Навигационная система с внешним инерциальным блоком для определения точной траектории транспорта при потере спутниковых сигналов

Частой проблемой определения точной траектории движения транспортных средств являются всевозможные помехи при приеме спутникового сигнала. Например, в городской среде это могут быть мосты, эстакады, высокий лес по обе стороны от дороги и все, что хоть как-то кратковременно закрывает небосвод. В этом случае сигнал со спутников прекращает поступать на ГНСС-антенну приемника, установленного на автомобиле, RTK-решение «расходится» и точность определения траектории значительно падает (Рис. 1а, 1б). А так как автомобиль продолжает движение со своей стандартной скоростью, то до момента восстановления фиксированного решения может быть потеряна значительная часть траектории. 

Рисунок 1а (2).png
Рисунок 1а 

Рисунок 1б.png
Рисунок 1б
 

Возможным решением данной проблемы может стать использование инерциальных систем.

Инерциальная система позволяет моделировать движение объекта без использования внешних данных (курс, координаты со спутников) за счет определения его ускорения и угловых скоростей дополнительными датчиками: акселерометрами, гироскопами и др.

Таким образом, даже при отсутствии спутниковых сигналов ИНС может рассчитать координаты и курс движущегося объекта!

К сожалению, ИНС, которые могут работать полностью без спутниковой навигации и называются платформенными, не подходят для нашего решения, так как они очень громоздкие и дорогостоящие.

Бесплатформенные ИНС (БИНС) гораздо дешевле и компактнее, но в обязательном порядке требуют опорных данных в виде спутниковой навигации. Именно такой инерциальный блок мы и решили использовать.

Наша БИНС основана на датчиках МЭМС (микроэлектромеханические системы) и содержит 3х-осевой акселерометр и 3х-осевой гироскоп.

В качестве ровера мы используем наш усовершенствованный двухантенный ГНСС-приемник 4GNSS ОС-203 с поддержкой внешнего инерциального блока (Рис.2). Внешние антенны установили на корпусе автомобиля: Мастер-антенну на капот, а Ровер-антенну на багажник. Это позволило записывать во внутреннюю память и координаты антенн и курс автомобиля. 

Рисунок 2.jpg
Рисунок 2
 

Наше комплексированное ГНСС+ИНС решение основано на слабо-связанном фильтре. В процессор от навигационного приемника поступают готовые RTK координаты, составляющие скорости и их оценка точности. А от инерциального блока – ускорения, угловые скорости и их оценка точности по 3-м осям. Полученная таким образом траектория является намного более целостной (Рис. 3а, 3б)

Рисунок 3а.png
Рисунок 3а 

Рисунок 3б.png
Рисунок 3б
 

На данный момент мы можем гарантировать высокоточную траекторию движения без потерь в течение 15-20 сек при потере слежения за навигационными спутниками.

На картинках ниже показана траектория, которую мы получили при длительном отсутствии спутникового сигнала в тоннелях, подгрузив в процессор модель движения автомобиля (Рис. 4).

Очевидно, что достоверность траектории гораздо выше. Чем больше времени инерциальный блок не получает данных от навигационного приемника, тем хуже решение, тем дальше траектория от истинного положения. И, напротив, благодаря модели движения траектория даже в тоннеле хорошо "сидит" на основе.
 

Рисунок 4.png
Рисунок 4. На фото:

Зеленая траектория: ГНСС+ИНС
Синяя траектория: ГНСС+ИНС+Модель движения автомобиля
 

Когда мы отработаем этот вариант до стабильного результата, то сможем гарантировать автономную работу БИНС до 1-2 минут без потери траектории. 

Рисунок 5.jpg
Рисунок 5 

27 февраля 2019 года нам удалось испытать эту навигационную систему на беспилотном электробусе команды НГТУ (Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева) на конкурсе беспилотных автомобилей «Зимний город» (Рис. 5). Навигационная система 4GNSS ОС-203 определяет точные координаты и курс автомобиля, позволяя двигаться по заранее заданной траектории с сантиметровой точностью.

По результатам квалификационных тестов беспилотный электробус команды НГТУ с нашей навигационной системой стал лидером соревнований и вышел в финал, набрав 7 баллов из 8 возможных. Теперь мы с нетерпением ждем финала «Зимнего города», который будет проходить в декабре 2019 года, где, надеемся, наша система так же покажет себя очень хорошо.


Возврат к списку