Leistungsstarke Inertiale Navigationssysteme für selbstfahrende Autos

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

Autonome Fahrzeuge stützen sich auf eine Reihe von Schlüsseltechnologien, um ihre Umgebung wahrzunehmen. Dazu gehören:

• GNSS (Global Navigation Satellite System): Zur Erfassung von Echtzeit-Updates über Position, Geschwindigkeit und Richtung des autonomen Fahrzeugs.
• INS (Inertiale Navigationssysteme): Zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit im Falle von GNSS-Signalausfällen. Es liefert Echtzeit-Updates zu Position, Geschwindigkeit und Richtung des selbstfahrenden Autos.
• LiDAR (Light Detection and Ranging): Einsatz von Laserstrahlen zur Erstellung einer detaillierten 3D-Karte der Umgebung des Fahrzeugs. Diese Technologie hilft dem Auto dabei, Objekte in seiner Umgebung zu erkennen und zu vermessen, darunter andere Fahrzeuge, Fußgänger und Verkehrszeichen.
• Radar (Radio Detection and Ranging): Nutzung von Radiowellen zur Ermittlung von Geschwindigkeit, Entfernung und Richtung von Objekten. Radar ist besonders bei widrigen Wetterbedingungen und zur Erkennung von Objekten in größerer Entfernung nützlich.
• Kameras: Zur Erfassung visueller Informationen über die Umgebung des Fahrzeugs, darunter Fahrbahnmarkierungen, Ampeln und Verkehrszeichen. Sie sind unverzichtbar für die Interpretation komplexer visueller Hinweise und die Entscheidungsfindung auf der Grundlage visueller Daten.

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.

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 und verständlichste Erklärung:

1 – Satelliten senden Signale aus

Etwa 30 GPS-Satelliten umkreisen die Erde, von denen jeder kontinuierlich Folgendes überträgt:
– Seine genaue Position im Raum
– Den genauen Zeitpunkt des Sendevorgangs (mithilfe von Atomuhren)

Diese Signale breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.

2 – Dein Empfänger misst die Laufzeit

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

Indem es misst, wie lange jedes Signal gebraucht hat, um anzukommen, berechnet es die Entfernung:

               Entfernung = Lichtgeschwindigkeit × Laufzeit

3 – Die Trilateration ermittelt Ihren Standort

Um Ihre Position zu ermitteln, nutzt der Empfänger die Trilateration (nicht die Triangulation):

• Mit einem Satelliten → könntest du dich an einem beliebigen Ort auf einer Kugel befinden
• Bei 2 Satelliten → schneiden sich die Kreise
• Bei 3 Satelliten → zwei mögliche Punkte
• Mit 4 Satelliten → Ihre genaue 3D-Position + Zeitkorrektur

Ihr Empfänger verfügt nicht über eine Atomuhr, daher wird der vierte Satellit benötigt, um Zeitabweichungen auszugleichen.

4 – Korrekturen verbessern die Genauigkeit

Unbearbeitete GPS-Daten weisen Fehler auf durch:

• Atmosphäre (Ionosphäre, Troposphäre)
• Abweichung der Satellitenuhr
• Fehler bei der Bahnvorhersage
• Mehrwegreflexionen (Signale, die von Gebäuden zurückgeworfen werden)

Um die Genauigkeit zu verbessern:

• SBAS (z. B. WAAS, EGNOS) liefert Korrekturdaten in Echtzeit
• RTK- und PPP-Verfahren korrigieren Fehler bis auf Zentimetergenauigkeit
• INS-Kopplung (IMU + GPS) glättet und überbrückt Signalverluste

6 – Endergebnis

Der Empfänger fasst alle Daten zusammen, um Folgendes zu schätzen:

• Breitengrad
• Längengrad
• Höhe
• Geschwindigkeit
• Genaue Uhrzeit

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

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

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

Wie funktioniert das?

Gyroskope erfassen die Drehbewegungen der Plattform (Roll-, Nick- und Gierbewegung). Beschleunigungssensoren messen die Bewegung entlang dreier Achsen. Ein Navigationsfilter (in der Regel ein Kalman-Filter) integriert diese Messwerte über die Zeit, um Folgendes zu berechnen:

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

Wichtigste Merkmale

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: Arbeitet unter Tage, unter Wasser, in Innenräumen und in GPS-verweigerten Umgebungen
4. Präzision hängt von der Sensorklasse ab: Reicht von IMUs für Verbraucheranwendungen bis hin zu taktischen und navigationsfähigen INS

Häufige Anwendungsbereiche

• Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung: Raketen, Drohnen, Loitering-Munition, gepanzerte Fahrzeuge
• Marine: AUVs, USVs, Schiffe, hydrografische Systeme
• Landrobotik: autonome Fahrzeuge, SLAM, AGVs
• Vermessung und Kartografie: Mobile Kartierungssysteme, LiDAR
• Industrie: Stabilisierung, Bewegungsverfolgung