Systemy nawigacji inertialnej dla systemów ADAS – Zaawansowane Systemy Wspomagania Kierowcy

Systemy ADAS (Advanced Driver Assistance Systems – zaawansowane systemy wspomagania kierowcy) zwiększają bezpieczeństwo jazdy dzięki takim funkcjom, jak utrzymywanie pasa ruchu, adaptacyjny tempomat i automatyczne hamowanie, ale wymagają aktywnego nadzoru ze strony kierowcy. Natomiast samochody autonomiczne, wyposażone w systemy jazdy autonomicznej, mają na celu pełną automatyzację działania pojazdu bez udziału człowieka.

Podczas gdy ADAS wspiera kierowców poprzez pomoc w zadaniach i poprawę bezpieczeństwa, samochody autonomiczne zostały zaprojektowane tak, aby radzić sobie ze wszystkimi aspektami jazdy autonomicznej, od nawigacji po podejmowanie decyzji, oferując wyższy poziom automatyzacji (poziomy SAE) i wyższą wygodę. Cechy lub funkcje ADAS przypisuje się poziomom SAE poniżej 3, a samochody autonomiczne jako takie odpowiadają co najmniej poziomowi 4.

Żyroskop to czujnik mierzący prędkość kątową – szybkość, z jaką obiekt obraca się wokół jednej lub wielu osi – i jest jednym z fundamentalnych elementów systemów nawigacji inercyjnej. Jego głównym celem jest dostarczanie precyzyjnych, bieżących informacji o ruchu obrotowym, aby INS lub IMU mogły określić, jak orientacja obiektu zmienia się w czasie.

Nowoczesne żyroskopy stosowane w nawigacji, zwłaszcza w przemyśle lotniczym, obronnym, morskim i w robotyce, to zazwyczaj czujniki MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) lub technologie optyczne, takie jak FOG (Fiber Optic Gyroscopes) oraz RLG (Ring Laser Gyroscopes). Choć ich zasady fizyczne się różnią, wszystkie wykorzystują tę samą fundamentalną koncepcję: gdy system wiruje, czujnik wykrywa wynikowy efekt inercyjny i przekształca go w sygnał elektryczny.

W żyroskopie MEMS maleńkie wibrujące struktury – często masy krzemowe wprawiane w ruch z określonymi częstotliwościami rezonansowymi – doświadczają sił Coriolisa, gdy urządzenie się obraca. Siły te wywołują mierzalne zmiany wzorców wibracji, które są przekształcane w informacje o prędkości kątowej. W żyroskopach optycznych światło poruszające się w przeciwnych kierunkach po zamkniętej pętli ulega przesunięciom fazowym podczas obrotu systemu; ten efekt Sagnaca umożliwia niezwykle precyzyjne pomiary rotacji odporne na dryf, bez użycia jakichkolwiek części ruchomych.

Żyroskopy dostarczają kluczowych danych do algorytmów systemu nawigacji inercyjnej, pozwalając systemowi obliczać orientację przestrzenną (kąty pochylenia wzdłużnego, poprzecznego i kursu). W połączeniu z akcelerometrami tworzą one IMU, który zapewnia wszechstronne możliwości wykrywania ruchu. Wysokiej jakości żyroskopy ograniczają znoszenie (drift), zwiększają stabilność i pozwalają systemowi nawigacyjnemu działać niezawodnie nawet w środowiskach pozbawionych sygnału GPS. W zastosowaniach takich jak prowadzenie UAV, amunicja krążąca, sterowanie AUV, kompensacja kołysania w żegludze morskiej czy nawigacja pojazdów autonomicznych, dokładność żyroskopu bezpośrednio wpływa na zdolność systemu do utrzymania precyzyjnej i stabilnej trajektorii.

Pozycja względna odnosi się do przemieszczenia ruchomej platformy mierzonego względem znanego punktu początkowego, a nie bezwzględnego geograficznego systemu współrzędnych. Zamiast wyrażać położenie w kategoriach szerokości, długości geograficznej i wysokości, pozycja względna opisuje, jak daleko i w jakim kierunku platforma przemieściła się z początkowego układu odniesienia.

INS oblicza to poprzez całkowanie zmierzonych przyspieszeń i prędkości kątowych w czasie: akcelerometry określają zmiany prędkości, a te prędkości są następnie ponownie integrowane w celu uzyskania zmian pozycji, wszystko wyrażone w zdefiniowanym układzie współrzędnych, takim jak body frame lub lokalny układ nawigacyjny.

Ponieważ pozycja względna nie opiera się na zewnętrznych sygnałach – GNSS, radiolatarniach czy punktach orientacyjnych – jest niezwykle przydatna w środowiskach pozbawionych dostępu do GPS, operacjach wewnątrz budynków, nawigacji podwodnej czy każdej misji, w której wymagane jest jedynie śledzenie ruchu od ostatniego znanego punktu.

Dokładność pozycji względnej pogarsza się jednak z czasem w wyniku dryfu spowodowanego błędami i szumem czujników, dlatego rozwiązania INS często łączą dane inercyjne ze źródłami wspomagającymi, takimi jak GNSS, odometry, DVL czy barometry, aby ograniczyć narastanie błędów. Ostatecznie pozycja względna zapewnia ciągły i autonomiczny sposób śledzenia ruchu, stanowiąc kręgosłup nawigacji zliczeniowej (Dead Reckoning), systemów prowadzenia i sterowania w wielu zastosowaniach lotniczych, morskich i robotycznych.