Formula Student: Die entscheidende Rolle der IMU/GNSS
Mehrere Elektro- und fahrerlose Teams haben ihre Rennwagen während des Formula Student Wettbewerbs mit unserer Ellipse IMU/GNSS ausgestattet.
Der Ellipse-D Sensor hat alle unsere Bedürfnisse erfüllt und wir sind sehr zufrieden damit. GNSS ist sehr stabil, Kalman Filter auch zufriedenstellend. | Daniel K., AMZ Racing Electric Team
Die Formula Student ist ein internationaler Ausbildungswettbewerb für Ingenieure, bei dem Teams von Studenten aus der ganzen Welt ihre eigenen Formel-Rennwagen entwerfen, bauen und fahren. Der Wettbewerb umfasst 3 Kategorien: Elektro-, Fahrerlose- und Verbrenner-Autos.
Die Teilnehmer der Formula Student müssen nicht nur den schnellsten Rennwagen bauen, sondern auch in den Bereichen Ausdauer, Beschleunigung und Skid-Pad-Leistung hervorragende Leistungen erbringen.
Als Experte für Inertial Navigation Systems und Partner mehrerer Teams haben wir verschiedene Ingenieurteams interviewt, die unsere Inertial Measurement Unit (IMU) in Kombination mit Global Navigation Satellite System (GNSS) verwenden, um die Schlüsselelemente für den Erfolg zu verstehen.
Die Bedeutung der IMU/GNSS für eine präzise Fahrzeugdynamik
Die IMU/GNSS liefert entscheidende Informationen über den Fahrzeugzustand wie Position, Geschwindigkeit, Gierrate, Schräglaufwinkel, Beschleunigung und Orientierung an die Fahrzeuge der konkurrierenden Teams, wie von D. Kiesewalter von AMZ Racing erklärt:
“Wir benötigten eine IMU aus mehreren Gründen. In erster Linie zur Bestimmung des Positionszustands unseres Fahrzeugs. Wir benötigten außerdem eine effiziente Dynamikregelung sowie eine zuverlässige und genaue Bestimmung der Euler-Winkel (Roll-, Nick- und Gierwinkel).”
Auf diese Weise können Ingenieure von Elektro- und Verbrennungsmotorenfahrzeugen verstehen, was zu verbessern ist, indem sie den Ist-Zustand mit dem theoretischen vergleichen.
Formula Student Kriterien für die Fahrzeugdynamik
Die Kontrolle der Beschleunigung ist bei Formelrennen entscheidend. Wenn das Fahrzeug zu stark beschleunigt, kann es driften, was zu einem Verschleiß der Reifen führt. Um den Reifenverschleiß zu minimieren und die maximale Leistung und Performance des Motors auszuschöpfen, muss die Beschleunigung kontrolliert werden.
Die Verfolgung der Rennwagentrajektorie ist unerlässlich. Eine Streckenanalyse wird mithilfe der IMU-/GNSS-Daten, insbesondere der Position, durchgeführt und hilft zu bestimmen, ob das Fahrzeug innerhalb der Strecke oder beim Abbiegen gut positioniert ist.
Vergessen wir nicht, dass die Formula Student ein Rennen ist. Eines der Ziele des Wettbewerbs ist es, auf der Strecke schneller zu sein als die anderen Teams. Die Geschwindigkeit ist daher ein entscheidender Faktor, der dank der IMU/GNSS untersucht werden kann. Noch wichtiger ist dies jedoch für elektrische Rennwagen, da sie den Energieverbrauch erfassen müssen.
Fahrerlose Rennwagen: Das Beste aus Richtung und Navigation der IMU/GNSS herausholen
Rennwagen können Single-Antennen-GPS zur Kursbestimmung verwenden, aber fahrerlose Fahrzeuge verlassen sich auf Dual-Antennen-IMU/GNSS für eine präzise Kursbestimmung. Dies ermöglicht eine schnellere Initialisierung und liefert eine genaue Kursausrichtung auch im Stillstand.
