Precisionsutvärdering av mobila plattformar Milan Horemuz Avdelning för Geodesi och geoinformatik, KTH

Bakgrund Trafikverkets projekt ”Utveckling mobil datafångst”, rapport ”Methods for Accuracy Verification of Positioning Module” (2013) Vilka faktorer påverkar osäkerheten av data samlade med mobila plattformar? Hur kan man testa osäkerheten och noggrannheten?

Mobila plattformar Positioneringsmodul GNSS, IMU, odometer Kartläggningsmodul Laserskanner, kamera

Positioneringsmodul Bestämmer position och orientering av kartläggningssensorer och därmed noggrannhet av inmätta punkter Huvudkomponenter: GNSS mottagare ger position Tröghetsnavigeringsenhet (IMU) ger orientering och den ”interpolerar” position mellan GNSS uppdateringar Positioneringsnoggrannhet beror på GNSS Orienteringsnoggrannhet beror på både GNSS och IMU

Tröghetsnavigering Vanligtvis 3 gyroskoper och 3 accelerometrar (IMU) + bearbetningsmodul (INS) Accelerometrar känner av kombinerad effekt av acceleration och gravitation Gyroskoper känner av rotation relativ till ”tröghetsrymd” (avlägsna stjärnor) Initial orientation

Tröghetsplattformar Sensorer kan monteras i en ”låda” som fästas till bilen (eller flygplan) -> strapdown plattform På en upphängd plattform som separeras från fordonets rotationsrörelser -> gimballed eller stable plattform De flesta mobila plattformar använder strapdown tröghetsplattform

Sensorsfelen Position och orientering beräknas genom integrering (=summering) av sensordata Även ett litet fel i data kan resultera i stort fel i position och orientering, om man integrerar många mätepoker (=lång observationstid) Systematiska fel storleken är konstant eller förändras långsamt: bias, skalfel och deras förändring (drift), kan beräknas om externa observationer är tillgängliga Slumpmässiga fel storleken förändras snabbt, medelvärdet = 0 anges i form av ”random walk” parameter enhet:

Klassning av tröghetssystem Grade Performance Strategic Navigation Tactical Automotive Consumer Standalone position errors 2 km/24hr 2 km/hr >20 km/hr N/A Gyroscopes Bias [°/hr] 0.0001 0.005 – 0.010 0.1 - 10 > 100 360 Scale factor [ppm] - 5 -50 200 - 500 Noise (ARW) [°/√hr] 0.002 – 0.005 0.2 – 0.5 Accelerometers Bias [g] 1 50 – 500 500 - 1000 >1200 2400 10 - 20 400 - 1000 Noise [g/hr/√Hz] 5 - 10 200 - 400

Fel vid tröghetspositionering Alla klasser ger för stora positionsfel (meter-nivå) efter bara några sekunder, felet ökar exponentiellt med tiden, felen i både accelerometrar och gyron bidrar till positionsfel. Orienteringsfelet beror bara på felen i gyron och det ökar linjärt med tiden. För mät-tillämpningar IMU-observationer måste kombineras med andra sensorer, vanligtvis GNSS. Error  

GNSS/IMU GNSS-positioner möjliggör skattning av IMU-felen, inklusive orienteringsfelet Det vanligaste är att bestämma GNSS-position 1 ggr per sekund Osäkerhet i position vid 1 s uppdateringsintervall ligger på samma nivå som osäkerheten i GNSS-positionsbestämning (2 – 5 cm) Typiska värden för osäkerhet i orientering:   Navigational grade (usually RLG) Tactical grade (usually FOG) Automotive (usually MEMS) Update interval roll, pitch [°] yaw [°] 1 sec 0.0008 – 0.0014 0.0008 – 0.0020 0.0010 – 0.0020 0.0010 – 0.0500 0.2 0.5 1 – 3 min 0.0014 – 0.0030 0.0040 – 0.0050 0.0050 – 0.0400 0.0080 – 0.1000 0.4 – 0.8 1 - 2

Hur kan man bedöma noggrannheten av positioneringsmodul? Analytiskt: evaluera sensorernas noggrannhetsparametrar. Man kan inte upptäcka eventuella systemfel (kalibrering, databearbetning osv.) Empiriskt, genom att testa i laboratorium i fält, m.h.a. kartläggninsensorer (indirekt metod) i fält, m.h.a. oberoende metoder (direkt metod)

Utvärdering av testmetoder Vi testade direkt och indirekt metod i november 2013 på ca 500 m teststräcka på Gärdet i Stockholm

