2013/MAT827
ISSN 1797-3457 (verkkojulkaisu)
ISBN (PDF) 978-951-25-2421-1
TIIVISTELMÄRAPORTTI (SUMMARY REPORT)
MIEHITTÄMÄTTÖMÄN VEDENALAISEN LAITTEEN NAVIGOINTI
Jarmo Takala, Jussi Collin, Jarkko Tuomi ja Timo Pihlström
Tampereen teknillinen yliopisto, Tietokonetekniikan laitos
Tiivistelmä
Tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella miehittämättömän vedenalaisen laitteen navigoinnin kannalta merkittäviä tekijöitä. Tarkoituksena oli selvittää pystytäänkö nykyiseen maan
magneettikenttää hyödyntävän navigointiratkaisun yhteyteen liittämään inertiamittauksia
hyödyntävä ratkaisu ja arvioida integroinnista saatavaa hyötyä. Tutkimuksessa käytettiin
uusia lämpötilakompensoituja mikromekaanisia inertiayksikköjä (IMU) jotka kokonsa puolesta sopivat käytettäväksi miehittämättömissä vedenalaisissa laitteissa. Tutkimuksissa
havaittiin, että inertia-antureilla on mahdollista suojautua magneettikentän paikallisia häiriöitä ja häirintää vastaan, mutta pitkän ajan kuluessa inertia-antureille tyypilliset virheet
kertaantuvat ja tarvitsevat tukea muilta menetelmiltä. Tutkimuksessa tutkittiin myös inertia-antureiden kelpoisuutta etenemistiedon lyhythetkisten katkojen korvaajaksi, mutta
kattavampien tulosten aikaansaamiseksi mittaukset todellisessa ympäristössä ovat välttämättömiä.
1. Johdanto
Veden signaalia vaimentavan luonteen ja satelliittien pienen lähetystehon takia satelliittipaikannus ei ole vedenalaisissa laitteissa varteen otettava vaihtoehto. Tästä huolimatta
navigointi on mahdollista muiden menetelmien kuten ”dead reckoning” (DR) -menetelmän
avulla. Tässä menetelmässä paikka lasketaan kulkusuunnan ja vauhdin avulla. Kulkusuunnan mittaamiseen voidaan käyttää esimerkiksi magnetometria (kompassia) mittaamaan
maan magneettikenttää. Ennen mittauksia magnetometri pitää kuitenkin kalibroida poistamaan magneettikenttää vaikuttavien aineiden, kuten ympäröivän raudan ja teräksen,
vaikutus. Kalibroinnin lisäksi magnetometrimittauksissa pitää huomioida paikasta riippuva
magneettikentän inklinaatio ja deklinaatio sekä mahdollinen tahallinen taikka tahaton häirintä. Valitettavasti magneettisia anomalioita omaavilla alueilla kalibrointi vaatisi tietoa
aluksen tarkasta paikasta anomalian kompensoimiseksi. Vaihtoehtoinen menetelmä kulkusuunnan mittaamiseen perustuu kulmanopeuden integrointiin. Kulmanopeutta pystytään
mittaamaan gyroskoopilla. Nykyaikaiset MEMS-gyroskoopit lähestyvät 1 deg/h tarkkuutta.
Kyseiseen tarkkuuteen päästää kuitenkin vain vakiolämpötilassa. Lämpötilaherkkyyden lisäksi gyroskoopit pyrkivät pitkän ajan kuluessa luontaisesti liukumaan ilman ulkopuolisia
korjauksia. Korjaus onnistuu esimerkiksi magnetometrin avulla. Arvioidun paikan menetelmään vaadittavan vauhdin mittaaminen onnistuu esimerkiksi veden pohjaa doppler tutkaamalla. Menetettäessä pohjakosketus esimerkiksi rotkon tai syvänteen seurauksena,
vauhdin mittaamista ei voida suorittaa ja aluksen on noustava pintaan paikan määrittämiseksi satelliittipaikannuksen avulla. Lyhytaikaisten pohjakosketusten taukojen aikana voitaisiin vauhti laskea inertiaan perustuvista kiihtyvyysantureista.
