Navegación inercial avanzada para vehículos autónomos

Los niveles de autonomía de los vehículos autónomos se clasifican en seis niveles (Nivel 0 a Nivel 5) por la Society of Automotive Engineers (SAE), que definen el grado de automatización en el funcionamiento del vehículo. Aquí hay un desglose:

• Nivel 0: Sin automatización: el conductor humano controla totalmente el vehículo en todo momento, con sólo sistemas pasivos como alertas y advertencias.
• Nivel 1: Asistencia al conductor: el vehículo puede ayudar con la dirección o la aceleración/desaceleración, pero el conductor humano debe mantener el control y supervisar el entorno (por ejemplo, el control de crucero adaptativo).
• Nivel 2: Automatización parcial: el vehículo puede controlar tanto la dirección como la aceleración/desaceleración simultáneamente, pero el conductor debe permanecer atento y preparado para tomar el control en cualquier momento (por ejemplo, el Autopilot de Tesla, el Super Cruise de GM).
• Nivel 3: Automatización condicional: el vehículo puede encargarse de todos los aspectos de la conducción en determinadas condiciones, pero el conductor humano debe estar preparado para intervenir cuando lo solicite el sistema (por ejemplo, la conducción en autopista). El conductor no necesita supervisar activamente, pero debe permanecer alerta.
• Nivel 4: Automatización alta: el vehículo puede realizar todas las tareas de conducción de forma autónoma dentro de condiciones o entornos específicos (como zonas urbanas o autopistas) sin intervención humana. Sin embargo, en otros entornos o en circunstancias especiales, es posible que un humano necesite conducir.
• Nivel 5: Automatización total: el vehículo es totalmente autónomo y puede realizar todas las tareas de conducción en todas las condiciones sin ninguna intervención humana. No es necesario un conductor y el vehículo puede funcionar en cualquier lugar y en cualquier condición.

Estos niveles ayudan a definir la evolución de la tecnología de vehículos autónomos, desde la asistencia básica al conductor hasta la autonomía total.

Un odómetro es un instrumento utilizado para medir la distancia recorrida por un vehículo. Proporciona información importante sobre la distancia que ha recorrido un vehículo, lo que es útil para diversos fines, como la programación del mantenimiento, el cálculo de la eficiencia del combustible y la evaluación del valor de reventa.

Los odómetros miden la distancia basándose en el números de rotaciones de las ruedas del vehículo. Un factor de calibración, basado en el tamaño del neumático, convierte las rotaciones de la rueda en distancia.

En muchas aplicaciones de navegación, especialmente en vehículos, los datos del odómetro pueden integrarse con los datos del INS para mejorar la precisión general. Este proceso, conocido como fusión de sensores, combina los puntos fuertes de ambos sistemas.

El jamming y el spoofing son dos tipos de interferencia que pueden afectar significativamente la fiabilidad y la precisión de los sistemas de navegación por satélite como el GNSS.

El jamming se refiere a la interrupción intencional de las señales de satélite mediante la transmisión de señales de interferencia en las mismas frecuencias utilizadas por los sistemas GNSS. Esta interferencia puede sobrecargar o ahogar las señales de satélite legítimas, lo que hace que los receptores GNSS no puedan procesar la información con precisión. El jamming se utiliza comúnmente en operaciones militares para interrumpir las capacidades de navegación de los adversarios, y también puede afectar a los sistemas civiles, lo que lleva a fallos de navegación y desafíos operativos.

El spoofing, por otro lado, implica la transmisión de señales falsificadas que imitan las señales GNSS genuinas. Estas señales engañosas pueden inducir a los receptores GNSS a calcular posiciones u horas incorrectas. El spoofing se puede utilizar para desviar o desinformar a los sistemas de navegación, lo que podría provocar que vehículos o aeronaves se desvíen de su rumbo o proporcionar datos de ubicación falsos. A diferencia del jamming, que simplemente obstruye la recepción de la señal, el spoofing engaña activamente al receptor presentando información falsa como legítima.

Tanto el jamming como el spoofing representan amenazas significativas para la integridad de los sistemas que dependen del GNSS, lo que exige contramedidas avanzadas y tecnologías de navegación resistentes para garantizar un funcionamiento fiable en entornos disputados o desafiantes.

La navegación por estima es un método de navegación que determina la posición actual de un vehículo propagando continuamente una posición pasada conocida utilizando información de movimiento medida, sin depender de señales externas como el GPS.

En la práctica, el sistema parte de un punto de referencia —a menudo la última posición precisa conocida— y utiliza sensores a bordo, como acelerómetros, giroscopios, odómetros de ruedas o registradores de velocidad, para estimar cómo se ha desplazado el vehículo a lo largo del tiempo. Al integrar estas mediciones de movimiento, la navegación por estima calcula los cambios en la velocidad, la orientación y el desplazamiento, y construye gradualmente una estimación actualizada de la posición. Aunque proporciona una navegación totalmente autónoma incluso en entornos sin GPS o con señal degradada, la navegación por estima está intrínsecamente sujeta a la acumulación de errores: los pequeños sesgos de los sensores, los errores de factor de escala o las influencias ambientales aumentan con el tiempo, lo que hace que la trayectoria estimada se desvíe de la realidad.

Para mitigar esta desviación, la navegación por estima se combina a menudo con ayudas externas como GNSS, magnetómetros, barómetros o técnicas de comparación del terreno en los sistemas modernos de navegación inercial. A pesar de sus limitaciones, la navegación por estima sigue siendo un principio fundamental en la navegación, ya que garantiza un posicionamiento continuo y en tiempo real, incluso cuando no se dispone de referencias absolutas.

Un sistema de navegación inercial (INS) es una solución de navegación autónoma que determina la posición, la velocidad y la orientación de una plataforma en movimiento midiendo continuamente su movimiento mediante sensores inerciales. Básicamente, un INS en una tríada de acelerómetros para detectar aceleraciones lineales a lo largo de tres ejes perpendiculares y una tríada de giroscopios para medir las velocidades angulares alrededor de esos mismos ejes. Al integrar estas mediciones a lo largo del tiempo, el sistema calcula cómo evolucionan la velocidad, la actitud y la ubicación de la plataforma desde un punto de partida conocido.

Dado que un INS depende de señales externas como el GPS, las balizas de radio o las referencias visuales, puede funcionar de forma fiable en entornos en los que las ayudas a la navegación externas no están disponibles, se niegan o se ven degradadas, como bajo el agua, en interiores, bajo tierra o en escenarios militares GNSS.

INS modernos INS incorporar sofisticados algoritmos de filtrado, normalmente un filtro Kalman, para fusionar los datos brutos de los sensores, mitigar la deriva y estimar el estado de navegación más preciso. En muchas aplicaciones, el INS combina con GNSS, odómetros, registros de velocidad Doppler o magnetómetros para limitar la deriva a largo plazo y proporcionar una navegación muy estable. El resultado es una solución de navegación robusta y con una alta frecuencia de actualización, esencial para aeronaves, UAV, misiles, vehículos autónomos, barcos, AUV y una amplia gama de sistemas industriales que requieren un conocimiento preciso y continuo del movimiento y la orientación.