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 Zustand des Fahrzeugs, wie z. B. Position, Geschwindigkeit, Gierrate, Schräglaufwinkel, Beschleunigung und Orientierung der Fahrzeuge der teilnehmenden Teams, wie D. Kiesewalter von AMZ Racing feststellte:
“Wir benötigten eine IMU aus verschiedenen Gründen. In erster Linie, um den Positionszustand unseres Autos zu bestimmen. Wir brauchten auch eine effiziente Dynamikregelung und eine zuverlässige und genaue Bestimmung der Euler-Winkel (Roll-, Nick- und Gierwinkel).”
Auf diese Weise können die Ingenieure von Elektro- und Verbrennerautos verstehen, was sie verbessern müssen, indem sie den tatsächlichen Zustand mit dem theoretischen Zustand vergleichen.
Formula Student Kriterien für die Fahrzeugdynamik
Die Beherrschung der Beschleunigung ist bei Formel-Rennen von grösster Bedeutung. Wenn das Auto zu stark beschleunigt, kann es abdriften, was zu Reifenverschleiss führt. Um den Reifenverschleiss zu minimieren und die Leistung des Motors optimal zu nutzen, muss die Beschleunigung kontrolliert werden.
Die Verfolgung der Rennwagentrajektorie ist von entscheidender Bedeutung. Dank der IMU/GNSS-Daten, insbesondere der Position, wird eine Streckenanalyse durchgeführt, die hilft festzustellen, ob das Auto gut innerhalb der Strecke oder in der Kurve 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, bezeichnen aber unterschiedliche Konzepte innerhalb satellitengestützter Navigationssysteme.
GNSS ist ein Sammelbegriff für alle Satellitennavigationssysteme, während sich GPS speziell auf das US-amerikanische System bezieht. Es umfasst mehrere Systeme, die eine umfassendere globale Abdeckung bieten, während 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 enthaltenen Sensoren (Gyroskope, Beschleunigungsmesser), kann aber auch fortschrittlichere Algorithmen zur Positions- und Geschwindigkeitsverfolgung enthalten und wird oft mit externen Daten wie GNSS für eine höhere Genauigkeit integriert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich AHRS auf die Orientierung (Lage und Kurs) konzentriert, während INS eine vollständige Suite von Navigationsdaten liefert, einschließlich Position, Geschwindigkeit und Orientierung.
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 (Inertial Measurement Unit) liefert Rohdaten über die lineare Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs, gemessen durch Beschleunigungsmesser und Gyroskope. Sie liefert Informationen über Rollen, Nicken, Gieren und Bewegung, berechnet aber keine Positions- oder Navigationsdaten. Die IMU wurde speziell entwickelt, um wesentliche Daten über Bewegung und Orientierung zur externen Verarbeitung weiterzuleiten, um Position oder Geschwindigkeit zu bestimmen.
Auf der anderen Seite kombiniert ein INS (Inertial Navigation System) IMU-Daten mit fortschrittlichen Algorithmen, um die Position, Geschwindigkeit und Orientierung eines Fahrzeugs im Laufe der Zeit zu berechnen. Es beinhaltet Navigationsalgorithmen wie Kalman-Filterung für 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 z. B. militärische UAVs, Schiffe und U-Boote.
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 komplementäre Daten liefern.