Leistungsstarke Inertialnavigationssysteme für selbstfahrende Autos

Selbstfahrende Autos sind Fahrzeuge, die mit hochentwickelten Systemen ausgestattet sind, die es ihnen ermöglichen, ohne menschliches Zutun zu navigieren und sich selbst zu steuern. Diese Fahrzeuge nutzen eine Kombination aus autonomen Fahrsensoren und Algorithmen, um ihre Umgebung wahrzunehmen, Entscheidungen zu treffen und selbstfahrende Aufgaben auszuführen. Ziel ist es, vollständige Autonomie zu erreichen, bei der das Fahrzeug alle Aspekte des Fahrens sicher und effizient bewältigen kann.

Selbstfahrende Autos sind auf eine Reihe von Schlüsseltechnologien angewiesen, um ihre Umgebung wahrzunehmen. Dazu gehören:

• GNSS (Global Navigation Satellite System): um Echtzeit-Updates über die Position, Geschwindigkeit und Richtung des selbstfahrenden Autos zu erhalten.
• INS (Inertial Navigation Systems): zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit bei GNSS-Signalausfällen. Es liefert Echtzeit-Updates über die Position, Geschwindigkeit und Richtung des selbstfahrenden Autos.
• LiDAR (Light Detection and Ranging): Verwendung von Laserstrahlen zur Erstellung einer detaillierten 3D-Karte der Fahrzeugumgebung. Diese Technologie hilft dem Auto, Objekte in seiner Umgebung zu erkennen und zu messen, einschließlich anderer Fahrzeuge, Fußgänger und Verkehrsschilder.
• Radar (Radio Detection and Ranging): Verwendung von Funkwellen zur Erfassung von Geschwindigkeit, Entfernung und Richtung von Objekten. Radar ist besonders nützlich bei widrigen Wetterbedingungen und zur Erfassung von Objekten über größere Entfernungen.
• Kameras: zur Erfassung visueller Informationen über die Umgebung des Fahrzeugs, einschliesslich Fahrbahnmarkierungen, Verkehrssignale und Strassenschilder. Sie sind unerlässlich für die Interpretation komplexer visueller Hinweise und für Entscheidungen auf der Grundlage visueller Daten.

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.

GPS (Global Positioning System) funktioniert durch die Nutzung einer Satellitenkonstellation, präziser Zeitmessung und Trilateration, um Ihre Position überall auf der Erde zu bestimmen.

Hier ist die einfachste, klare Erklärung:

1 – Satelliten senden Signale

Etwa 30 GPS-Satelliten umkreisen die Erde und senden kontinuierlich:
– Ihre genaue Position im Weltraum
– Die genaue Sendezeit des Signals (unter Verwendung von Atomuhren)

Diese Signale bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit.

2 – Ihr Empfänger misst die Laufzeit

Ein GPS-Empfänger (in Ihrem Telefon, Ihrer Drohne, Ihrem INS usw.) empfängt Signale von mehreren Satelliten.

Durch die Messung der Ankunftszeit jedes Signals berechnet er die Entfernung:

               Entfernung = Lichtgeschwindigkeit × Laufzeit

3 – Trilateration berechnet Ihren Standort

Um Ihre Position zu finden, verwendet der Empfänger Trilateration (nicht Triangulation):

• Mit 1 Satelliten → könnten Sie sich irgendwo auf einer Kugel befinden
• Mit 2 Satelliten → schneiden sich Kreise
• Mit 3 Satelliten → zwei mögliche Punkte
• Mit 4 Satelliten → Ihre genaue 3D-Position + Uhrenkorrektur

Ihr Empfänger hat keine Atomuhr, daher wird der 4. Satellit benötigt, um Timing-Fehler zu beheben.

4 – Korrekturen verbessern die Genauigkeit

Rohes GPS weist Fehler auf aufgrund von:

• Atmosphäre (Ionosphäre, Troposphäre)
• Satelliten-Uhrdrift
• Fehler bei der Orbitvorhersage
• Mehrwege-Reflexionen (Signale, die von Gebäuden abprallen)

Zur Verbesserung der Genauigkeit:

• SBAS (z. B. WAAS, EGNOS) bietet Echtzeitkorrekturen
• RTK- und PPP-Techniken korrigieren Fehler bis auf Zentimetergenauigkeit
• INS-Kopplung (IMU + GPS) glättet und überbrückt Lücken bei Signalverlust

6 – Endergebnis

Der Empfänger kombiniert alle Daten, um Folgendes zu schätzen:

• Breitengrad
• Längengrad
• Höhe
• Geschwindigkeit
• Genaue Zeit

Moderne GPS-Empfänger tun dies Dutzende oder Hunderte Male pro Sekunde.

Ein INS (Inertiales Navigationssystem) ist eine eigenständige Navigationslösung, die die Position, Orientierung und Geschwindigkeit einer Plattform ausschließlich mittels Trägheitssensoren bestimmt – typischerweise:

• Beschleunigungsmesser (messen die lineare Beschleunigung)
• Gyroskope (messen die Winkelrotation)

Wie funktioniert es?

Gyroskope verfolgen, wie sich die Plattform dreht (Roll, Nick, Gier). Beschleunigungsmesser messen die Bewegung entlang dreier Achsen. Ein Navigationsfilter (normalerweise ein Kalman-Filter) integriert diese Messungen im Laufe der Zeit, um Folgendes zu berechnen:

• Position (x, y, z)
• Geschwindigkeit
• Orientierung (Ausrichtung)

Hauptmerkmale

1. Vollständig autonom: Für den Betrieb sind keine externen Signale erforderlich
2. Hohe Aktualisierungsrate: Oft Hunderte oder Tausende von Messungen pro Sekunde
3. Funktioniert in jeder Umgebung: Funktioniert unterirdisch, unter Wasser, in Innenräumen und in GPS-verweigernden Umgebungen
4. Die Präzision hängt von der Sensorqualität ab: Reicht von IMUs in Konsumqualität bis hin zu taktischen INS und INS in Navigationsqualität

Häufige Anwendungen

• Luft- und Raumfahrt & Verteidigung: Raketen, UAVs, herumlungernde Munition, gepanzerte Fahrzeuge
• Marine: AUVs, USVs, Schiffe, Hydrographiesysteme
• Landrobotik: Autonome Fahrzeuge, SLAM, AGVs
• Vermessung und Kartierung: Mobile Mapping Systeme, LiDAR
• Industrie: Stabilisierung, Bewegungserfassung