J. Liberal Huarte von UPC Driverless (ETSEIB) erklärt, dass Kurs und Lokalisierung für das einwandfreie Funktionieren anderer Teile der Ausrüstung unerlässlich sind: “Wenn wir mit LiDAR-Technologien arbeiten, beeinflusst die Tatsache, dass man 1 Grad zur einen oder anderen Seite ausgerichtet ist, die Position sehr stark.
Eine präzise Kursbestimmung ist also eine große Anforderung. Und auch die Lokalisierung und Kartierung: Es ist sehr wichtig, sich in X, Y zu lokalisieren.” Daher ist die Implementierung einer Dual GNSS/IMU in dieser Art von Rennwagen die beste Lösung, da sie eine genaue Kursausrichtung und Position liefert, was auch zur Stabilisierung des LiDAR beiträgt.
Die Kursbestimmung ist für fahrerlose Rennwagen genauso wichtig wie eine präzise Navigation. Real Time Kinematic (RTK) ermöglicht eine extrem genaue Schätzung der Position (1-2 cm). Je genauer die IMU/GNSS ist, desto besser kann das Auto in der Streckenspur bleiben, ohne abzudriften.
Die IMU/GNSS analysiert die Strecke, um eine optimale Positionierung des Autos und eine optimale Trajektorie zu gewährleisten.
Weniger Implementierungszeit = mehr Zeit für das gesamte Projekt
“Wir haben sehr wenig Testzeit, wenn es also schnell geht, können wir schneller auf die Strecke gehen und mehr testen”, sagt A. Kopp, Vehicle Dynamics Control, TUfast Racing.
Die Teams haben nicht viel Zeit, die verschiedenen Teile des Fahrzeugs zu integrieren und zu testen. Da CAN- und ROS-Frameworks hauptsächlich von Automobilingenieuren verwendet werden, kann eine IMU/GNSS, die Teil solcher Arbeitsabläufe sein kann, enorm viel Entwicklungszeit sparen.
Eine saubere C-Bibliothek mit Beispielen ist eine weitere Möglichkeit, Teams bei ihrer Integration zu unterstützen.
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Ellipse-D
Die Ellipse-D ist ein inertiales Navigationssystem, das eine Dual-Antenne und ein Dual-Frequenz RTK GNSS integriert und mit unserer Post-Processing-Software Qinertia kompatibel ist.
Entwickelt für Roboter- und Geodatenanwendungen, kann es den Odometer-Eingang mit Pulse oder CAN OBDII für eine verbesserte Koppelnavigation-Genauigkeit verschmelzen.
Fordern Sie ein Angebot für Ellipse-D an
Haben Sie Fragen?
Willkommen in unserem FAQ-Bereich! Hier finden Sie Antworten auf die häufigsten Fragen zu den Anwendungen, die wir vorstellen. Wenn Sie nicht finden, wonach Sie suchen, können Sie sich gerne direkt an uns wenden!
Was ist GNSS vs. GPS?
GNSS steht für Global Navigation Satellite System und GPS für Global Positioning System. Diese Begriffe werden oft synonym verwendet, aber sie beziehen sich auf unterschiedliche Konzepte innerhalb satellitengestützter Navigationssysteme.
GNSS ist ein Sammelbegriff für alle Satellitennavigationssysteme, während GPS sich speziell auf das US-amerikanische System bezieht. GNSS umfasst mehrere Systeme, die eine umfassendere globale Abdeckung bieten, wobei GPS nur eines dieser Systeme ist.
Durch die Integration von Daten aus mehreren Systemen erhalten Sie mit GNSS eine verbesserte Genauigkeit und Zuverlässigkeit, während GPS allein je nach Satellitenverfügbarkeit und Umgebungsbedingungen Einschränkungen aufweisen kann.
Was ist der Unterschied zwischen AHRS und INS?
