Voiture de course électrique Formula Student
L'équipe TUfast va équiper sa voiture de course électrique avec l'INS/GNSS miniature Ellipse2-N pour l'analyse de la dynamique.
“L'Ellipse-N a été un facteur très déterminant dans le succès de notre voiture de 2018 (1ère place en autocross au Royaume-Uni, en Allemagne et en Espagne ; 1ère place au classement général en Australie).” | Alexandre K., Vehicle Dynamics TU FAST Team
TUfast à la Formula Student Electric
La Formula SAE a été fondée en 1979 par des professeurs aux États-Unis et est arrivée en Europe en 1999. Le projet vise à permettre aux étudiants de se mettre au défi, de tester leurs capacités et d'apprendre à travailler sur un projet énorme en équipe.
La compétition a accueilli la catégorie Electric il y a quelques années et TUfast participe avec sa voiture électrique nommée “eb018” qui intègre l'Ellipse2-N, un système de navigation inertielle miniature de SBG Systems.
Dynamique du véhicule
L'INS/GNSS Ellipse2-N a été installé sur l'eb018. L'IMU et la vitesse GPS sont les principales sources du filtre utilisé par l'équipe pour estimer l'état du véhicule (vitesse, angle de glissement, accélérations X et Y et vitesse de lacet).
Cet état a ensuite été comparé à un état souhaité afin de générer la commande de chaque moteur. L'Ellipse2-N a donc été un facteur très déterminant dans le succès de la voiture TUfast 2018 (1ère place en autocross au Royaume-Uni, en Allemagne et en Espagne ; 1ère place au classement général en Australie).
Analyse des pneus
Les positions GPS ont été largement utilisées pour l'analyse. L'équipe a généré de nombreuses cartes pour comprendre plus intuitivement tous les phénomènes influençant les performances de eb018. Un exemple très instructif est la carte de piste ci-dessous. Elle montre un facteur de correction interne dans notre filtre de Kalman.
Nous constatons grâce à cela que notre modèle de pneu surestime les forces longitudinales (bleu/vert dans les lignes droites) et offre une estimation plutôt bonne des forces latérales (orange/jaune dans les virages).
Utilisation de l'Ellipse-N dans la voiture de 2019
L'Ellipse et son logiciel ont été très agréables à utiliser et faciles à configurer. La documentation contient tout ce dont nous avions besoin pour démarrer et développer l'interface avec notre système.
Les données fournies par l'Ellipse sont précises et ont montré à certains moments moins de 10 cm d'erreur sur des trajets de plus de 1 km. Nous sommes très satisfaits de ce produit, explique Alexandre Kopp, responsable de la dynamique des véhicules au sein de l'équipe TUfast.
Sur eb019, nous exploiterons encore davantage le potentiel de l'Ellipse2-N. Nous utiliserons 2 filtres de Kalman : un pour l'état principal (comme sur eb018) ; et un second pour filtrer les capteurs et les données alimentant le modèle physique du filtre principal.
Le filtre principal sera également amélioré grâce à une estimation de la position et du cap. L'Ellipse2-N reste donc le capteur le plus important de notre voiture pour l'estimation de l'état. Son filtre de Kalman intégré sera particulièrement utile sur eb019 avec des estimations précises des angles de roulis, de tangage et de lacet.
Ces trois éléments sont nécessaires pour les calculs des forces aérodynamiques.
Ellipse-N
Ellipse-N est un système de navigation inertielle (INS) RTK compact et haute performance avec un récepteur GNSS bibande à quatre constellations intégré. Il fournit le roulis, le tangage, le cap et le pilonnement, ainsi qu'une position GNSS centimétrique.
Le capteur Ellipse-N est idéal pour les environnements dynamiques et les conditions GNSS difficiles, mais peut également fonctionner dans des applications moins dynamiques avec un cap magnétique.
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Quelle est la différence entre GNSS et GPS ?
GNSS signifie Global Navigation Satellite System et GPS pour Global Positioning System. Ces termes sont souvent utilisés de manière interchangeable, mais ils font référence à des concepts différents au sein des systèmes de navigation par satellite.