Postiosoite
MATINE Puolustusministeriö PL 31 00131 HELSINKI
Sähköposti
[email protected]
Käyntiosoite
Puhelinvaihde
Eteläinen Makasiinikatu 8 00130 HELSINKI
(09) 16001
WWW-sivut
www.defmin.fi/matine
Y-tunnus
FI01460105
Pääsihteeri
(09) 160 88310
OVT-tunnus/verkkolaskuosoite
Itellan operaattorivälittäjätunnus
003701460105
Suunnittelusihteeri
Toimistosihteeri
(09) 160 88314
Verkkolaskuoperaattori
Itella Information Oy
050 5555 837
Yhteyshenkilö/Itella
[email protected]
Faksi kirjaamo
(09) 160 88244
003710948874
2. Tutkimuksen tavoite ja suunnitelma
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella miehittämättömän vedenalaisen laitteen navigoinnin kannalta merkittäviä tekijöitä. Tarkoituksena oli löytää häiriöitä sietävä menetelmä asentotiedon ylläpitoon veden alla. Samalla tavoitteena oli arvioida lämpötilakompensoitujen inertiayksiköiden (IMU) soveltuvuutta pieniin laitteisiin.
Tutkimus aloitettiin kehittämällä menetelmiä gyroskooppien kohinanmallinnukseen ja biasvirheen ennustamiseen. Tällä pyrittiin saamaan mittausdatasta häiriöttömämpää mahdollisimman tarkan suuntatiedon ylläpitämiseksi. Lämpötilamuutoksista johtuvat häiriöt pyrittiin pitämään mahdollisimman pieninä käyttäen uunilla varustettuja antureita.
Tutkimuksen mittausosio toteutettiin sijoittamalla lämpökompensoitu inertiayksikkö ja
magneettiantureihin perustuva DR-paikannusjärjestelmä mittauskärryyn, jossa tarkka
paikkareferenssi saatiin differentiaalista GPS (DGPS)-paikannusvastaanotinta käyttäen.
Laitteella suoritettiin mittauksia simuloiden vedenalaisia liikkeitä. Mittausten avulla pystyttiin arvioimaan kulmanopeusmittauksien tuomaa hyötyä.
3. Aineisto ja menetelmät
3.1. Gyroskoopin bias-virheen ennustus
Mikromekaanisissa gyroskoopeissa esiintyvistä virheistä tyypillisesti merkittävin on niin
sanottu bias, sisäänmenosta riippumaton vakiokomponentti. Tätä voi estimoida, jos todellinen sisäänmeno on tunnettu, esimerkiksi laitteen ollessa paikallaan. Bias-virhe ei kuitenkaan ole täysin vakio, vaan vaihtelee ajan kuluessa. Vaihtuvaa gyroskoopin bias-virhettä
voidaan ennustaa kalibroinnin jälkeen joko optimaalisella 1/f -ennusteella tai yksinkertaisemmilla keskiarvoon perustuvilla menetelmillä.
Kuva 1: Gyron bias-virheen ennustus optimaalisella 1/f –ennusteella sekä yksinkertaisemmalla kumulatiivisella keskiarvolla [1].
MAT827_raportti (palautettu).docx
3.2. Kalman suodin
Tutkimuksen tavoitteeksi on edellisissä kappaleissa esitelty magneettikentän ja inertian
mittausten yhdistäminen. Tämä niin sanottu anturifuusio voidaan suorittaa Kalman suotimella. Kalman-suodin on rekursiivisesti toimiva signaalinkäsittelyalgoritmi, jolla pystytään estimoimaan järjestelmän tilaa
tilastollisesti optimaalisella tavalla. Kalmansuodin operoi järjestelmän tilamallia, joiden yleinen lineaarinen muoto on:
missä
on järjestelmän tilamuuttujavektori ajanhetkellä k ja
ajanhetkellä k-1;
on
matriisi, joka edistää tilaa aikaisemman tilan suhteen;
on matriisi, joka edistää tilaa järjestelmän sisäänmenojen suhteen;
on järjestelmän sisäänmenovektori ajanhetkellä k-1;
on mittausvektori, joka sisältää mitatut kohinaiset arvot todellisesta tilasta;
on matriisi, joka muuttaa tilan
mitatuiksi arvoiksi;
ja
ovat järjestelmän ja mittauksen kohinavektoreita, jotka ovat normaalijakautuneita parametreilla
~(0, ) ja ~(0, ).
Kalman-suodin estimoi tilaa
ja siihen liittyvän virheen kovarianssimatriisia , joka kuvaa estimaatin tarkkuutta ajanhetkellä k. Tämä tehdään siten, että
pyritään minimoimaan, jolloin ennustettu tila on tilastollisesti optimaalinen.
