Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10400.22/2417
Título: Sistema de localização de um veículo autónomo terrestre
Autor: Coelho, Sérgio Mário Mota
Orientador: Almeida, José
Palavras-chave: ATV
GPS
INS
EKF
Tightly Coupled
Orbitas precisas
Data de Defesa: 2009
Editora: Instituto Politécnico do Porto. Instituto Superior de Engenharia do Porto
Resumo: Este projecto surge na necessidade de desenvolver um sistema de localização robusto, para um ATV (Autonomous Terrestrial Vehicle) que está a ser desenvolvido no LSA (Laboratório de Sistemas Autónomos) do ISEP (Instituto Superior de Engenharia do Porto), o projecto TIGRE (Terrestrial Intelligent General Purpose Robotic Explorer). O desenvolvimento deste sistema, permite dotar este veículo da capacidade de obter resultados de alta precisão de posicionamento, e melhores resultados na cidade e na floresta, onde o sinal de GPS (Global Positioning System) se torna mais fraco e por vezes inexistente. Com conclusão do sistema tornar-se possível a sua utilização nos diversos veículos do LSA. O trabalho efectuado abordou o desenvolvimento de um sistema de navegação para um ATV que integre informação de GPS e INS (Inertial Navigation System) e que apresente bons níveis de exactidão em termos de posicionamento global quer em situações de oclusões de satélites quer de falhas de comunicação com possíveis estações de controlo. Para este fim foi efectuado um levantamento do tipo de sensores utilizados e da forma como estes sensores são combinados para obtenção de soluções de posição e atitude bem como de estratégias de integração existentes de GPS e INS. Os requisitos impostos de exactidão bem como os de não disponibilidade permanente de comunicações motivaram a exploração da utilização de ´orbitas precisas por forma a aumentar a exactidão em funcionamento stand-alone (sem comunicações com a estação de controlo). Por outro lado os requisitos de operação em cenários com ma visibilidade de satélites, onde os receptores GPS podem não ter informação de um número de satélites mínimos para determinar uma posição, motivam uma estratégia de integração GPS/INS onde sejam utilizadas as medidas de pseudorange e Doppler a cada satélite directamente na estimação do estado do veículo (em alternativa `a posição e velocidade calculadas pelo GPS). Estas duas motivações levaram ao desenvolvimento de uma arquitectura de integração GPS/INS do tipo Tightly Coupled, com utilização de ´orbitas precisas (do nosso conhecimento do estado da arte esta foi a primeira vez que foram utilizadas órbitas precisas na integração Tightly Coupled em tempo real). O sistema implementado foi decomposto em três subsistemas: bloco processamento GPS, do bloco de mecanização do IMU, e do filtro EKF (Extended Kalman Filter). O bloco GPS implementado vai disponibilizar os dados de pseudorange, Doppler e posições dos satélites necess´arias ao modelo de observação do filtro EKF. Neste bloco utilizam-se as bibliotecas do projecto GPSTk para efectuar diversas correcções `as medidas fornecidas pelo receptor GPS de forma a melhorar a qualidade das informações obtidas. O filtro EKF foi implementado sobre os erros do sistema, com nove erros de navegação (posição, velocidade e atitude), seis erros dos sensores do INS (erros no bias dos giroscópios e dos acelerómetros) e dois do clock do GPS. Foram efectuados testes para comprovar para validar o funcionamento do sistema. Para a obtenção de resultados de GPS em tempo real foram utilizadas as ´orbitas ultra-rápidas, onde foi conseguido um erro inferior a 20cm em posição.
This project arise by the requirement of obtaining a robust localization system for the ATV (Autonomous Terrestrial Vehicle) under development in LSA (Autonomous Systems Laboratory) of ISEP (Instituto Superior de Engenharia do Porto), the TIGER (Terrestrial Intelligent General Purpose Robotic Explorer) project. The localization system presented allow the vehicle high position accuracy with improved quality in city and forest environments where GPS signals are weaker or unavailable. This project will also be of value in the improvement of the localization systems of other LSA robotics vehicles (marine or aerial). The present work address the development of an navigation system for an ATV integrating GPS and INS information of high level of accuracy in global positioning, both in satellite occlusion scenarios and/or in the presence of communication failures with possible control stations. An analysis was performed on the type of sensors to be used along with the possible GPS/INS integration strategies in order to archive position and attitude solutions. Accuracy requirement along with unavailability of permanent communications motivated the use of precise orbits in order to increase stand alone accuracy. In operations scenarios with bad satellite visibility inducing the possibility of GPS receivers not having the requiring minimum number satellite information to produce a position solution, motivated a GPS/INS integration strategy where psedorange and Doppler data from each satellite can be used directly in vehicle state estimation. This two motivation led to the development of a GPS/INS Tightly Coupled integration architecture with the use of precise orbits (to our knowledge this is the first time such solution incorporating precise orbits with Tightly Coupled integration is used in real time). The implemented system was decomposed in three subsystems: a GPS processing model, IMU mechanization model and EKF filter. The GPS implementation provides pseudorange, Doppler and satellite positions required by the EKF filter observation model. In this implementation project GPSTk software libraries are used to perform various corrections on the GPS receiver data in order to improve there global quality. The EKF filter was implemented on the system errors with nine navigation errors (position, velocity and attitude), six INS sensor errors (gyroscope and accelerometer bias) and to GPS clock errors. Tests where performed in order to validate the system. For real time GPS results ultra-rapid orbits were used and position errors less than 20 cm were archived.
Descrição: Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores.
URI: http://hdl.handle.net/10400.22/2417
Aparece nas colecções:ISEP - DM – Engenharia Electrotécnica e de Computadores

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