de sensores, así que nuestros ingenieros han visto muchos de los diferentes retos que pueden surgir y puede ayudarle a superarlos.

Si quiere saber más sobre la fusión de sensores en cargas útiles de cartografía móvil, utilice nuestro formulario de contacto para ponerse en contacto.