Inertiale Navigationssysteme für ADAS – Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme

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

Während ADAS die Fahrer durch die Unterstützung bei Aufgaben und die Verbesserung der Sicherheit unterstützt, sind selbstfahrende Autos so konzipiert, dass sie alle Aspekte des autonomen Fahrens übernehmen, von der Navigation bis zur Entscheidungsfindung, und bieten ein höheres Maß an Automatisierung (SAE-Stufen) und Komfort. ADAS-Eigenschaften oder -Funktionen werden den SAE-Stufen unterhalb von 3 zugeschrieben, und selbstfahrende Autos 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 Gyroskope, die in der Navigation verwendet werden, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Schifffahrt und Robotik, sind typischerweise MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) oder optische Technologien wie FOG (Fiber Optic Gyroscopes) und RLG (Ring Laser Gyroscopes). Obwohl sich ihre physikalischen Prinzipien unterscheiden, nutzen sie alle das gleiche grundlegende Konzept: Wenn sich ein System dreht, erfasst der Sensor den resultierenden Trägheitseffekt und wandelt ihn in ein elektrisches Signal um.

In einem MEMS-Gyroskop erfahren winzige vibrierende Strukturen – oft Siliziummassen, die mit bestimmten Resonanzfrequenzen angetrieben werden – Coriolis-Kräfte, wenn sich das Gerät dreht. Diese Kräfte verursachen messbare Veränderungen in den Vibrationsmustern, die in Winkelgeschwindigkeitsinformationen übersetzt werden. In optischen Gyroskopen erfährt Licht, das sich in entgegengesetzten Richtungen entlang einer geschlossenen Schleife bewegt, Phasenverschiebungen, wenn sich das System dreht; dieser Sagnac-Effekt ermöglicht extrem genaue und driftstabile Drehmessungen ohne bewegliche Teile.

Gyroskope liefern entscheidende Daten in die Algorithmen eines inertialen Navigationssystems und ermöglichen es dem System, die Lage (Roll-, Nick- und Gierwinkel) zu berechnen. In Kombination mit Beschleunigungsmessern bilden sie eine IMU, die umfassende Bewegungserfassungsfunktionen bietet. Hochwertige Gyroskope reduzieren die Drift, verbessern die Stabilität und ermöglichen es dem Navigationssystem, auch in GPS-verweigerten Umgebungen zuverlässig zu funktionieren. In Anwendungen wie UAV-Führung, Loitering Munitions, AUV-Steuerung, maritimer Heave-Kompensation oder autonomer Fahrzeugnavigation beeinflusst die Genauigkeit des Gyroskops direkt die Fähigkeit des Systems, eine präzise und stabile Flugbahn beizubehalten.

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 angewiesen ist – GNSS, Funkfeuer oder Landmarken – ist sie in GPS-verweigernden Umgebungen, Indoor-Anwendungen, Unterwassernavigation oder jeder Mission, bei der nur die Bewegung seit dem letzten bekannten Punkt erforderlich ist, äußerst wertvoll.

Die Genauigkeit der relativen Position verschlechtert sich jedoch im Laufe der Zeit aufgrund von Drift, die durch Sensorabweichungen und Rauschen verursacht wird. Aus diesem Grund kombinieren INS-Lösungen häufig Trägheitsdaten mit unterstützenden Quellen wie GNSS, Odometern, DVLs oder Barometern, um das Fehlerwachstum zu begrenzen. Letztendlich bietet die relative Position eine kontinuierliche und autonome Möglichkeit, Bewegungen zu verfolgen, und bildet das Rückgrat von Koppelnavigations-, Führungs- und Steuerungssystemen in vielen Luft- und Raumfahrt-, Schiffs- und Robotikanwendungen.