Trägernavigationssysteme für ADAS – Erweiterte Fahrerassistenzsysteme

ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) erhöht die Fahrsicherheit durch Funktionen wie Spurhalteassistent, adaptive Geschwindigkeitsregelung und automatisches Bremsen, erfordert jedoch eine aktive Überwachung durch den Fahrer. Im Gegensatz dazu zielen selbstfahrende Autos, die mit autonomen Fahrsystemen ausgestattet sind, darauf ab, den Fahrzeugbetrieb ohne menschliches Eingreifen vollständig zu automatisieren.

Während ADAS den Fahrer durch assistierende Aufgaben und mehr Sicherheit unterstützt, sind selbstfahrende Autos darauf ausgelegt, alle Aspekte des autonomen Fahrens von der Navigation bis zur Entscheidungsfindung zu übernehmen, was ein höheres Automatisierungsniveau (SAE-Stufen) und mehr Komfort bietet. ADAS-Eigenschaften oder -Funktionen werden den SAE-Stufen unter 3 zugeordnet, und selbstfahrende Fahrzeuge entsprechen als solche mindestens der Stufe 4.

Ein Gyroskop ist ein Sensor, der die Winkelgeschwindigkeit misst – die Rate, mit der sich ein Objekt um eine oder mehrere Achsen dreht – und ist einer der grundlegenden Bausteine von Trägheitsnavigationssystemen. Sein Hauptzweck ist es, präzise Echtzeitinformationen über die Rotationsbewegung bereitzustellen, damit ein INS oder eine IMU bestimmen kann, wie sich die Orientierung eines Objekts im Laufe der Zeit entwickelt.

Moderne Kreiselkompasse, die in der Navigation eingesetzt werden – insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungssektor, in der Schifffahrt und in der Robotik –, basieren typischerweise auf MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) oder optischen Technologien wie FOG (Fiber Optic Gyroscopes) und RLG (Ring Laser Gyroscopes). Auch wenn sich ihre physikalischen Prinzipien unterscheiden, nutzen sie alle dasselbe grundlegende Konzept: Wenn ein System rotiert, erkennt der Sensor den daraus resultierenden Trägheitseffekt und wandelt ihn in ein elektrisches Signal um.

In einem MEMS-Gyroskop erfahren winzige vibrierende Strukturen – häufig Siliziummassen, die mit bestimmten Resonanzfrequenzen betrieben werden – Corioliskräfte, wenn das Gerät rotiert. Diese Kräfte verursachen messbare Änderungen der Schwingungsmuster, die in Winkelgeschwindigkeitsinformationen umgewandelt werden. Bei optischen Gyroskopen erfahren Lichtstrahlen, die sich in entgegengesetzte Richtungen entlang einer geschlossenen Schleife bewegen, Phasenverschiebungen, wenn das System rotiert; dieser Sagnac-Effekt ermöglicht extrem genaue und driftstabile Rotationsmessungen ganz ohne bewegliche Teile.

Gyroskope liefern entscheidende Daten für die Algorithmen eines Inertialen Navigationssystems und ermöglichen dem System die Berechnung der Lage (Roll-, Nick- und Gierwinkel). In Kombination mit Beschleunigungsmessern bilden sie eine IMU, die eine umfassende Bewegungserfassung ermöglicht. Hochwertige Gyroskope reduzieren Drift, verbessern die Stabilität und sorgen dafür, dass das Navigationssystem auch in GPS-gestörten oder -freien Umgebungen zuverlässig funktioniert. Bei Anwendungen wie der Steuerung von UAVs, loitering munitions (Lenkmunition), der AUV-Steuerung, maritimer Heabekompensation oder der Navigation autonomer Fahrzeuge wirkt sich die Genauigkeit des Gyroskops direkt auf die Fähigkeit des Systems aus, eine präzise und stabile Trajektorie einzuhalten.

Die relative Position bezieht sich auf die Verschiebung einer sich bewegenden Plattform, gemessen relativ zu einem bekannten Startpunkt und nicht zu einem absoluten geografischen Koordinatensystem. Anstatt den Standort in Bezug auf Breitengrad, Längengrad und Höhe auszudrücken, beschreibt die relative Position, wie weit und in welche Richtung sich die Plattform von ihrem ursprünglichen Bezugsrahmen bewegt hat.

Ein INS berechnet dies durch die Integration gemessener Beschleunigungen und Rotationsraten über die Zeit: Die Beschleunigungssensoren bestimmen Geschwindigkeitsänderungen, und diese Geschwindigkeiten werden dann erneut integriert, um Positionsänderungen zu erhalten, wobei alles innerhalb eines definierten Koordinatensystems, wie dem Body Frame oder einem lokalen Navigationsrahmen, ausgedrückt wird.

Da die relative Position nicht auf externe Signale – wie GNSS, Funkfeuer oder Landmarken – angewiesen ist, ist sie in GPS-freien Umgebungen, Innenraumanwendungen, der Unterwassernavigation oder bei jeder Mission von extremem Wert, bei der nur die Bewegung seit dem letzten bekannten Punkt erforderlich ist.

Die Genauigkeit der relativen Position nimmt jedoch im Laufe der Zeit aufgrund von Drift ab, die durch Sensor-Bias und Rauschen verursacht wird. Aus diesem Grund kombinieren INS-Lösungen häufig Trägheitsdaten mit Stützquellen wie GNSS, Wegstreckenzählern, DVLs oder Barometern, um das Anwachsen von Fehlern zu begrenzen. Letztlich bietet die relative Position eine kontinuierliche und autonome Methode zur Verfolgung von Bewegungen und bildet das Rückgrat von Koppelnavigation, Lenk- und Steuerungssystemen in zahlreichen Anwendungen der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt und der Robotik.