The use of odometer in land vehicle navigation system

Full Text

Введение При реализации современных технологий навигации наземного транспортного средства все большее распространение находят интегрированные инерциальные системы, объединя- ющие в единый комплекс приемники спутниковой навигации глобальной системы (GPS, GLONASS, Galileo) и инерциальные навигационные системы (ИНС). Основным достоинством ИНС служит их принципиально возможная автономность: все измерения и вычисления, необходимые для построения навигационного решения, осуществ- ляются на борту подвижного объекта без привлечения каких бы то ни было внешних источ- ников данных. Главным же недостатком таких систем оказывается свойство их погрешно- стей неограниченно возрастать с течением времени. Интегрирование этих ошибок в рамках навигационного алгоритма [1, 2] приводит к накоплению ошибок, содержащихся в выходных показаниях. Так, для лучших образцов авиационных навигационных систем погрешность определения координат составляет 1…2 км за 1 ч. полета. Глобальные спутниковые навигационные системы (СНС) реализуют принципиально иной метод навигации [1], что приводит и к иному характеру их погрешностей. По сравне- нию с ИНС спутниковые системы обеспечивают весьма высокую долговременную точность, то есть их погрешностям не свойственно накопление с течением времени. В основе навигационного алгоритма СНС лежит вычисление координат точки пересе- чения трех сфер, центр и радиус которых известен. Центрами сфер служат навигационные искусственные спутники Земли. Сами сферы образованы фронтами электромагнитных волн, излучаемых передатчиками на борту спутников. В точке пересечения сфер располагается рассматриваемый подвижный объект, оснащенный приемником сигналов спутников. На точность определения выходных показаний СНС влияет эквивалентная ошибка определения псевдо расстояний [1, 2] (User Equivalent Range Error, UERE), величина которой составляет 2…3 м, а также геометрический фактор (Dilution of Precision, DOP) - безразмер- ный множитель, характеризующий конфигурацию созвездия наблюдаемых навигационных спутников. Существенным препятствием на пути повсеместного распространения спутнико- вых навигационных средств оказывается их неавтономность, ибо приемлемое навигационное решение удается построить лишь в условиях качественного приема сигналов от достаточного числа спутников. Это возможно только на открытой местности и только при условии, что орбитальная группировка навигационной системы является достаточно развитой. Все сказанное о свойствах инерциальных и спутниковых систем навигации указывает на актуальность создания интегрированной системы, которая сочетала бы в себе достоинства различных принципов определения координат. Инерциальная часть системы должна обеспе- чивать малые погрешности на коротких интервалах времени и высокую частоту обновления выходной информации, а спутниковая коррекция позволяла бы сохранять достаточной дол- говременную точность всей системы [2]. В рамках решения задачи по оптимизации процесса грузоперевозок на территории мор- ского порта возникает потребность в непрерывном определении местоположения автопо- грузчиков транспортирующих контейнеры с грузом. Перемещение транспорта по территории морского порта происходит в узких пространствах (каньонах), ограниченных грузовыми контейнерами, что приводит к частым перебоям в работе приемника GPS. Учет особенностей реальных условий эксплуатации автопогрузчика требует включения в аппаратный состав си- стемы дополнительного источника информации о параметрах движения. В целях обеспече- ния устойчивости функционирования системы, а также для повышения точности определе- ния скорости и координат в качестве такого дополнительного источника данных может при- меняться одометр. Одометрический датчик позволяет измерять путь, пройденный транс- портным средством, или приращение пути за некоторый интервал времени [3, 4]. Задача исследования До последнего времени широкое применение интегрированных систем сдерживалось высокой стоимостью ИНС, а также сложностью развертывания внешних сегментов систем спутниковой навигации. Появление на рынке навигационной техники дешевых микромеха- нических элементов, обладающих низкой точностью, требует разработки зачастую принци- пиально новых технических решений. На основе проведенных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ была создана интегрированная