BlogDe ce este important sa folosim un INS pe un vehicul pentru scanare laser mobila?

iunie 18, 2020
https://www.dronezone.ro/wp-content/uploads/2020/06/100683542_613776232600723_6548654713452101632_o.jpg

In acest articol vom discuta despre INS (sistem de navigatie inertiala) si de ce este important sa il folosim pe un vehicul pentru scanare mobila.

 

Cine sunt OxTS?

OxTS sunt experti, cu peste 20 de ani de experienta.

Au valorificat experienta lor in domeniul auto si au aplicat-o la scenariile de cartare mobila.

Fabrica dispozitivele lor INS in casete distinctive de culoare rosie pentru a oferi date de navigatie pentru ridicari topografice. De asemenea, ofera OxTS Georeferencer, software pentru fuzionarea datelor LiDAR si INS pentru a genera un nor de puncte.

 

Ce este un INS sau sistem de navigatie inertiala?

INS (sistem de navigatie inertiala) = IMU (unitati de masurare inertiala) + GNSS (sistem satelitar de navigatie globala)

 

  • Un dispozitiv INS combina un sistem de pozitionare precum GNSS si o unitate de masurare dinamica precum un IMU folosind accelerometre si giroscoape
  • Sistemele GNSS si IMU se completeaza cand sunt folosite impreuna in functie de avantajele si dezavantajele acestora. GNSS  este o metoda de detectare externa, in timp ce IMU masoara doar miscarea intrinseca a acestora
  • Fluxurile de date GNSS si IMU sunt combinate in mod inteligent folosind un filtru Kalman pentru a obtine cele mai bune predictii cu privire la pozitie, in timp ce-si corecteaza datele in functie de zgomot si perturbatii. Cand sunt combinate intr-un motor de navigatie strans cuplat, rezultatele sunt mai bune decat suma partilor lor.
  • Datele generate includ timpul in nanosecunde, pozitia globala 3D, unghiuri de orientare pe 3 axe si rezultate diagnostice de precizie cu informatii detaliate.

 

De ce nu as folosi doar un receptor GNSS ?

Receptoarele GNSS  autonome sunt deseori mai ieftine decat un INS (sistem de navigatie inertiala), dar nu pot concura in mai multe aspecte:

 

  1. Un INS ofera un rezultat complet pe 6 axe cu privire la pozitia si orientarea, care este necesar pentru georeferintele precise ale punctelor de date ale senzorilor externi. De exemplu, un receptor GNSS nu poate acoperi schimbarile unghiului de aplecare longitudinala, unghiului de aplecare latitudinala si directie decat daca foloseste o antena dubla sau tripla, dar si acest sistem are dezavantaje.
  2. Un INS va oferi rezultate continue in conditii dificile in care GNSS va avea actualizari de date cu interferente sau inexistente. Aceasta situatie se intalneste destul de frecvent. De asemenea, datele sunt generate la o frecventa mult mai mare (100/200/250 Hz in loc de valoarea uzuala maxima de 20 Hz de la GNSS ).
  3. Un INS care foloseste un filtru Kalman este mai precis decat un sistem GNSS autonom si este mai precis si fiabil decat un sistem cuplat lejer GNSS + INS sau alte sisteme de navigatie. Rezultatele absolute repetabile sunt posibile datorita GNSS  si fortelor constante precum gravitatea.

 

Specificatii: ridicare topografica + v3

OxTS sunt mandri ca sunt oameni de stiinta, orientati pe date in tot ceea ce fac. Valorile pe care se bazeaza sunt conservative si deseori pot obtine rezultate mai bune cu o pregatire buna.

 

  • Precizia pozitiei RTK: 1 cm

  • Acuratetea directiei: 0,05°
  • Acuratetea unghiului de aplecare longitudinala / unghiului de aplecare latitudinala: 0,03°

Poate fi folosit cu un odometru pentru a reduce si mai mult deriva. Datele pot fi vizualizate in realitate si folosite in post-procesare, iar toate datele sunt stocate pe dispozitiv in mod automat.

 

  • Interfete: Ethernet, serial RS232, WiFi

 

De ce nu as folosi doar un receptor GNSS ?

Aplicatii

  • Topografie
  • Ridicare topografica forestiera
  • Explorarea conductelor
  • Examinarea soselelor
  • Observarea progresului in minerit
  • Monitorizarea coastelor
  • Agricultura de precizie
  • Gestionarea infrastructurii
  • Monitorizarea santierelor
  • Intretinerea cladirilor
  • Cartare geografica
  • Modelare 3D
  • Urbanism

… si multe altele!

