Formula Student: o papel crucial do IMU/GNSS
Várias equipes de veículos elétricos e autônomos equiparam seus carros de corrida com nosso Ellipse IMU/GNSS durante a Competição Fórmula Student.
O sensor Ellipse-D atendeu a todas as nossas necessidades e estamos muito satisfeitos com ele. O GNSS é muito estável, o Filtro de Kalman também é satisfatório. | Daniel K., AMZ Racing Electric Team
A Formula Student é uma competição internacional de engenharia educacional na qual equipes de estudantes de todo o mundo projetam, constroem e correm com seus próprios carros de corrida de fórmula. A competição inclui 3 categorias: carros elétricos, autônomos e combustíveis.
Os participantes da Formula Student não devem apenas construir o carro de corrida mais rápido, mas também se destacar em resistência, aceleração e desempenho em skid pad.
Como especialistas em Sistemas de Navegação Inercial e parceiros de várias equipes, entrevistamos várias equipes de engenheiros que usam nossa Unidade de Medição Inercial (IMU) combinada com o Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) para entender quais são os elementos-chave para o sucesso.
A Importância do IMU/GNSS para a Dinâmica Precisa do Carro
O IMU/GNSS fornece informações decisivas sobre o estado do carro, como posição, velocidade, taxa de guinada (yaw rate), ângulo de deriva (slip angle), aceleração e orientação, aos carros das equipes concorrentes, conforme declarado por D. Kiesewalter, da AMZ Racing:
“Precisávamos de um IMU por várias razões. Principalmente para determinar o estado de posição do nosso carro. Também precisávamos ter um controle de dinâmica eficiente e uma determinação confiável e precisa dos Ângulos de Euler (roll, pitch e heading).”
Dessa forma, engenheiros de carros elétricos e a combustão podem entender o que melhorar comparando o estado real com o teórico.
Critérios de dinâmica do carro Formula Student
O domínio da aceleração é primordial em corridas de Fórmula. A aceleração excessiva do carro pode causar derrapagem, resultando em desgaste dos pneus. Para minimizar o desgaste dos pneus e extrair o máximo de potência e desempenho do motor, a aceleração precisa ser controlada.
O rastreamento da trajetória do carro de corrida é essencial. Uma análise do circuito é conduzida utilizando os dados de IMU/GNSS, especialmente a posição, e auxilia na determinação do posicionamento do carro dentro do circuito ou durante as curvas.
Não vamos esquecer que a Formula Student é uma corrida. Um dos objetivos da competição é ir mais rápido na pista do que as outras equipes. A velocidade é, portanto, um fator crucial a ser estudado, graças ao IMU/GNSS. Mas é ainda mais importante para carros de corrida elétricos, pois eles precisam rastrear a energia consumida.
Carros de corrida autônomos: Extraindo o melhor de Direção e Navegação do IMU/GNSS
Carros de corrida podem usar GPS de antena única para direção, mas veículos autônomos dependem de IMU/GNSS de antena dupla para uma direção precisa. Isso permite uma inicialização mais rápida e fornece direção real, mesmo em posição estacionária.
J. Liberal Huarte da UPC Driverless (ETSEIB) explica que a direção e a localização são essenciais para que outras partes do equipamento funcionem corretamente: “Quando operamos com tecnologias LiDAR, o fato de você estar direcionado 1 grau para um lado ou para o outro influencia muito a posição.
Portanto, uma direção precisa é um grande requisito. E também, localização e mapeamento: é muito importante se localizar em X, Y.” Portanto, implementar um Dual GNSS/IMU neste tipo de carro de corrida é a melhor solução, pois fornece direção e posição verdadeiras, o que também ajuda a estabilizar o LiDAR.
A direção é tão importante quanto a navegação precisa para carros de corrida autônomos. O Real Time Kinematic (RTK) permite uma estimativa extremamente precisa da posição (1-2 cm). Quanto mais preciso for o IMU/GNSS, mais o carro consegue permanecer na faixa do circuito sem desviar.
O IMU/GNSS analisa o circuito para garantir o posicionamento ideal do carro e a otimização da trajetória.
Menos tempo de implementação = mais tempo para todo o projeto
“Temos um tempo de teste muito curto, então, se for rápido, podemos ir mais rápido na pista e testar mais”, afirma A. Kopp, Controle de Dinâmica do Veículo, TUfast Racing.
As equipes não têm muito tempo para integrar as diferentes partes do veículo e testá-las. Como as estruturas CAN e ROS são usadas principalmente por engenheiros automotivos, o IMU/GNSS que pode fazer parte de tais fluxos de trabalho pode economizar um tempo enorme de desenvolvimento.
