Лаборатория Микроприборов - разработка инерциальной навигации для беспилотников

Авторы: Андрей Михеев, технический директор ООО "ЛМП" и Андрей Родин, инженер-программист ООО "ЛМП".
Присоединяйтесь к обсуждению темы в Facebook
Подписывайтесь на наш телеграм-канал

Лаборатория Микроприборов (ООО "ЛМП") - российский разработчик и производитель инерциальных систем для беспилотов на основе МЭМС. Микроэлектромеханические системы (МЭМС) - это устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. 

Что такое инерциальная навигация

Инерциальная навигация - это метод навигации (определения координат и параметров движения различных объектов — автомобилей, судов, самолётов, ракет и др.) и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел и являющийся автономным, то есть не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов.

Неавтономные методы решения задач навигации основываются на использовании внешних ориентиров или сигналов (например, звёзд, маяков, радиосигналов и т. п.). Эти методы достаточно просты, но в ряде случаев не могут быть реализованы из-за отсутствия видимости или наличия помех для радиосигналов и т.п. Причиной возникновения инерциальной навигации стала необходимость создания автономных навигационных систем.

Инерциальные навигационные системы для беспилотного транспорта

В 2018 году Лаборатория Микроприборов разработала инерциальную навигационную систему (ИНС) ГКВ-11 с встроенным ГНСС (Global Navigation Satellite System, глобальная навигационная спутниковая система) приемником метровой точности. Данный модуль позволяет получить курс автомобиля в движении, рассчитать ориентацию и поддерживать автономную навигацию при кратковременной потере сигнала ГНСС.

ИНС ГКВ состоят из МЭМС-датчиков (датчиков угловой скорости и акселерометров), высокопроизводительного вычислителя, приемника ГНСС, магнитометра и необходимой периферии. Для вычисления навигации инерциальный модуль комплексует инерциальные и ГНСС данные. Ошибки, вызванные шумами и нестабильностью инерциальных датчиков, корректируются по данным ГНСС приемника.

Датчики ГКВ-6 и ГКВ-11.

Антенны ГКВ-12 и ГКВ-11.

Для беспилотного транспорта ГНСС приемника метровой точности недостаточно, необходимо использовать ГНСС приемники, вычисляющие координаты с сантиметровой точностью в реальном времени (RTK - Real Time Kinematic). Поэтому была проведена модернизация ГКВ-11 и внутрь интегрирован 2х частотный ГНСС приемник с поддержкой RTK.

В квалификационных заездах конкурса по беспилотному транспорту "Зимний город" в марте 2019 г. и в финале, в декабре 2019 г., с инерциальной навигационной системой от ЛМП участвовало два беспилотных автомобиля команды МАДИ (ГКВ-11 с RTK) и команды НГТУ (с ГКВ-10 и ГНСС приемником от Ориент Системс).

На текущий момент Лаборатория Микроприборов продолжает совершенствовать свои инерциальные навигационные системы. Команде МАДИ поставлены несколько новых инерциальных модулей ГКВ-12 с двухантенным решением для получения курса из статики.

Беспилотный автомобиль МАДИ с инерциальной навигационной системой ООО "ЛМП".

Комплексирование инерциальной навигации с ГНСС

Комплексированное навигационное решение позволяет вычислять ориентацию ИНС с высокой точностью при высокой динамике (в зависимости от характеристик датчиков от 0,5° до 0,01°), а также работать автономно при отключении или пропадании ГНСС сигнала. Чем стабильнее и точнее инерциальная часть, тем дольше будет сохраняться навигация без дополнительной коррекции. На рисунках 1, 2 и 3 показаны проезды под мостом и туннелем, а также при плотной городской застройке. 

Рис. 1. Проезд на автомобиле под мостом.

Рис. 2. Проезд на автомобиле под туннелем.

Рис. 3. Проезд на автомобиле при плотной застройке.

Об инерциальных системах в беспилотном автомобиле

Команда Лаборатории Микроприборов подготовила ответы на следующие вопросы, касающиеся применения инерциальных навигационных систем в беспилотных и автономных системах:

  • Каков общий принцип вычисления навигации инерциальным модулем с коррекцией от ГНСС приемника?
  • Какие бывают типы выставки навигационного алгоритма (или типы навигационной выставки)?
  • Как происходит коррекция по поведенческой модели автомобиля?
  • Почему распадается автономное навигационное решение?

Общий принцип вычисления навигации инерциальным модулем с коррекцией от ГНСС приемника (или как работает комплексированное навигационное решение?)

Навигационный алгоритм считает навигационное решение в географической системе координат (СК) Север-Восток-Низ (NED). Начало СК в точке включения (или при включении в движении в точке схождения решения) с координатами XYZ, где X - проекция вектора положения на ось, направленную на север, Y - на ось, направленную на восток, Z - на ось, направленную по вектору силы тяжести Земли.