навигационная система для наземного транспортного средства [3-5]. Элементный состав, а также особенности конструк- торских и схемных решений, положенных в основу концепции построения интегрированной инерциальной системы, изложены в работах [3-5], поэтому эта система является базовой при выполнении данных исследований. Задачами исследования являются: определение схемных и алгоритмических решений, обеспечивающих комплексирование одометрического датчика с модулями инерциальной и спутниковой навигации; представление и анализ результатов натурного эксперимента; выработка рекомендаций по дальнейшему совершенствованию системы. Схема комплексирования одометра, инерциальной системы и приемника GPS В настоящее время широкое практическое применение нашли различные комбиниро- ванные методики коррекции показаний инерциальных систем. Одна из таких методик преду- сматривает совместное использование показаний инерциальной системы, приемника GPS и одометра (рис. 1). На схеме Z , GPS Z , OD Z - вектора измерений, формируемых по показаниям инерциаль- OD ной системы, приемника GPS и одометра, Z - погрешность вектора измерений, H - кур- UP совой угол, Фˆ - оценка азимутальной выставки. По своей сути методика повторяет классическую схему интегрированной навигацион- ной системы с той лишь разницей, что схема расширена за счет введения в нее показаний одометра. Измерения, формируемые одометрическим датчиком, позволяют определить и скомпенсировать остаточную ошибку азимутальной выставки, а также осуществлять прогно- зирование погрешностей инерциальной части во время отсутствия качественного приема сигналов навигационных спутников, ибо измерения одометра доступны всегда, безотноси- тельно к внешним условиям. В свою очередь, сравнение величин пройденного пути, рассчитанных по данным Глонасс и одометра, дает возможность откалибровать масштабный коэф- фициент последнего. Ф ˆ UP Инерциальная система Приемник GPS Z GPS Z Оценка погрешностей Уточнение азимутальной выставки Прогноз погрешностей OD Z OD Z Одометр H Калибровка одометра OD  Z Рис. 1. Схема интеграции инерциальной системы, приемника GPS и одометра Основой цифрового одометра, входящего в состав интегрированной навигационной си- стемы, служит оптический кодовый датчик положения, содержащий ротор - прозрачный диск с нанесенными на нем в радиальном направлении непрозрачными полосами (или непро- зрачный диск с радиальными прорезями), а также пару из излучателя и фотоприемника, раз- мещенных по противоположные стороны от ротора. Электрическое напряжение на выходе фотоприемника определяется интенсивностью падающего на него излучения. При вращении ротора его непрозрачные участки поочередно затеняют фотоприемник, выходной сигнал которого приобретает вид последовательности импульсов, чье количество зависит от угла поворота ротора. Электронная схема, смоделированная в составе вычислителя инерциальной системы [2-5] и специальный алгоритм обработки выходного сигнала позволяют получить длитель- ность интервала времени , отделяющего фронты двух подряд идущих импульсов кодового датчика одометра. Величина, обратная этой длительности, служит мерой частоты вращения колес и, следовательно, скорости транспортного средства. Особую проблему в задаче наземной навигации составляет детектирование движения транспортного средства задним ходом. Удовлетворительно решить эту проблему инерциаль- ными и спутниковыми средствами в рамках существующих ограничений невозможно. Одна- ко навигационная система может быть укомплектована одометром усовершенствованной конструкции, позволяющим определить направление вращения колеса. Кодовый датчик та- кого одометра имеет в своем составе ротор с двумя наборами непрозрачных полос, смещен- ными по своему угловому положению на ¼ периода повторения рисунка на роторе и два фо- топриемника, приемные отверстия которых с высокой точностью выровнены относительно вертикальной оси (рис. 2). Данная схема позволяет определять направление вращения рото- ра. При вращении ротора последовательности импульсов напряжения U12 на выходах двух фотоприемников будут идентичными по форме, но смещенными во времени одна относи- тельно другой на величину  , знак которой несет информацию о направлении вращения (рис. 1). Как было упомянуто, в условиях движения транспорта по территории морского порта наиболее достоверным источником информации о скорости является одометр. Действительно, в