Scanarea Laser Mobila

Dificultatile

Vom demonstra cum pot fi rezolvate mai multe probleme principale cu un INS

  • Medii GNSS deficitare (canioane urbane, etc.)
  • Perioade de lipsa completa a datelor GNSS (tuneluri si poduri)
  • Precizia orientarii (limitarea razei de actiune si repetabilitatea operarii)

Solutiile

Vom parcurge impreuna mai multe caracteristici principale care diferentiaza OxTS de un producator de INS pentru MLS. Apoi vom oferi exemple despre modalitatea prin care aceste caracteristici afecteaza datele din lumea reala.

  • Motorul OxTS de navigatie patentat, gx/ix™
  • Procesare combinata si liniarizare avansata
  • Alunecare avansata laterala si verticala
  • Calibrare cu borne

Cuplare stransa

„Cuplarea lejera” este atunci cand datele din GNSS si INS sunt combinate in maniera cea mai simpla. Aici IMU transmite dispozitivului date de orientare si se foloseste acest sistem doar cand GNSS este indisponibil. Datele de pozitionare ale sistemului sunt generate doar de GNSS.

Dispozitivele INS cupleaza strans datele dintr-un IMU si un receptor GNSS . Aceasta inseamna ca datele lor sunt combinate in mod inteligent inainte ca o traiectorie completa sa fie generata pentru a produce cele mai bune date de navigare pe baza pozitiei si orientarii.

Cuplarea stransa face ca INS sa fie mai mult decat doar suma IMU si GNSS , permitand celor doua surse de date sa-si verifice reciproc datele generate.

 

Motor de navigare gx/ix

Motorul de navigare patentat OxTS, gx/ix™, obtine cele mai bune rezultate cand combina datele brute, in special cand conditiile GNSS nu sunt perfecte, cu doua componente majore:

gx – navigare cu cuplare stransa in timp real si post-proces, inclusiv tehnologia „Recaptare Inertiala”, care reduce mult timpul de recaptare dupa o perioada de inactivitate a satelitului datorita datelor IMU

ix – utilizarea procesarii datelor de la un singur satelit pentru a permite navigarea persistenta in medii dificile

Beneficii

  • Comutare inteligenta intre modurile de cuplare stransa in functie de mediul GNSS
  • Reduce mult erorile cailor multiple
  • Mentine captarea pozitiei cu mai putin de 4 sateliti

Recaptare inertiala: In mod traditional cand GNSS scade sub 4 sateliti, receptorul nu poate sti pozitia sa in spatiul 3D; aceasta se intampla in mod intermitent din cauza mediului sau miscarii constelatiei satelitare. Poate dura mai multe minute ca GNSS sa se recapteze cand sunt gasiti 4 sateliti. Acest timp este redus in mod drastic pentru un INS si OxTS l-a redus si mai mult.

 

Performanta generala imbunatatita: Procesarea gx/ix creste timpul in care dispozitivul este in moduri de acuratete superioare. Aceasta sporeste precizia medie in timpul ridicarii topografice si scade timpul cu precizie slaba din cauza datelor GNSS deficitare.

 

Exemple de date

 

Standard gx/ix
Fara solutie 1,7% 0,5%
DGPS 13,8% 4,9%
RTK 84,5% 94,6%
RMS cu eroare orizontala 0,12 m 0,03 m
RMS cu eroare verticala 0,10 m 0,05 m

Post-procesare

La fel ca in cazul generarii solutiei de navigare in timp real, produsele INS de la OxtS isi inregistreaza toate datele fara post-procesare in mod automat in unitatile de stocare incorporate pentru post-procesare ulterioara

 

Caracteristicile post-procesarii OxTS

  • Optimizarea configurarii pentru vehiculul dvs.
  • Procesarea cu pana la 255 de fisiere ale statiei de baza RINEX asigura ca lucrati intotdeauna cu cea mai apropiata statie de baza la seturi de date de referinta lungi
  • Procesarea combinata proceseaza datele de la inceput la sfarsit si de la sfarsit la inceput si apoi alege cea mai buna solutie dintre cele doua pentru cea mai buna generare
  • Liniarizarea avansata liniarizeaza datele fwd/bwd pentru a nu exista salturi. Salturile au loc cand conditiile sunt slabe si solutiile fwd/bwd incep sa nu mai corespunda si dispozitivul decide sa foloseasca datele unuia in detrimentul celuilalt

 

Post-procesare – liniarizare avansata

 

 

Alunecare avansata

Doua exemple de constrangeri pe care le avem sunt Alunecarea Avansata Laterala si Verticala care utilizeaza axele fixe ale vehiculului pentru a limita devierea in mediile dificile.