ГНСС передает координаты в геодезической СК (геоцентрическая ECEF или эллипсоидная LLA), которые внутри алгоритма преобразуются в СК NED и выполняется коррекция инерциальной навигации, к начальной точке СК NED привязывается определенная координата в геодезической СК. Таким образом, абсолютная точность координат, выдаваемых навигационным алгоритмом, в геодезической СК полностью зависит от начальной вычисленной координаты ГНСС приемником.

После включения ИНС и ГНСС работа навигационного алгоритма построена следующим образом:

  • Выставка - вычисление углов склонения в стартовой системе координат и нулевых значений инерциальных датчиков.
  • Вычисление курса в достоверном интервале.
  • Доворот стартовой СК к NED.
  • Основная работа навигационного алгоритма.

При этом важно:

  • XYZ координаты начинают рассчитываться с момента вычисления углов склонения, но, так как курс в начальный момент может быть неизвестен, то после этапа 2 происходит коррекция (учёт полученного курса) и координаты доворачиваются до СК NED скачком.
  • До основной работы навигационного алгоритма выдаваемые координаты в геодезической СК полностью копируют координаты от ГНСС приемника.
  • По умолчанию инерциальные данные выдаются с частотой 1 кГц, но обновление навигационного алгоритма на данный момент производится с частотой 100 Гц, поэтому ориентация, скорости и координаты обновляются с частотой не более 100 Гц.

Типы выставки навигационного алгоритма (или типы навигационной выставки)

На данный момент Лабораторией Микроприборов представлено 4 типа выставки для навигационного алгоритма с коррекцией от данных ГНСС приемника, которые где-то могут пересекаться, но так как их разработка проводилась последовательно, они имеют разные номера:

1 - Выставка из покоя. Инерциальный модуль должен находиться в состоянии покоя (т.е. угловые скорости и кажущееся линейное ускорение не должны меняться) первые 10 секунд*, за это время усредняются показания ДУС и акселерометров. Усредненное значение ДУС в дальнейшем учитывается как смещение нулей ДУС, а усредненные значения акселерометров применяются для вычисления начальных углов склонения. Курс вычисляется после начала движения при достижении горизонтальной скорости ГНСС порогового значения в течение определенного времени. По умолчанию - 2 м/с, длительностью 2000 мс. До момента вычисления курса рекомендуется двигаться прямолинейно.

*рекомендуется такой временной интервал, исходя из времени нестабильности датчиков угловой скорости (ДУС), но этот параметр может быть задан пользователем.

2 - Выставка в динамике на основе данных ГНСС. Алгоритм постоянно пробует найти участок, где можно вычислить начальные углы (как правило, это участок с постоянной горизонтальной скоростью), и далее ждет маневра в течение 20 секунд, т.е. изменения ускорения для вычисления курса и доворота стартовой СК к геодезической СК и переходу к основному навигационному алгоритму.

3 - Выставка в качке на основе данных ГНСС. Для работ на воде была введена отдельная выставка, при которой алгоритм ищет начальные углы склонения. Затем корректируется каждые 1000 мс (минимум) от ГНСС. Корректировка по курсу производится отдельной командой, после чего запускается основной навигационный алгоритм.

4 - Выставка из покоя с использованием курса от ГНСС. Специально для беспилотных автомобилей введена выставка без начального поиска курса. Переход к основному навигационному решению осуществляется после выставки из покоя сразу же, при условии получения от ГНСС флага фиксированного решения и данных о курсе между мастер и ровер антеннами. Такая выставка возможна при использовании модуля ГКВ-12 или внешнего ГНСС приемника с двумя антеннами.

Как происходит коррекция по поведенческой модели автомобиля?

Существует возможность длительного удержания автономного навигационного решения при наложении на кинематическую модель ограничений. Например, для автомобиля можно оставить скорость по ходу движения без коррекции или корректировать от одометра, а остальные скорости занулить (автомобиль в общем случае не едет боком и не взлетает).

В таком случае значительно повышается время автономной работы навигационного модуля. При проезде под мостом алгоритм с коррекцией по модели автомобиля приезжает в точку возобновления ГНСС решения (Рисунок 4а), в то время как чисто автономный навигационный алгоритм допускает бо́льшую ошибку (Рисунок 4б).

Рисунок 4a - Общий вид проезда под мостом.

Рисунок 4б - Красная траектория без поведенческой модели автомобиля, зелёная траектория с поведенческой моделью.

Особенно это заметно при более динамичном движении, например, заезд на многоуровневую стоянку по спиральному подъему. Алгоритм с наложением ограничений повторяет траекторию движения по спирали (вид сверху - круг), в то время как чистая автономная навигация разваливается и видно, что ось спирали наклонена.

Такая коррекция может использоваться для удержания координат при парковке каршеринговых автомобилей на многоуровневых крытых паркингах, где возникают проблемы с завершением аренды из-за выхода за разрешенную зону парковки (Рисунок 5).