показаниях инерциальной системы происходит непрерывное накоп- ление погрешностей, достигающих 10 м/с за 1 мин работы; измерения скорости при помощи приемника спутниковой навигационной системы осуществляются с запаздыванием в 2…3 с и не всегда доступны. В то же время одометрическая информация лишена этих недостатков. Более того, конструкция используемого одометра допускает не только определение величи- ны скорости, но и автономное детектирование движения задним ходом за счет наличия фо- тодатчиков и двух каналов обработки данных. U1 Фотоприемник t 0 τ1 U2 Δτ Ротор t 0 τ2=τ1 Маска Рис. 1. Сигналы фотоприемника Рис. 2. Схема кодового датчика Пусть фронты подряд идущих импульсов одного из каналов одометра отстоят по времени один от другого на 12 , а от фронтов соответствующих импульсов второго канала - на  . Тогда признаком движения задним ходом считается выполнение условия:    1,2 2 на протяжении 0,3 с или более. Абсолютное значение скорости, вычисленной по показаниям одометра, рассчитывается по формуле: K OD V OD  , 1,2 где масштабный коэффициент одометра K OD определяется на этапе калибровки одометра и заносится в энергозависимую память вычислителя навигационной системы. Калибровка осуществляется сравнением величин пройденного пути, вычисленного по значениям скорости данных приемника Глонасс и данных одометра при прямолинейном движении транспортного средства и качественном приеме сигналов навигационных спутни- ков. При скорости движения меньше 0,1 м/с частота следования импульсов одометра столь мала, что обновление значений 12 на каждом шаге навигационного алгоритма оказывается невозможным и в величине V OD появляется ошибка. Для ее компенсации предложен при- ~ ближенный способ, согласно которому при скорости, близкой к нулю, масштабный коэффи- циент одометра искусственно завышается: K OD  1,3K OD . Комплексирование одометра и навигационной системы приводит к необходимости синтезировать специализированный [2-5], алгоритм обработки навигационной информации, поступающей от разнородных источников. Данный алгоритм должен быть максимально адаптирован к имеющемуся аппаратному обеспечению и заданным условиям эксплуатации. Испытания интегрированной навигационной системы Испытания интегрированной навигационной системы проводились в реальных услови- ях эксплуатации на территории морского порта и его окрестностях. Целью испытаний была отладка алгоритмических и схемных решений, заложенных в основу построения системы, а также подтверждение соответствия достигнутых точностных характеристик системы требуемым. На первом этапе испытаний система устанавливалась на специально оборудованный автомобиль. При этом применялся стандартный одометр с одним цифровым выходным сиг- налом. Имитация второго (квадратурного) сигнала, необходимого для детектирования дви- жения задним ходом, осуществлялась программно-аппаратными средствами путем введения регулируемой задержки первого сигнала (рис. 3). U1 Одометр U 2 e pt  Рис. 3. Имитация квадратурного сигнала одометра 5.5 5 4.5 4 3.5 Скорость, м/с 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 Скорость по показаниям Глонасс Скорость по показаниям одометра Скорость по показаниям инерциальной системы 00:00:20 00:00:25 00:00:30 00:00:35 00:00:40 00:00:45 00:00:50 00:00:55 00:01:00 00:01:05 00:01:10 00:01:15 Время, ч: мин: сек Рис. 4. Скорость транспортно средства, рассчитанная по показаниям различных датчиков Автомобиль перемещался со скоростью не более 15 м/с, что типично для автопогрузчи- ков, на борту которых предполагается эксплуатация системы. При этом путь автомобиля проходил как по открытому пространству, так и по участкам, где данные приемника Глонасс существенно искажались или оказывались недоступными: переулкам, проездам под мостами и эстакадами, подземным парковкам, «каньонам», образованным грузовыми контейнерами. Выходные показания системы (рис. 4) сохранялись на жестком диске персонального компьютера и при постобработке использовались для отладки алгоритма. Точность получае- мого таким образом навигационного решения контролировалась путем сопоставления по- строенной траектории автомобиля со спутниковым снимком местности. Второй этап испытаний предполагает установку навигационной системы на автопо- грузчик и включение ее в единый информационный комплекс диспетчерской службы грузо- перевозок на территории порта. В этом случае к навигационной системе подключается