Der Hauptunterschied zwischen einem Attitude and Heading Reference System (AHRS) und einem Inertial Navigation System (INS) liegt in ihrer Funktionalität und dem Umfang der von ihnen bereitgestellten Daten.
AHRS liefert Orientierungsinformationen, insbesondere die Lage (Nick-, Rollwinkel) und den Kurs (Gierwinkel) eines Fahrzeugs oder Geräts. Es verwendet typischerweise eine Kombination von Sensoren, darunter Gyroskope, Beschleunigungsmesser und Magnetometer, um die Orientierung zu berechnen und zu stabilisieren. Das AHRS gibt die Winkelposition in drei Achsen (Nick-, Roll- und Gierwinkel) aus, wodurch ein System seine Orientierung im Raum verstehen kann. Es wird häufig in der Luftfahrt, bei UAVs, in der Robotik und in Marinesystemen eingesetzt, um genaue Lage- und Kursdaten zu liefern, die für die Fahrzeugsteuerung und -stabilisierung entscheidend sind.
Ein INS liefert nicht nur Orientierungsdaten (wie ein AHRS), sondern verfolgt auch die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Fahrzeugs im Zeitverlauf. Es verwendet Trägheitssensoren, um die Bewegung im 3D-Raum zu schätzen, ohne auf externe Referenzen wie GNSS angewiesen zu sein. Es kombiniert die in AHRS (Gyroskope, Beschleunigungsmesser) enthaltenen Sensoren, kann aber auch fortschrittlichere Algorithmen für die Positions- und Geschwindigkeitsverfolgung enthalten und sich oft mit externen Daten wie GNSS integrieren, um die Genauigkeit zu verbessern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich AHRS auf die Orientierung (Lage und Kurs) konzentriert, während INS eine vollständige Suite von Navigationsdaten einschließlich Position, Geschwindigkeit und Orientierung bereitstellt.
Was ist der Unterschied zwischen IMU und INS?
Der Unterschied zwischen einer Inertial Measurement Unit (IMU) und einem Inertial Navigation System (INS) liegt in ihrer Funktionalität und Komplexität.
Eine IMU (Inertiale Messeinheit) liefert Rohdaten über die lineare Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs, gemessen von Beschleunigungssensoren und Gyroskopen. Sie liefert Informationen über Roll-, Nick- und Gierbewegungen sowie die allgemeine Bewegung, berechnet jedoch keine Positions- oder Navigationsdaten. Die IMU ist speziell darauf ausgelegt, wesentliche Daten über Bewegung und Orientierung weiterzuleiten, die extern verarbeitet werden, um Position oder Geschwindigkeit zu bestimmen.
Ein INS (Inertial Navigation System) hingegen kombiniert IMU-Daten mit fortschrittlichen Algorithmen, um die Position, Geschwindigkeit und Orientierung eines Fahrzeugs über die Zeit zu berechnen. Es integriert Navigationsalgorithmen wie die Kalman-Filterung zur Sensorfusion und -integration. Ein INS liefert Echtzeit-Navigationsdaten, einschließlich Position, Geschwindigkeit und Orientierung, ohne auf externe Positionierungssysteme wie GNSS angewiesen zu sein.
Dieses Navigationssystem wird typischerweise in Anwendungen eingesetzt, die umfassende Navigationslösungen erfordern, insbesondere in GNSS-verweigerten Umgebungen, wie militärischen UAVs, Schiffen und U-Booten.
Akzeptiert das INS Eingaben von externen Hilfssensoren?
Inertiale Navigationssysteme unseres Unternehmens akzeptieren Eingaben von externen Hilfssensoren wie Luftdatensensoren, Magnetometern, Odometern, DVL und anderen.
Diese Integration macht das INS äußerst vielseitig und zuverlässig, insbesondere in GNSS-abgelehnten Umgebungen.
Diese externen Sensoren verbessern die Gesamtleistung und Genauigkeit des INS, indem sie ergänzende Daten liefern.