Instrument Mobilsystem GeoTracker från WSP Specifikationer 0.03° roll, pitch 0.2° bäring 2 cm position 360° kamera 4 kameror 4 laserskanrar bilskanning.se

Mätproceduren Etablera ett lokalt referensnät: 3 totalstationer (TS1,TS2,TS3), 8 måltavlor (MT1-MT8), 2 GNSS referensmottagare 6 körningar, bilen stannade 5 ggr i varje körning, 5 prismor monterade på plattformen mättes in från 3 TS En körning tog ca 15 minuter TS1 REFL TS3 MT2 MT1 MT3 MT5 MT7 MT4 MT6 MT8 S1 S2 S3 S4 S5 REFT TS2

Databearbetning Standard osäkerhet i koordinater för punkterna i testnät, inklusive prismor på bilen, ur minsta-kvadrat utjämning 2 mm i horisontala koordinater och 1 mm i höjd Standard osäkerhet rapporterat av GeoTracker 2 – 3 mm i horisontala koordinater, 5 mm i höjd 0.01˚ i roll och pitch, 0.1˚ i bäring Standard osäkerhet för koordinater av måltavlor bestämda ur punktmolnet 5 – 10 mm i horisontala koordinater, 20 mm i höjd

Direkt metod (1) 5 prismor på taket var inmätta m.h.a. TS -> beräkning av orientering Standard osäkerhet: 0.062°, 0.049° och 0.039° (roll, pitch, bäring) Jämförelse mellan TS och GeoTracker (ur 30 mätningar = 6 körningar x 5 stopp): en konstant offset i position och orientering + slumpmässigt variation orsakat av osäkerhet i TS- och GeoTracker-mätningar Offset i position beräknad som ett medelvärde ur 30 mätningar: 1 mm i N och E, 10 mm i höjd, standard osäkerhet i N, E och H-komponent = 1 mm Möjliga orsaker för offset 10 mm i höjd: fel i GNSS- antennhöjdmätning (både referens och rover), TS var etablerade med RUFRIS 2 timmar innan körningar -> förändrad satellit konfiguration

Direkt metod (2) Standard osäkerhet i GNSS/IMU positionsbestämning beräknad ur variationer i differenser mellan TS- och GeoTracer-mätningar: u(E) = 5 mm, u(N) = 6 mm, u(H) = 5 mm enligt tekniska specifikationer u = 20 mm Standard osäkerhet i GNSS/IMU orienteringsbestämning: 0.000°, 0.042°, 0.087° (roll, pitch, bäring) enligt tekniska specifikationer: 0.03° roll, pitch, 0.1° bäring SLUTSATS: mobil plattform presterade enligt specifikationer

Indirekt metod Grundprincipen: jämför koordinater av måltavlor ur punktmolnet och ur TS-mätningar och räkna om differenserna till fel i position och orientering av laserskanner 48 jämförelser (8 måltavlor, 6 körningar) Osäkerhet av mobil-plattform: u(roll) < 0.05°, u(avstånd) = 2 mm, u(bäring) = 0.15° u(pitch) var inte möjligt att beräkna: alla måltavlor var i ca i samma höjd i förhållande till bilen Beräknade värden u(roll), u(bäring) är osäkra, p.g.a kort avstånd mellan bilen och måltavlor och stor osäkerhet i koordinater av måltavlor ur punktmolnet

Slutsatser Direkt metod Indirekt metod Mer komplicerat och tidskrävande: man måste montera prismor på mobila plattformen, 3 personer för TS- mätningar Enklare proceduren: ett permanent testfält kan etableras, ingen TS-mätning behövs vid testkörningar. Alla parametrar kan testas (3 kordinater och 3 orienteringsvinklar) Pitch är svårt att testa: höga/låga måltavlor skulle behövas Alla parametrar tests direkt. Kartläggningssensorer är involverade. Svårt att separera olika effekter (synkronisering mellan sensorer, identifiering av måltavlor I punktmolnet) Bilen måste stanna för TS-mätningar Blen kör utan stopp Lämpligt att testa positioneringsmodulen Lämpligt att testa systemet som helhet

Publicerade rapporter Utveckling mobil datafångst: Evaluation of testing methods for positioning modules. http://publikationswebbutik.vv.se/shopping/ShowItem.aspx?id=6199 Utveckling mobil datafångst: Methods for Accuracy Verification of Positioning Module http://publikationswebbutik.vv.se/shopping/ShowItem.aspx?id=5927