Formula Student: o papel crucial do IMU
Várias equipes elétricas e sem motorista equiparam seus carros de corrida com nossa Ellipse IMU durante a competição de Fórmula Student.
O sensor Ellipse-D atendeu a todas as nossas necessidades e estamos muito satisfeitos com ele. O GNSS é muito estável e o filtro Kalman também é satisfatório. | Daniel K., equipe elétrica da AMZ Racing
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 fórmula. A competição inclui três categorias: Carros elétricos, sem motorista e a combustível.
Os participantes da Formula Student devem não apenas construir o carro de corrida mais rápido, mas também se destacar em resistência, aceleração e desempenho de derrapagem.
Como especialista em Sistemas de Navegação Inercial e parceiro de várias equipes, entrevistamos várias equipes de engenheiros que usam nossa Unidade de Medição InercialIMU) combinada com o Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) para entender quais são os principais elementos para o sucesso.
A importância da IMU para a dinâmica precisa do carro
A IMU fornece informações decisivas sobre o estado do carro, como posição, velocidade, taxa de guinada, ângulo de escorregamento, aceleração e orientação para os carros das equipes concorrentes, como afirma D. Kiesewalter, da AMZ Racing:
"Precisamos de uma IMU por vários motivos. Também precisávamos ter um controle dinâmico eficiente e uma determinação confiável e precisa dos ângulos de Euler (rotação, inclinação e direção)."
Dessa forma, os engenheiros de carros elétricos e a combustível podem entender o que deve ser melhorado comparando o estado real com o teórico.
Critérios de dinâmica de carros da Formula Student
Dominar a aceleração é primordial durante as corridas de Fórmula. Quando o carro acelera demais, ele pode derrapar, o que causa o desgaste das rodas. Para minimizar o desgaste dos pneus e aproveitar ao máximo a potência e o desempenho do motor, a aceleração deve ser verificada.
O rastreamento da trajetória do carro de corrida é essencial. Uma análise do circuito é realizada graças aos dados IMU, especialmente a posição, e ajuda a determinar se o carro está bem posicionado dentro do circuito ou ao fazer curvas.
Não podemos nos esquecer de que a Fórmula Student é uma corrida. Um dos objetivos da competição é ser mais rápido na pista do que as outras equipes. Portanto, a velocidade é um fator crucial a ser estudado, graças à IMU. Mas isso é ainda mais importante para os carros de corrida elétricos, pois eles precisam rastrear a energia consumida.
Carros de corrida sem motorista: Aproveitando o melhor do Heading e da navegação do IMU
Os carros de corrida podem usar GPS de antena única para a direção, mas os veículos sem motorista dependem de IMU de antena dupla para uma direção precisa. Isso permite uma inicialização mais rápida e fornece uma 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 adequadamente: "Quando operamos com as tecnologias LiDAR, o fato de estarmos com um grau de inclinação para um lado ou para o outro influencia muito a posição.
Portanto, a precisão do rumo é um grande requisito. E também a localização e o mapeamento: é muito importante localizar-se em X e Y." Portanto, a implementação de um IMU duplo nesse 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 sem motorista. O Real Time Kinematic (RTK) permite uma estimativa extremamente precisa da posição (1-2 cm). Quanto mais precisa for a IMU, mais o carro será capaz de permanecer na pista do circuito sem se desviar.
A IMU 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 pequeno, portanto, se ele for rápido, podemos ir mais rápido na pista e testar mais", afirma A. Kopp, Vehicle Dynamics Control, TUfast Racing.
As equipes não têm muito tempo para integrar as diferentes partes do veículo e testá-las. Como a estrutura CAN e ROS é usada principalmente por engenheiros de automóveis, IMU que pode fazer parte desses fluxos de trabalho pode economizar muito tempo de desenvolvimento.
Uma biblioteca C limpa fornecida com exemplos é outra maneira 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 GNSS RTK de frequência dupla, compatível com nosso software de pós-processamento Qinertia.
Projetado para aplicações robóticas e geoespaciais, ele pode fundir a entrada do odômetro com pulso ou CAN OBDII para aumentar a precisão do dead-reckoning.
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O que é GNSS versus GPS?
GNSS significa Global Navigation Satellite System (Sistema Global de Navegação por Satélite) e GPS significa Global Positioning System (Sistema de Posicionamento Global). Esses termos são frequentemente usados de forma intercambiável, mas se referem a conceitos diferentes nos sistemas de navegação por satélite.
GNSS é um termo coletivo para todos os sistemas de navegação por satélite, enquanto GPS se refere especificamente ao sistema dos EUA. Ele inclui vários 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 o AHRS e o INS?
A principal diferença entre um Sistema de Referência de Atitude e Direção (AHRS) e um Sistema de Navegação Inercial (INS) está em sua funcionalidade e no escopo dos dados que fornecem.
O AHRS fornece informações de orientação - especificamente, a atitude (inclinação, rotação) e o rumo (guinada) de um veículo ou dispositivo. Normalmente, ele usa uma combinação de sensores, incluindo giroscópios, acelerômetros e magnetômetros, para calcular e estabilizar a orientação. O AHRS gera a posição angular em três eixos (inclinação, rotação e guinada), permitindo que um sistema entenda sua orientação no espaço. Ele é usado com frequência na aviação, em UAVs, na robótica e em sistemas marítimos para fornecer dados precisos de atitude e direção, o que é fundamental para o controle e a estabilização do veículo.
Um INS não apenas fornece dados de orientação (como um AHRS), mas também rastreia a posição, a velocidade e a 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 o GNSS. Ele combina os sensores encontrados no AHRS (giroscópios, acelerômetros), mas também pode incluir algoritmos mais avançados para rastreamento de posição e velocidade, muitas vezes integrando-se a dados externos, como GNSS, para aumentar a precisão.
Em resumo, o AHRS se concentra na orientação (atitude e rumo), enquanto 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 InercialIMU) e um Sistema de Navegação Inercial (INS) está em sua funcionalidade e complexidade.
Uma IMU (unidade de medição inercial) fornece dados brutos sobre a aceleração linear e a velocidade angular do veículo, medidos por acelerômetros e giroscópios. Ela fornece informações sobre rotação, inclinação, guinada e movimento, mas não calcula dados de posição ou navegação. A IMU foi projetada especificamente para transmitir dados essenciais sobre movimento e orientação para processamento externo a fim de determinar a posição ou a velocidade.
Por outro lado, um INS (sistema de navegação inercial) combina IMU com algoritmos avançados para calcular a posição, a velocidade e a 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.
Esse sistema de navegação é normalmente utilizado em aplicativos que exigem soluções de navegação abrangentes, especialmente em ambientes com GNSS negado, como UAVs militares, navios e submarinos.
INS aceita entradas de sensores de auxílio externos?
Os Sistemas de Navegação Inercial da nossa empresa aceitam entradas de sensores de auxílio 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 aprimoram o desempenho geral e a precisão do INS , fornecendo dados complementares.