Suodin koostuu kahdesta askeleesta, joista ensimmäistä kutsutaan ennustusaskeleeksi.
Tämä askel ennustaa tilaa
tilamatriisin, edellisen tilan ja järjestelmän sisäänmenojen
avulla. Tämän lisäksi lasketaan ennustusaskeleen tilalle kovarianssimatriisi
:
Toinen askel on päivitysaskel, joka kasvattaa tietoa tilasta järjestelmästä mitattujen arvojen avulla. Tässä vaiheessa esitellään Kalman-kerroin , joka painottaa laskettua ja mitattua tilaa minimoiden tilaestimaatin virheen. Tämän askeleen jälkeen on ajanhetken k tilaestimaatti
ja kovarianssimatriisi
tiedossa, ja voidaan siirtyä laskemaan ajanhetken
k+1 estimaattia.
Navigointisovelluksissa järjestelmät eivät yleensä ole lineaarisia, jolloin edellä esitettyjä
yhtälöitä ei voida käyttää ilman tilayhtälöiden lineaarisointia. Tämä käytännössä tarkoittaa
MAT827_raportti (palautettu).docx
Jacobin matriisien laskemista tilaa kuvaavista matriiseista ,
ja
, joiden avulla järjestelmästä voidaan muodostaa lineaarinen approksimaatio. Tämän lisäyksen kanssa suodinta
kutsutaan laajennetuksi Kalman-suotimeksi.
3.3 Mittauskärry
Miehittämättömän vedenalaisen laitteen kenttämittaukset suoritettiin mittauskärryn avulla,
joka sisälsi seuraavat laitteet:
kuluttajaelektroniikan inertiayksikkö (3D-gyroskoppi ja 3D-kiihtyvyysanturit) magnetometrilla
pyöräenkooderit (2500 pulssia/kierros) simuloimaan Doppler-tutkaa
lämpötilakompensoitu inertiayksikkö (3D-gyroskooppi ja 3D-kiihtyvyysanturit)
DGPS-vastaantotin paikkareferenssiksi (20 Hz)
Lisäksi mukana oli sulautettu prosessorijärjestelmä, jonka avulla eri mittausjärjestelmistä
kerättiin data reaaliaikaisesti ja se yhdistettiin GPS-aikaan.Mittauskärryllä suoritettiin mittauksia sekä ulko- että sisätiloissa. Ulkotilamittaukset suoritettiin asfaltoiduilla parkkipaikoilla ja kävelyteillä. Ulkomittauksissa pyrittiin jäljittelemään miehittämättömän vedenalaisen laitteen ohjausliikkeitä. Kulkualustana toiminut asfaltti aiheutti kuitenkin tärinällään
vähäisiä ongelmia. Ulkomittaukset olivat kuitenkin DGPS:n ja tarvittavan tilan vuoksi välttämättömiä. Ulkomittauksilla haettiin vastauksia gyroskoopin tuomista eduista magnetometriin nähden. Sisämittauksilla taas haettiin tärinätöntä ympäristöä kiihtyvyysanturilla
mitattavaan matkan arviointiin.
[1] Kirkko-Jaakkola, M., J. Collin, and J. Takala (2012) "Bias Prediction for MEMS Gyroscopes", IEEE Sensors Journal, vol.12, no. 6, pp. 2157-2163.
4. Tulokset ja pohdinta
Ulkomittauksissa mittauskärryä työnnettiin miehittämättömän vedenalaisen laitteen ohjausliikkeitä mukaillen. Kärryn kulkemaa matkaa mitattiin mittauspyöriin kiinnitetyillä enkoodereilla ja kärryn suuntaa sekä magnetometrein että gyroskoopein. Lisäksi kärryyn oli
kiinnitettynä DGPS-laite referenssiksi. Ulkomittauksissa havaittiin, että magneettikentän
mahdolliset häiriöt aiheuttavat huomattavia DR-paikkaratkaisuvirheitä. Kuvassa 2 on esitettynä mittauksissa kuljettu matka ja siitä eri anturidatoista tuotetut navigointiratkaisut.
MAT827_raportti (palautettu).docx
Kuva 2: Magnetometri- ja gyroskooppidatasta tuotetut navigointiratkaisut sekä DGPSreferenssipisteet.
