포뮬러 스튜던트 전기 레이싱카
TUfast 팀은 동역학 분석을 위해 전기 레이싱 카에 Ellipse2-N 초소형 INS/GNSS를 탑재하기로 했습니다.
"Ellipse-N은 2018년 차량을 성공으로 이끄는 데 매우 결정적인 요소였습니다(영국, 독일, 호주 오토크로스 1위; 호주 종합 1위)." | 알렉산드르 K., TU FAST 팀 차량 동역학 담당
포뮬러 스튜던트 일렉트릭의 TUfast
포뮬러 SAE(Formula SAE)는 1979년 미국의 교수들에 의해 설립되었으며 1999년 유럽으로 도입되었습니다. 이 프로젝트의 목적은 학생들이 자신에게 도전하고, 능력을 시험하며, 팀을 이루어 대규모 프로젝트를 수행하는 법을 배우도록 하는 것입니다.
대회 측은 몇 년 전에 전기차 부문을 신설했으며, TUfast는 SBG Systems의 초소형 관성 항법 시스템인 Ellipse2-N이 탑재된 'eb018'이라는 이름의 전기 레이스카로 출전합니다.
차량 동역학
Ellipse-N INS/GNSS가 eb018에 설치되었습니다. IMU와 GPS 속도는 연구팀이 차량의 상태(속도, 슬립 각도, X 및 Y 가속도, 요 레이트)를 추정하는 데 사용한 필터의 주요 소스입니다.
이 상태는 목표 상태와 비교되어 각 모터의 제어 명령을 생성하는 데 사용되었습니다. 따라서 Ellipse2-N은 TUfast의 매우 성공적인 2018년 차량(영국, 독일, 스페인 오토크로스 1위, 호주 종합 1위)에 있어 매우 결정적인 요인이었습니다.
타이어 분석
분석을 위해 GPS 위치가 광범위하게 사용되었습니다. 연구팀은 eb018의 성능에 영향을 미치는 모든 현상을 보다 직관적으로 이해하기 위해 많은 지도를 생성했습니다. 그중 매우 통찰력 있는 예시가 아래의 트랙 지도입니다. 이 지도는 당사의 칼만 필터(Kalman filter) 내에 있는 내부 보정 계수를 보여줍니다.
이를 통해 우리의 타이어 모델이 종방향 타이어 힘(직선 구간의 파란색/녹색)을 과대평가하고 횡방향 힘(코너 구간의 주황색/노란색)은 비교적 정확하게 추정한다는 것을 알게 되었습니다.
2019년형 차량에 적용된 Ellipse-N
Ellipse와 그 소프트웨어는 작업하기 매우 훌륭했으며 설정도 간편했습니다. 제공되는 문서는 시스템과의 인터페이스를 시작하고 개발하는 데 필요한 모든 정보를 담고 있습니다.
Ellipse가 제공하는 데이터는 정확하며 1km 이상의 주행에서 때때로 10cm 미만의 오차를 보여주었습니다. 우리는 이 제품에 매우 만족한다고 TUfast 팀의 차량 동역학 담당인 알렉산드르 콥(Alexandre Kopp)은 설명합니다.
eb019에서는 Ellipse2-N의 잠재력을 더욱 극대화할 것입니다. 2개의 칼만 필터를 사용할 예정인데, 하나는 메인 상태용(eb018과 동일)이고 다른 하나는 메인 필터의 물리적 모델에 공급되는 센서와 데이터를 필터링하기 위한 것입니다.
메인 필터 역시 위치 및 방위각 추정 기능이 향상될 것입니다. 따라서 Ellipse2-N은 상태 추정을 위해 우리 차량에서 가장 중요한 센서로 남게 됩니다. 통합된 칼만 필터는 롤, 피치, 요 각도를 정확하게 추정해 주므로 eb019에서 특히 유용할 것입니다.
이 세 가지 각도는 공기역학적 힘을 계산하는 데 필수적입니다.
Ellipse-N
Ellipse-N은 듀얼 안테나와 쿼드 성좌 듀얼 밴드 GNSS 수신기가 통합된 소형 고성능 RTK 관성 항법 시스템(INS)입니다. 롤, 피치, 헤딩, 히브뿐만 아니라 센티미터 수준의 GNSS 위치를 제공합니다.
Ellipse-N 센서는 동적 환경과 가혹한 GNSS 조건에 가장 적합하지만, 자기 헤딩을 사용하여 저동적 응용 분야에서도 작동할 수 있습니다.