Uma biblioteca C limpa fornecida com exemplos é outra forma de ajudar as equipes com sua integração.
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Ellipse-D
O Ellipse-D é um sistema de navegação inercial que integra uma antena dupla e um GNSS RTK de dupla frequência que é compatível com o nosso software de pós-processamento Qinertia.
Projetado para aplicações robóticas e geoespaciais, ele pode fundir a entrada do odômetro com Pulse ou CAN OBDII para maior precisão de dead-reckoning.
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Bem-vindo à nossa seção de FAQ! Aqui, você encontrará respostas para as perguntas mais comuns sobre as aplicações que apresentamos. Se você não encontrar o que procura, sinta-se à vontade para nos contatar diretamente!
O que é GNSS vs GPS?
GNSS significa Global Navigation Satellite System e GPS para Global Positioning System. Esses termos são frequentemente usados de forma intercambiável, mas se referem a conceitos distintos dentro dos sistemas de navegação baseados em satélite.
GNSS é um termo coletivo para todos os sistemas de navegação por satélite, enquanto o GPS se refere especificamente ao sistema dos EUA. Ele abrange múltiplos sistemas que fornecem uma cobertura global mais abrangente, enquanto o GPS é apenas um desses sistemas.
Você obtém maior precisão e confiabilidade com o GNSS, integrando dados de vários sistemas, enquanto o GPS sozinho pode ter limitações dependendo da disponibilidade de satélites e das condições ambientais.
Qual é a diferença entre AHRS e INS?
A principal diferença entre um Attitude and Heading Reference System (AHRS) e um Inertial Navigation System (INS) reside em sua funcionalidade e no escopo dos dados que eles fornecem.
O AHRS fornece informações de orientação — especificamente, a atitude (inclinação, rotação) e direção (guinada) de um veículo ou dispositivo. Ele normalmente usa uma combinação de sensores, incluindo giroscópios, acelerômetros e magnetômetros, para calcular e estabilizar a orientação. O AHRS emite a posição angular em três eixos (inclinação, rotação e guinada), permitindo que um sistema entenda sua orientação no espaço. É frequentemente usado em aviação, UAVs, robótica e sistemas marítimos para fornecer dados precisos de atitude e direção, o que é fundamental para o controle e estabilização do veículo.
Um INS não apenas fornece dados de orientação (como um AHRS), mas também rastreia a posição, velocidade e aceleração de um veículo ao longo do tempo. Ele usa sensores inerciais para estimar o movimento no espaço 3D sem depender de referências externas como GNSS. Ele combina os sensores encontrados em AHRS (giroscópios, acelerômetros), mas também pode incluir algoritmos mais avançados para rastreamento de posição e velocidade, muitas vezes integrando-se com dados externos como GNSS para maior precisão.
Em resumo, o AHRS se concentra na orientação (atitude e direção), enquanto o INS fornece um conjunto completo de dados de navegação, incluindo posição, velocidade e orientação.
Qual é a diferença entre IMU e INS?
A diferença entre uma Unidade de Medição Inercial (IMU) e um Sistema de Navegação Inercial (INS) reside em sua funcionalidade e complexidade.
Uma IMU (unidade de medição inercial) fornece dados brutos sobre a aceleração linear e a velocidade angular do veículo, medidas por acelerômetros e giroscópios. Ela fornece informações sobre rolagem (roll), inclinação (pitch), guinada (yaw) e movimento, mas não calcula dados de posição ou navegação. A IMU é especificamente projetada para transmitir dados essenciais sobre movimento e orientação para processamento externo, a fim de determinar a posição ou velocidade.
Por outro lado, um INS (sistema de navegação inercial) combina dados da IMU com algoritmos avançados para calcular a posição, velocidade e orientação de um veículo ao longo do tempo. Ele incorpora algoritmos de navegação, como a filtragem de Kalman, para fusão e integração de sensores. Um INS fornece dados de navegação em tempo real, incluindo posição, velocidade e orientação, sem depender de sistemas de posicionamento externos como o GNSS.
Este sistema de navegação é tipicamente utilizado em aplicações que exigem soluções de navegação abrangentes, particularmente em ambientes com negação de GNSS, como UAVs militares, navios e submarinos.
O INS aceita entradas de sensores auxiliares externos?
Os Sistemas de Navegação Inercial da nossa empresa aceitam entradas de sensores auxiliares externos, como sensores de dados aéreos, magnetômetros, odômetros, DVL e outros.
Essa integração torna o INS altamente versátil e confiável, especialmente em ambientes com GNSS negado.
Esses sensores externos melhoram o desempenho geral e a precisão do INS, fornecendo dados complementares.
