SISTEMI ZA NAVIGACIJO V OKOLJIH S SENZORSKIMI IN ZUNANJIMI OMEJITVAMIJUHANT, ROK (Avtor) Blažič, Sašo (Mentor) Razširjeni Kalmanov filterhitra inicializacijanavigacijasenzorji GPSinercijski senzorjiporavnava koordinatnih sistemovobratno računanje izhodovglajenje signalov v pozitivni časovni smeriučinek ročicedinamični manevri.Področje navigacije zemeljskih vozil je izredno priljubljeno med raziskovalci, raznimi podjetji in ne nazadnje tudi med splošnimi uporabniki. V zadnjih letih se je močno razmahnila uporaba navigacijskih naprav, tako namenskih kot tudi aplikativnih – z uporabo na mobilnih telefonih. Kljub temu pa med različnimi sistemi obstajajo ogromne razlike. Medtem ko so dragi sistemi, ki jih pri testiranjih uporabljajo podjetja s področja letalstva, pomorstva in avtomobilske industrije, zaradi visoke cene nedosegljivi fizičnim osebam, se njihovo bistvo skriva v izredno natančnih senzorjih in zapletenih algoritmih, ki jih poganjajo zmogljivi računalniški sistemi. Ravno nasprotno so sistemi, ki so na voljo povprečnim uporabnikom, podvrženi mnogim omejitvam in napakam, ki jih je potrebno zaznati in odpraviti s posebnimi, t.i. navigacijskimi algoritmi. Natančnost predstavitve položaja, hitrosti in rotacije vozila je tako odvisna od več dejavnikov. Izhodi senzorjev so podvrženi določenim napakam, kot so nelinearnost, odvisnost od temperature, ničelno odstopanje, nepravokotnost osi in šum. Te napake je v določeni meri mogoče zaznati in odpraviti. Po drugi strani pa se zunanjim omejitvam, kot so umetne in naravne prepreke, izguba signala GPS ali odpoved katerega od delov senzorskega sistema, težko izognemo, želja uporabnikov pa je, da tudi te težave algoritem zmore zaznati in odpraviti. Zato je v tej doktorski disertaciji predstavljen navigacijski sistem, ki je bil razvit v želji preprostega in računsko relativno nezahtevnega sistema, ki bi omogočal predstavitev vseh najpomembnejših navigacijskih podatkov in bi bil primeren za široko uporabo, njegova natančnost pa bi bila primerljiva natančnosti precej dražjih sistemov. Za dosego tega cilja je bilo potrebno sprejeti kar precej kompromisov, tako z vidika strojnega dela opreme kot tudi na področju algoritmov. Pri strojnem delu je bil izmed množice možnih kombinacij senzorjev uporabljen inercijski senzor, ki je sestavljen iz pospeškomerov in žiroskopov, ki merita pospeške in kotne hitrosti vozila v treh pravokotnih smereh. To je osnovni senzor, katerega podatki so dostopni ves čas in so uporabljeni pri računanju predikcije v raznih izvedenkah Kalmanovega filtra. V korekcijskem delu algoritma so uporabljeni izhodi senzorja GPS, ki meri položaj, hitrost in smer vozila, hkrati pa podaja tudi natančnost svojih podatkov na osnovi števila uporabljenih satelitov. Pri algoritemskem delu naprave je bil kot osnova uporabljen razširjeni Kalmanov filter, ki ni računsko potraten, hkrati pa omogoča relativno dobre rezultate. Seveda pa je bilo potrebno osnovnemu delu algoritma dodati dodatne računske operacije, ki upoštevajo zunanje in senzorske omejitve. Tako je bil najprej uporabljen nov način inicializacije, ki služi začetni nastavitvi sistema. Izračunajo se povprečne vrednosti izhodov inercijskih senzorjev, za začetek testa pa zadostuje samo en natančen podatek iz sistema GPS. Hkrati s tem se izračunajo tudi variance inercijskih senzorjev, ki se upoštevajo v nadaljnjih izračunih. V nadaljevanju je opisan tudi način računanja prevožene razdalje, ki uporablja modifikacijo t.i. enačbe haversine, ki omogoča računanje najbližje razdalje med dvema točkama po zemeljski površini. Ta način se obnese odlično kljub temu, da gre med dvema točkama za zelo majhne razdalje. V začetku so bile omenjene omejitve senzorja GPS, ki se odražajo na občasnih izpadih signala GPS. To je lahko posledica premajhnega števila satelitov, kar povzročijo različne prepreke na poti vozila, tako umetne kot tudi naravne. Ker se tem omejitvam ne moremo izogniti, je bilo potrebno razviti algoritem, ki omogoča zaznavanje natančnosti podatkov, ki jih pridobimo s sistemom GPS. Tako so bile uvedene določene omejitve gibanja, ki se odražajo na položaju, hitrosti in smeri vozila med dvema trenutkoma vzorčenja. V primeru, da so te omejitve presežene, se podatki GPS ne uporabijo v korekcijskem delu Kalmanovega filtra. Omejitve, o katerih je govora, so vezane predvsem na fizikalno ozadje gibanja vozil. Korekcija v Kalmanovem filtru povzroča skoke izhodnih podatkov. Ker je to neželen pojav, saj se položaj in hitrost vozila spreminjata zvezno, je potrebno glajenje signalov. Predstavljen je način glajenja, imenovan glajenje v pozitivni časovni smeri, ki ni obremenjujoč za procesor, hkrati pa omogoča natančno glajenje z uporabo vektorja napake stanj. V nadaljevanju je predstavljen tudi algoritem za poravnavo koordinatnih sistemov, ki omogoča, da uporabnik napravo z magneti namesti na poljuben kovinski del vozila in jo pri tem poljubno orientira. Računski algoritem nato v prvem delu testa z uporabo skalarnega produkta izračuna orientacijo testne naprave in prilagodi njene izhode. Po zaključku poravnave koordinatnih sistemov se izvedejo tudi popravki začetnih vrednosti algoritma, ko orientacija naprave za navigacijo še ni bila znana. Ti popravki so možni tako v pozitivni kot tudi v negativni časovni smeri, kar imenujemo obratno računanje izhodov. Kot zadnji je predstavljen tudi algoritem za odstranjevanje učinka ročice. Ta učinek se pojavi, ker naprava za navigacijo ni nameščena v težišču vozila. To povzroči napačne vrednosti pospeškov in kotnih hitrosti, poleg tega pa tudi napačne podatke iz senzorja GPS. Medtem, ko popravke in prilagoditev slednjih najdemo v številni literaturi, pa je tukaj predstavljena tudi možnost popravkov osnovnih vrednosti (pospeškov in kotnih hitrosti), t.i. direktni popravki učinka ročice. Rezultat je še posebej viden pri hitrih manevrih, kot je zasilno zaviranje ali vožnja v krogih pri visoki hitrosti. Razdalja med težiščem in lokacijo navigacijske naprave pa ni vedno znana, zato je uporabljena in predstavljena tudi možnost določitve te razdalje prek optimizacije kriterijske funkcije in serije testov dinamičnih manevrov. Vsi opisani algoritmi so del razvite navigacijske naprave in se uporabljajo po potrebi oz. v določenih fazah testiranj. Skupni rezultat je robustna in preprosta naprava, ki uporabniku omogoča lahko in hitro pridobitev natančnih rezultatov ne glede na namen in značilnosti uporabe.20152015-04-21 12:10:05Doktorsko delo/naloga30700sl