Kuvan 2 magnetometrin avulla lasketun reitin poikkeama selittyy, kun magnetometrin data yhdistetään gyroskoopilla tuotettuun ratkaisuun. Kuvassa 3 magnetometrimittaukset on
kerrottu kääntömatriisilla siten, että gyroskoopin ja magnetometrin mittausten käydessä
yksiin, magneettikentän vektorin kuuluisi näyttää ylöspäin.
MAT827_raportti (palautettu).docx
Kuva 3: Magneettikentän vektorit gyroskooppiratkaisuun nähden. Keltainen tarkoittaa yli
10 asteen poikkeamaa ja punainen vastaavasti yli 20 asteen. (Google Imagery © 2012 Digital Globe GeoEye).
Kuvassa 3 näkyy selkeästi kohdat, joissa magnetometrimittauksiin on sisältynyt häiriöitä.
Häiriöt johtuvat simulaatioympäristöstä, kuten autoista ja rakennuksista, mutta havainnollistavat magnetometrin alttiutta häiriöille. Todellisen ympäristön mahdolliset magneettikentän anomaliat ja häirintä veden alla ovat täten tutkimisen arvoisia.
Magneettikentän odotettua suuremmat häiriöt aiheuttivat haasteita integrointialgoritmin
mallin rakentamiseen. Tutkimuksissa onnistuttiin kuitenkin pienentämään magneettikentän
häiriöiden vaikutusta ja tuloksena saatiin kuvassa 4 näkyvä navigointiratkaisu. Ratkaisu
poikkeaa kuitenkin huomattavasti referenssistä ja vaatinee täten jatkotutkimusta.
MAT827_raportti (palautettu).docx
Kuva 4: Magnetometri- ja anturifuusioratkaisut sekä DGPS-referenssipisteet.
Sisämittauksissa mittauskärryä työnnettiin suoraa viivaa pitkin sekä tasaisella että vaihtelevalla nopeudella. Kärryn kulkemaa matkaa mitattiin enkoodereilla ja kiihtyvyysanturilla.
Mittausten tarkoituksena oli selvittää, että pystyykö inertia-antureilla mittaamaan vauhtia
silloin kun Doppler-tutka ei anna luotettavia tuloksia esimerkiksi syvänteiden kohdalla. Mittaukset suoritettiin siten, että enkoodereilta saadulla datalla kalibroitiin kiihtyvyysanturia.
Jossain vaiheessa mittausta kalibrointi lopetettiin ja pyrittiin arviomaan kuljettua matkaa
pelkkää kiihtyvyysdataa integroimalla. Integrointi aiheuttaa ajan suhteen kasaantuvaa virhettä, joka on havaittavissa mittaustuloksista kuvassa 5. Tuloksista tulee huomioida, että
kyseessä oli simulointi ja mittaukset todellisessa ympäristössä saattavat poiketa huomattavasti.
MAT827_raportti (palautettu).docx
Kuva 5: Mittauskärryn enkoodereista ja kiihtyvyysdatasta tuotetun matkan ero ajan funktiona
5. Loppupäätelmät
Tutkimuksen tulosten mukaan magneettiantureihin perustuvat DR-järjestelmät ovat hyvin
herkkiä magneettikentän häiriöille. Tämä on erittäin tärkeää ottaa huomioon erityisesti autonomisten laitteiden käytössä, sillä tahallinen tai tahaton häirintä voi aiheuttaa vakavia
seurauksia. Häiriösietoisuutta voidaan lisätä vertaamalla magneettianturin tuottamaa ratkaisua kulmanopeusanturin tuottamaan ratkaisuun. Tällöin on kuitenkin huolehdittava siitä
että kulmanopeusanturin virheet pystytään mallintamaan riittävän hyvin. Käytännössä on
siis pidettävä anturiyksikön lämpötila vakiona tai käytettävä tarkkaa mallia joka kuvaa
lämpötilan muutoksen vaikutusta anturin tuottamiin mittauksiin. Mittaukset suoritettiin
kaupunkiympäristössä, jossa magneettikentän häiriöt lienevät vakavampia kuin todellisessa
vedenalaisessa ympäristössä. Tahallisen ja tahattoman häirinnän vaikutuksia tulisikin siksi
tutkia myös kontrolloiduilla vedenalaisilla mittauskampanjoilla.
6. Tutkimuksen tuottamat tieteelliset julkaisut ja muut mahdolliset raportit
Tutkimuksen tuloksia raportoidaan laajemmin tekeillä olevassa diplomityössä.
MAT827_raportti (palautettu).docx