Рисунок 5 - Заезд автомобиля по спирали.

Почему ошибается инерциальная навигационная система?

Основной источник ошибки — это ошибки ориентации. В сводной таблице приведен анализ ошибок на расчет скорости и положения.

Интегрирование ошибки датчиков угловой скорости (гироскопы)

  • Нестабильность смещения нуля
  • Ошибка масштабного коэффициента
  • Нелинейность передаточной функции
  • Неортогональность осей
  • Температурный уход нуля и масштабного коэффициента

Ошибка в 0,1° ведет к ошибке в скорости 17 мм/с
За 10 с ошибка скорости 170 мм/с
За 60 с ошибка скорости 1 м/с

Ошибка измерения линейного ускорения (акселерометры)

  • Ошибка от включения к включению
  • Нестабильность смещения нуля
  • Ошибка масштабного коэффициента
  • Нелинейность передаточной функции
  • Неортогональность осей
  • Температурный уход нуля и масштабного коэффициента

Ошибка в 1 mg ведет к ошибке в положении
За 1 с – 5 мм
За 10 с – 25 см
За 60 с – 18 м

Ошибка в масштабном коэффициенте особенно заметна при постоянном вращении в одном направлении. Как правило, движение автомобилей носит случайный характер, и сумма всех поворотов сводится к 0, поэтому ошибка масштабного коэффициента вносит в таких случаях малый вклад.

При ошибке ориентации угловая скорость по одной из осей вращения вносит свою проекцию на остальные оси, например, при ошибке в 1 мрад (0,057 °/с) проекция угловой скорости вдоль оси Z, равная 120 °/с на оси X, Y (крен, тангаж) составит 0,12 °/с, за 3 секунды вращения (поворот на 360°) ошибка ориентации увеличится по крену и тангажу на 0,36°.

Для списывания накопленных ошибок ИНС необходимо подключать дополнительные источники коррекции на других принципах работы. Для беспилотного автомобиля корректорами могут выступать:

  • Датчик скорости.
  • Лидар.
  • Радар.
  • Одометр.
  • Датчик давления.
  • И прочее.

Планы на будущее

В 2021 г. Лаборатория Микроприборов планирует добавить коррекцию от двухантенного ГНСС приемника в движении на малой скорости, когда курс по динамической модели вычисляется с бо́льшей ошибкой в сравнении с ГНСС приемником. Также ведется разработка более точного ИНС с нестабильностью по ДУС менее 1 °/ч и менее 0,2 °/ч для увеличения времени автономной работы и точности вычисления навигации.

О других кейсах

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Для БПЛА были разработаны малогабаритные инерциальные модули ГКВ-5 и ГКВ-6, которые могут быть использованы в составе автопилота или для проведения геодезических изысканий (фотограмметрия или облако точек с привязкой к координатам).

Наведение и стабилизация спутниковых антенн. Лабораторией Микроприборов был разработан алгоритм наведения и стабилизации спутниковых антенн при движении по суше, в воздухе и в море. В качестве корректора используется ГНСС приемник, но также возможна коррекция по уровню сигнала от космического спутника.

Контакты

Сайт Лаборатории Микроприборов: mp-lab.ru. По вопросам сотрудничества пишите: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Подписывайтесь на нас в социальных сетях:

О компании

Компания была основана в 2012 г. в Московском институте электронной техники. Через 5 лет фирма отделилась от университета и стала заниматься успешными и востребованными проектами, которые были продиктованы не только рынком, но и получили поддержку Фонда Содействия Инновациям: в ходе одного из таких проектов была разработана инерциальная навигационная система ГКВ-11 - флагман среди инерциальных модулей производства Лаборатории Микроприборов.

Компания обладает компетенциями не только в сфере разработки и производства инерциальных систем, но и в проведении испытаний и калибровки, а также в оказании технической поддержки по внедрению устройств в беспилотные летательные аппараты и автомобили, спутниковые антенны, катера и другие системы. Благодаря дружной команде высококлассных специалистов и современному оборудованию, фирма может изготавливать чувствительные элементы и приборы на основе МЭМС в Зеленограде.

Сейчас у Лаборатории Микроприборов более 10 активных проектов, свыше 30 направлений по применению инерциальных систем и более 100 клиентов. Компания небольшая, поэтому достаточно мобильна и открыта для общения. Готовы помогать с интеграцией своих устройств, предлагать нестандартные решения и быть на связи не только в рабочие часы.

Авторы материала

Андрей Михеев, технический директор ООО «ЛМП», Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Андрей Родин, инженер-программист ООО «ЛМП», Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Сайт Лаборатории Микроприборов: mp-lab.ru и да пребудет с вами беспилот!

Материалы по теме:

Друзья, всё общение как всегда в моем фейсбуке: https://www.facebook.com/arksofrygin

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ:

ВЫБОР ЧИТАТЕЛЕЙ

Популярные статьи

×