GNSS est un terme générique désignant tous les systèmes de navigation par satellite, tandis que GPS fait spécifiquement référence au système américain. Il comprend plusieurs systèmes qui offrent une couverture mondiale plus complète, tandis que GPS n'est qu'un de ces systèmes.
Le GNSS améliore la précision et la fiabilité grâce à l’intégration de données provenant de plusieurs systèmes, alors que le GPS seul peut avoir des limitations en fonction de la disponibilité des satellites et des conditions environnementales.
Quelle est la différence entre un AHRS et un INS ?
La principale différence entre un système de référence d'attitude et de cap (AHRS) et un système de navigation inertielle (INS) réside dans leur fonctionnalité et l'étendue des données qu'ils fournissent.
Un AHRS fournit des informations d'orientation, en particulier l'attitude (tangage, roulis) et le cap (lacet) d'un véhicule ou d'un appareil. Il utilise généralement une combinaison de capteurs, notamment des gyroscopes, des accéléromètres et des magnétomètres, pour calculer et stabiliser l'orientation. L'AHRS fournit la position angulaire sur trois axes (tangage, roulis et lacet), ce qui permet à un système de comprendre son orientation dans l'espace. Il est souvent utilisé dans l'aviation, les UAV, la robotique et les systèmes marins pour fournir des données d'attitude et de cap précises, ce qui est essentiel pour le contrôle et la stabilisation du véhicule.
Un INS fournit non seulement des données d'orientation (comme un AHRS), mais suit également la position, la vitesse et l'accélération d'un véhicule au fil du temps. Il utilise des capteurs inertiels pour estimer le mouvement dans l'espace 3D sans dépendre de références externes comme le GNSS. Il combine les capteurs trouvés dans AHRS (gyroscopes, accéléromètres) mais peut également inclure des algorithmes plus avancés pour le suivi de la position et de la vitesse, intégrant souvent des données externes comme le GNSS pour une précision accrue.
En résumé, l'AHRS se concentre sur l'orientation (attitude et cap), tandis que l'INS fournit une suite complète de données de navigation, y compris la position, la vitesse et l'orientation.
Quelle est la différence entre une IMU et un INS ?
La différence entre une centrale de mesure inertielle (IMU) et un système de navigation inertielle (INS) réside dans leur fonctionnalité et leur complexité.
Une IMU (centrale de mesure inertielle) fournit des données brutes sur l'accélération linéaire et la vitesse angulaire du véhicule, mesurées par des accéléromètres et des gyroscopes. Elle fournit des informations sur le roulis, le tangage, le lacet et le mouvement, mais ne calcule pas la position ni les données de navigation. L'IMU est spécifiquement conçue pour relayer des données essentielles sur le mouvement et l'orientation pour un traitement externe afin de déterminer la position ou la vitesse.
D'autre part, un INS (système de navigation inertielle) combine les données IMU avec des algorithmes avancés pour calculer la position, la vitesse et l'orientation d'un véhicule au fil du temps. Il intègre des algorithmes de navigation comme le filtrage de Kalman pour la fusion et l'intégration des capteurs. Un INS fournit des données de navigation en temps réel, y compris la position, la vitesse et l'orientation, sans dépendre de systèmes de positionnement externes comme le GNSS.
Ce système de navigation est généralement utilisé dans les applications qui nécessitent des solutions de navigation complètes, en particulier dans les environnements où le GNSS est inaccessible, tels que les UAV militaires, les navires et les sous-marins.
L'INS accepte-t-il les entrées de capteurs d'aide externes ?
Les systèmes de navigation inertielle de notre société acceptent les entrées de capteurs d'aide externes, tels que les capteurs de données aériennes, les magnétomètres, les odomètres, le DVL et autres.
Cette intégration rend l'INS extrêmement polyvalent et fiable, en particulier dans les environnements où le GNSS est inaccessible.
Ces capteurs externes améliorent les performances globales et la précision de l'INS en fournissant des données complémentaires.