 

Alunecare avansata in practica

Am evaluat functia noastra de Alunecare Avansata folosind-o pe sosea. Am descoperit imbunatatiri semnificative in conditii GNSS deficitare si o imbunatatire buna in conditii bune.

 

Mod % din timp in modul cu alunecarea DEZACTIVATA % din timp in modul cu alunecarea ACTIVATA Intervalul preciziei
Niciunul 18% 17% Inaplicabil
Diferential 26% 10% 20-100 cm
Flotant 6% 8% 5-20 cm
Integral 50% 65% <5 cm

 

Functia de Alunecare Avansata a sporit procentajul timpului in care INS a obtinut precizia cea mai ridicata cu 15% pe parcursul setului se date; aceasta a sporit precizia in acele momente de la 20-100 cm la mai putin de 5 cm.

Precizie medie Cu alunecare avansata Fara alunecare avansata Imbunatatire
Precizia pozitiei

Nord (m)

0,031035 0,041615 135%
Precizia pozitiei

Est (m)

0,0275 0,035639 130%
Precizia pozitiei

Jos (m)

0,038721 0,041541 105%
Precizia directiei

(grade)

0,096533 0,096254 100%
Precizia unghiului de aplecare longitudinala (grade) 0,026813 0,027043 100%
Precizia unghiului de aplecare latitudinala (grade) 0,026548 0,027068 100%

Preciziile pozitiilor in conditii GNSS bune au fost imbunatatite cu aproximativ 30% per total

 

Precizie medie Cu alunecare avansata Fara alunecare avansata Imbunatatire
Precizia pozitiei

Nord (m)

1,42651 2,570276 180%
Precizia pozitiei

Est (m)

0,881789 1,643632 175%
Precizia pozitiei

Jos (m)

0,146422 0,562085 385%
Precizia directiei

(grade)

0,219505 0,225074 100%
Precizia unghiului de aplecare longitudinala (grade) 0,044208 0,053914 120%
Precizia unghiului de aplecare latitudinala (grade) 0,030711 0,036627 120%

Preciziile pozitiilor in conditii GNSS deficitare au fost imbunatatite cu aproximativ 80% per total.

 

Calibrarea cu borne

Nealinierea bornelor are loc cand exista o imprecizie in unghiurile masurate intre dispozitivul dvs. de urmarire (INS – sistem de navigatie inertiala) si dispozitivul de detectare extern (LiDAR/camera)

 

  • O mica diferenta de aliniere poate cauza o distorsionare semnificativa in generarea unui nor de puncte si poate face ca aceasta sa nu poata fi utilizata din cauza cerintelor privind precizia
  • Masurarea acestor unghiuri suficient de precis este extrem de dificila si deseori necesita o tehnica de calibrare pe baza de date
  • Calcul pe scurt: Daca aveti o eroare de 0,2° pe o axa, atunci eroarea pozitiei unui punct aflat la doar 10 m departare va fi de aproximativ (0,2×2) / 360 x 2p x 10 @ 7 cm (doar pe o axa) care se va acumula pe toate 3 axele

 

Date necalibrate cu borne

  • O nealiniere a bornelor face ce aceleasi obiecte sa fie vazute in locuri diferite cand sunt vazute din pozitii si unghiuri diferite
  • Acest exemplu arata o sectiune transversala a soselei unde o cladire a fost detectata de pe sosea
  • In locul unui contur curat cu margini clare, cladirea apare de doua ori, efectul fiind mai pronuntat pe distante mai mari

 

 

Rezumat

  • Un INS este net superior comparativ cu un GNSS , GNSS + IMU sau alt sistem de navigatie si este esential pentru obtinerea celor mai bune date de navigatie absolute si a celor mai repetabile date de navigatie pentru aplicatia dvs. MLS si prin urmare a celei mai bune harti cu nor de puncte / 3D
  • Datele pot fi cuplate in mod strans si inteligent pentru a obtine cele mai bune rezultate absolute din masuratorile fara post-procesare si toate aceste rezultate sunt obtinute in cadrul INS . Datele pot fi imbunatatite si mai mult folosind post-procesarea
  • OxTS a dezvoltat caracteristici pentru combinarea datelor IMU si GNSS timp de 20 de ani, oferind multe modalitati de a obtine cele mai bune date de navigatie posibile, iar acest lucru este subliniat de caracteristicile avansate precum alunecarea avansata si tehnologia gx/ix™
  • Calibrarea cu borne OxTS va permite sa va optimizati si mai mult configurarea cu increderea folosirii unei optimizari pe baza de date si fara modelare CAD costisitoare