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GNSS와 GPS의 차이점은 무엇인가요?
GNSS는 Global Navigation Satellite System을 의미하며, GPS는 Global Positioning System을 의미합니다. 이 용어들은 종종 상호 교환적으로 사용되지만, 위성 기반 항법 시스템 내에서 서로 다른 개념을 나타냅니다.
GNSS는 모든 위성 항법 시스템을 통칭하는 용어인 반면, GPS는 특히 미국의 시스템을 지칭합니다. GNSS는 더 포괄적인 전 세계적 커버리지를 제공하는 여러 시스템을 포함하며, GPS는 그러한 시스템 중 하나일 뿐입니다.
GPS 단독으로는 위성 가용성 및 환경 조건에 따라 한계가 있을 수 있는 반면, 여러 시스템의 데이터를 통합하는 GNSS를 통해 정확성과 신뢰성이 향상됩니다.
AHRS와 INS의 차이점은 무엇인가요?
자세 방위 참조 장치(AHRS)와 관성항법장치(INS)의 주요 차이점은 기능과 제공하는 데이터의 범위에 있습니다.
AHRS는 방향 정보, 구체적으로 차량이나 장치의 자세(피치, 롤)와 방위(요)를 제공합니다. 일반적으로 자이로스코프, 가속도계, 자력계를 포함한 센서 조합을 사용하여 방향을 계산하고 안정화합니다. AHRS는 3개 축(피치, 롤, 요)의 각도 위치를 출력하므로 시스템이 공간 내에서 자신의 방향을 파악할 수 있습니다. 주로 항공, UAV, 로봇 공학, 해양 시스템에서 차량 제어 및 안정화에 필수적인 정확한 자세 및 방위 데이터를 제공하는 데 사용됩니다.
INS는 방향 데이터만 제공하는 것(AHRS처럼)에 그치지 않고, 시간에 따른 차량의 위치, 속도, 가속도까지 추적합니다. GNSS와 같은 외부 참조에 의존하지 않고 관성 센서를 사용하여 3차원 공간에서의 움직임을 추정합니다. AHRS에 있는 센서(자이로스코프, 가속도계)를 결합할 뿐만 아니라, 위치 및 속도 추정을 위한 더 고급 알고리즘을 포함할 수 있으며, 정확도를 높이기 위해 종종 GNSS와 같은 외부 데이터와 통합됩니다.
요약하자면, AHRS는 방향(자세 및 방위)에 초점을 맞추는 반면, INS는 위치, 속도, 방향을 포함한 전체 항법 데이터 세트를 제공합니다.
IMU와 INS의 차이점은 무엇인가요?
관성 측정 장치(IMU)와 관성항법장치(INS)의 차이점은 기능과 복잡성에 있습니다.
IMU(관성 측정 장치)는 가속도계와 자이로스코프가 측정한 차량의 선형 가속도 및 각속도에 대한 원시 데이터를 제공합니다. 롤, 피치, 요 및 모션에 대한 정보를 공급하지만 위치나 항법 데이터를 계산하지는 않습니다. IMU는 위치나 속도를 결정하기 위해 외부 처리에 필요한 움직임 및 방향에 대한 필수 데이터를 전달하도록 특별히 설계되었습니다.
반면, INS(관성항법장치)는 IMU 데이터와 고급 알고리즘을 결합하여 시간에 따른 차량의 위치, 속도 및 방향을 계산합니다. 센서 융합 및 통합을 위한 칼만 필터링과 같은 항법 알고리즘을 통합합니다. INS는 GNSS와 같은 외부 측위 시스템에 의존하지 않고 위치, 속도, 방향을 포함한 실시간 항법 데이터를 공급합니다.
이 항법 시스템은 일반적으로 종합적인 항법 솔루션이 필요한 응용 분야, 특히 군용 UAV, 선박, 잠수함 등 GNSS 음영 지역에서 활용됩니다.
INS는 외부 보조 센서의 입력을 수용합니까?
당사의 관성 항법 시스템은 대기 데이터 센서, 자력계, 주행거리계, DVL 등 외부 보조 센서의 입력을 수용합니다.
이러한 통합을 통해 INS는 특히 GNSS 음영 지역에서 매우 다재다능하고 신뢰성 높은 성능을 발휘합니다.
이러한 외부 센서는 보완 데이터를 제공하여 INS의 전반적인 성능과 정확도를 향상시킵니다.