спе- циализированный внешний двухканальный одометр, а антенна приемника Глонасс закрепля- ется на погрузчике на вершине мачты высотой около 2 м для улучшения качества приема сигналов навигационных спутников. Результаты испытаний По итогам первого этапа испытаний системы были выделены факторы, в наибольшей мере влияющие на точность навигационного решения. Во-первых, обнаружены погрешности приемников Глонасс, которые не могут быть выявлены в режиме реального времени на ос- новании формальных критериев. К таким погрешностям относится, в частности, многократ- ное отражение сигналов передатчиков навигационных спутников от предметов, окружающих приемник. Ошибка вычисления координат при этом достигает 20 м и более, и по этим невер- ным данным возможна ложная коррекция показаний интегрированной навигационной си- стемы. Во-вторых, при автономном определении местоположения транспортного средства точность измерения величины пройденного пути оказывается достаточной, однако нестабильность смещения нуля гироскопа оси ZB вносит погрешность, квадратично возрастающую со временем. Действительно, пусть автопогрузчик движется строго на север со скоро- стью V=10 м/с в течение времени t, а нестабильность смещения нуля датчика угловой скорости на этом интервале постоянна и равна  ZB  0, 02 ͦ /с. Тогда накопившаяся ошибка расчета местоположения в восточном направлении при курсовой ошибке H составит: t t V  t2 E  V Hdt  V ZB  tdt   ZB . 0 0 2 График зависимости δE(t) приведен на рис. 5. 0 -50 _ -100 М -150 -200 0 50 100 150 200 250 300 Время, сек Рис. 5. Ошибка координаты, обусловленная погрешностью гироскопа Таким образом, возможное время автономной работы ограничено 3…5 мин. В-третьих, ущерб точности наносит процесс перехода из корректируемого в автоном- ный режим счисления координат. Неточности, содержащиеся в показаниях приемника Гло- насс в момент потери сигналов спутников, играют роль ошибок начальных условий для по- следующего определения местоположения инерциальными и одометрическими средствами. Если этот процесс происходит чаще, чем удается устранять ошибки, то результирующая по- грешность может приобрести нарастающий характер. Тем не менее, при испытаниях навигационной системы были достигнуты точностные показатели, которые следует признать высокими для данного класса приборов. Результаты испытаний сведены в таблицу 1. Полученные результаты подтвердили правильность прин- ципов построения навигационного решения и эффективность включения одометра в качестве дополнительно источника информации. Точностные показатели интегрированной навигационной системы Таблица 1 Параметр Корректируемый режим Автономный режим (5 мин.) Погрешности координат (м, 1 σ) Широта, долгота 0,6 50 Высота 2,0 6,0 Погрешности скорости (м/с, 1 σ) Горизонтальная скорость 0,1 0,1 Вертикальная скорость 0,3 0,5 Погрешности углов ориентации (град., 1 σ) Крен, тангаж 0,5 1,5 Курс 2,0 6,0 Заключение Проведенный в работе анализ принципов комплексирования одометра с модулями инерциальной и спутниковой навигации позволят обеспечить устойчивый режим работы ин- тегрированной навигационной системы. Испытания интегрированной навигационной систе- мы в реальных условиях эксплуатации продемонстрировали ее высокие точностные характе- ристики, подтвердив тем самым справедливость заложенных в ее основу концепций. Дальнейшее совершенствование системы может вестись по следующим направлениям: переход к использованию более точных датчиков угловой скорости; разработка варианта системы усеченного состава (гироскоп вертикальной оси, приемник системы Глонасс, одометр, вычислитель); поиск более надежных алгоритмических критериев качества спутникового навигационно- го решения, на основе которых осуществляется коррекция показаний системы; освоение технологий крупносерийного и мелкосерийного производства. Решение этих задач позволит создать интегрированную наземную навигационную си- стему, отвечающую требованиям широкого круга потенциальных заказчиков и обладающую значительными конкурентными преимуществами в сегменте рынка навигационной техники для специальных транспортных средств.

About the authors

P. V. Novikov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: NovikoF_08@mail.ru

V. V. Novikov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: NovikoF_08@mail.ru
Ph.D.

A. A. Sheypak

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr.Eng.

References

Supplementary files