フォーミュラ・スチューデントの電気レーシングカー
TUfastチームは、動的解析を行うために、電気自動車のレーシングカーにEllipse-N小型INS/GNSSを搭載しました。
「Ellipse-Nは、2018年の非常に成功した車両（英国、ドイツ、スペインのオートクロスで1位、オーストラリアで総合1位）において、非常に決定的な要因となりました。」 | Alexandre K.、TU FASTチーム車両ダイナミクス担当
フォーミュラ・スチューデント・エレクトリックにおけるTUfast
フォーミュラSAEは1979年に米国の教授たちによって創設され、1999年にヨーロッパにも導入されました。このプロジェクトは、学生たちが自らに挑戦し、自分の能力を試すとともに、チームで大規模なプロジェクトに取り組む方法を学ぶことを目的としています。
数年前に電気自動車カテゴリーが新設された本大会において、TUfastはSBG Systemsの小型慣性航法システム「Ellipse2-N」を搭載した「eb018」という名の電気自動車で参戦しています。
車両ダイナミクス
Ellipse-N INS/GNSSがeb018に搭載されました。IMUとGPSの速度は、チームが車両の状態（速度、スリップ角、XおよびY方向の加速度、ヨーレート）を推定するために使用したフィルターの主要なソースです。
この状態は目標状態と比較され、各モーターの指令値が生成されます。したがって、Ellipse2-Nは、TUfastの2018年の大成功を収めた車両（英国、ドイツ、スペインのオートクロスで1位、オーストラリアで総合1位）において非常に決定的な要因となりました。
タイヤの分析
分析にはGPSの位置情報が広く活用されました。チームは、eb018のパフォーマンスに影響を与えるすべての現象をより直感的に理解するために、多くのマップを作成しました。非常に示唆に富む例として、以下のトラックマップが挙げられます。これは、当社のカルマンフィルター内の内部補正係数を示しています。
この結果から、我々のタイヤモデルは、タイヤの縦方向の力（直線区間の青・緑）を過大評価している一方で、横方向の力（コーナーのオレンジ・黄色）についてはかなり正確に推定していることがわかります。
2019年の車両におけるEllipse-Nの使用
Ellipseとそのソフトウェアは非常に扱いやすく、設定も簡単でした。ドキュメントには、作業を開始し、システムとのインターフェースを開発するために必要なすべての情報が含まれています。
Ellipseによって提供されるデータは正確であり、1km以上の走行において誤差が10cm未満になる瞬間も見られました。私たちはこの非常に満足のいく製品を使用しています、とTUfastチームの車両ダイナミクス担当であるAlexandre Koppは説明します。
eb019では、Ellipse2-Nのポテンシャルをさらに活用します。2つのカルマンフィルターを使用する予定です。1つはメイン状態用（eb018と同様）、もう1つはメインフィルターの物理モデルに入力されるセンサーとデータをフィルター処理するためのものです。
メインフィルターも、位置と方位の推定によってさらに改善されます。このように、Ellipse2-Nは状態推定のための当社の車両において最も重要なセンサーであり続けます。統合されたカルマンフィルターは、ロール角、ピッチ角、ヨー角を高精度で推定できるeb019において特に役立ちます。
これら3つの角度は、空力計算に不可欠です。
Ellipse-N
Ellipse-Nは、デュアルバンド・4周波のGNSS受信機を統合した、コンパクトかつ高性能なRTK慣性航法システム（INS）です。ロール、ピッチ、方位、ヒーブ（上下動）に加え、センチメートル精度のGNSS位置情報を提供します。
Ellipse-Nセンサーは、動的な環境や過酷なGNSS条件に最適ですが、磁気方位を使用して低ダイナミックなアプリケーションで動作させることも可能です。
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GNSSとGPSの違いとは？
GNSSはGlobal Navigation Satellite Systemの略であり、GPSはGlobal Positioning Systemの略です。これらの用語はしばしば混同して使用されますが、衛星測位システム内では異なる概念を指します。
GNSSは全ての衛星測位システムの総称であり、GPSは特に米国のシステムを指します。GNSSはより包括的なグローバルカバレッジを提供する複数のシステムを含みますが、GPSはそのシステムの一つに過ぎません。
複数のシステムからのデータを統合することにより、GNSSでは精度と信頼性が向上しますが、GPS単体では衛星の可用性や環境条件によって制限を受ける場合があります。
AHRSとINSの違いは何ですか？
姿勢方位基準装置（AHRS）と慣性航法システム（INS）の主な違いは、その機能と提供するデータの範囲にあります。
AHRSは姿勢情報、具体的には車両やデバイスの姿勢（ピッチ、ロール）および方位（ヨー）を提供します。通常、ジャイロスコープ、加速度計、磁気センサーなどのセンサーを組み合わせて使用し、姿勢を計算して安定化させます。AHRSは3軸（ピッチ、ロール、ヨー）の角度位置を出力するため、システムは空間内での自身の方向を把握することができます。航空機、UAV、ロボット工学、海洋システムなどで広く使用されており、車両の制御や安定化に不可欠な正確な姿勢および方位データを提供します。
INSは、（AHRSのように）姿勢データを提供するだけでなく、時間の経過に伴う車両の位置、速度、加速度も追跡します。GNSSのような外部基準に依存せず、慣性センサーを使用して3次元空間での動きを推定します。AHRSに搭載されているセンサー（ジャイロスコープ、加速度計）を組み合わせるだけでなく、位置や速度を追跡するための高度なアルゴリズムが含まれている場合もあり、精度を向上させるためにGNSSなどの外部データと統合されることがよくあります。
要約すると、AHRSは姿勢（姿勢角および方位）に焦点を当てているのに対し、INSは位置、速度、姿勢を含むナビゲーションデータの完全なスイートを提供します。
IMUとINSの違いは何ですか？
慣性計測装置（IMU）と慣性航法システム（INS）の違いは、その機能性と複雑さにあります。
IMU（慣性計測装置）は、加速度計とジャイロスコープによって測定された、車両の線形加速度と角速度に関する生データを提供します。ロール、ピッチ、ヨー、および動きに関する情報を提供しますが、位置や航法のデータは計算しません。IMUは、位置や速度を決定するための外部処理向けに、移動と向きに関する本質的なデータを中継するように特別に設計されています。
一方で、INS（慣性航法システム）は、IMUデータと高度なアルゴリズムを組み合わせて、経時的な車両の位置、速度、姿勢を計算します。センサーフュージョンおよび統合のためにカルマンフィルタリングなどの航法アルゴリズムを組み込んでいます。INSは、GNSSのような外部測位システムに依存することなく、位置、速度、姿勢を含むリアルタイムの航法データを提供します。
この航法システムは通常、軍用UAV、船舶、潜水艦など、GNSSが利用できない環境をはじめとする、包括的な航法ソリューションを必要とする用途で利用されます。
INS は、外部の補助センサーからの入力を受け付けますか？
慣性航法システム（INS）は、エアデータセンサー、磁気センサー、オドメーター、DVL、その他の補助センサーからの入力を受け付けます。
この統合により、INSは特にGNSS電波障害環境において、非常に多用途で信頼性の高いものとなります。
これらの外部センサーは、補完的なデータを提供することで、INS の全体的な性能と精度を向上させます。
