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Navegação inercial veicular de baixo custo : caracterização de sensores, implementação em tempo real, influência do modelo gravitacional e da taxa de atualização

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Maia, Álvaro Henrique Alves lattes
Orientador(a): Silva, Felipe de Oliveira e
Banca de defesa: Silva, Felipe de Oliveira e, Lima, Danilo Alves de, Cavalcanti, Vinícius Magalhães Gabriel de Brito, Durão, Carlos Renato Caputo
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Lavras
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas e Automação
Departamento: Escola de Engenharia - EENG
País: brasil
Palavras-chave em Português:
Navegação inercial (INS)
Unidade de medição inercial (IMU)
Agricultura de precisão
Triedro NED
Inertial navigation (INS)
Inertial Measurement Unit (IMU)
Precision farming
NED Trihedron
Área do conhecimento CNPq:
Engenharia
Link de acesso: http://repositorio.ufla.br/handle/1/59889
Resumo: Com a recente evolução da área de veículos autônomos, também cresce a demanda por sistemas de navegação mais precisos e exatos, aptos a comporem sistemas de controle de alta eficiência, segurança e baixo custo. Figurando como uma das principais soluções de navegação empregadas em tais aplicações veiculares, os sistemas de navegação inercial (INS - do inglês Inertial Navigation Systems) que utilizam uma unidade de medição inercial (IMU - do inglês Inertial Measurement Unit) e um computador para o cálculo contínuo da posição, direção e velocidade do veículo em movimento sem auxílio externo. Apesar de sua grande aplicabilidade, o INS apresenta uma taxa elevada de crescimento do erro devido a diversos erros envolvendo o algo- ritmo de navegação, características dos erros sensores e à taxa de envio de dados inerciais para a navegação. Neste estudo, é apresentado um algoritmo de navegação inercial descrito no triedro NED como estratégia principal de desenvolvimento das análises, bem como alguns elementos básicos do INS desenvolvido, tais como sensores, modelo de erros, inicialização e alinhamento. Dessa forma, esta dissertação apresenta três estudos relacionados a esta técnica de navegação: o primeiro realiza uma análise da natureza estocástica dos sensores inerciais por meio de técnicas de variança de Allan, possibilitando a validação e escolha de IMUs por meio de suas características estocásticas; o segundo estudo analisa o efeito do modelo gravitacional integrado à navegação, no qual é apresentado um modelo gravitacional adaptado para a mecanização no NED, afim de proporcionar uma melhor exatidão do canal vertical; já o terceiro estudo, envolve um comparativo de desempenho de um INS em relação ao tratamento e à taxa de envio de dados inerciais disponibilizados pelas mensagens inercias do dispositivo M8U da fabricante Ublox.
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Figurando como uma das principais soluções de navegação empregadas em tais aplicações veiculares, os sistemas de navegação inercial (INS - do inglês Inertial Navigation Systems) que utilizam uma unidade de medição inercial (IMU - do inglês Inertial Measurement Unit) e um computador para o cálculo contínuo da posição, direção e velocidade do veículo em movimento sem auxílio externo. Apesar de sua grande aplicabilidade, o INS apresenta uma taxa elevada de crescimento do erro devido a diversos erros envolvendo o algo- ritmo de navegação, características dos erros sensores e à taxa de envio de dados inerciais para a navegação. Neste estudo, é apresentado um algoritmo de navegação inercial descrito no triedro NED como estratégia principal de desenvolvimento das análises, bem como alguns elementos básicos do INS desenvolvido, tais como sensores, modelo de erros, inicialização e alinhamento. Dessa forma, esta dissertação apresenta três estudos relacionados a esta técnica de navegação: o primeiro realiza uma análise da natureza estocástica dos sensores inerciais por meio de técnicas de variança de Allan, possibilitando a validação e escolha de IMUs por meio de suas características estocásticas; o segundo estudo analisa o efeito do modelo gravitacional integrado à navegação, no qual é apresentado um modelo gravitacional adaptado para a mecanização no NED, afim de proporcionar uma melhor exatidão do canal vertical; já o terceiro estudo, envolve um comparativo de desempenho de um INS em relação ao tratamento e à taxa de envio de dados inerciais disponibilizados pelas mensagens inercias do dispositivo M8U da fabricante Ublox.With the recent evolution in the field of autonomous vehicles, there is also an increasing demand for more accurate and precise navigation systems capable of composing high-efficiency, safe, and low-cost control systems. Standing out as one of the main navigation solutions employed in such vehicular applications, Inertial Navigation Systems (INS) utilize an Inertial Measurement Unit (IMU). This study presents an inertial navigation algorithm with mechanization in the NED frame as the primary strategy for developing the analyses, as well as some fundamental INS concepts, such as the sensors used, error modeling, initialization, and alignment. Despite its wide applicability, the INS shows a high rate of error growth due to various errors involving the navigation algorithm, sensor error characteristics, and the rate of inertial data transmission for navigation. Therefore, this project presents three studies related to this navigation method: the first performs an analysis of the stochastic nature of inertial sensors using Allan variance techniques, enabling the validation and selection of IMUs based on their stochastic characteristics; the second study analyzes the effect of the gravitational model integrated into the navigation, proposing a gravitational model that provides better accuracy in estimating local gravity acceleration; and the third study involves a performance comparison of an INS regarding the treatment and rate of inertial data transmission provided by the M8U device from the manufacturer Ublox.Fundação de Apoio da UFMG (FUDEP)porUniversidade Federal de LavrasPrograma de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas e AutomaçãoUFLAbrasilEscola de Engenharia - EENGAttribution 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessEngenhariaNavegação inercial (INS)Unidade de medição inercial (IMU)Agricultura de precisãoTriedro NEDInertial navigation (INS)Inertial Measurement Unit (IMU)Precision farmingNED TrihedronNavegação inercial veicular de baixo custo : caracterização de sensores, implementação em tempo real, influência do modelo gravitacional e da taxa de atualizaçãoLow-cost vehicle inertial navigation: sensor characterization, real-time implementation, influence of gravity model and update rateinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisSilva, Felipe de Oliveira eLima, Danilo Alves deSilva, Felipe de Oliveira eLima, Danilo Alves deCavalcanti, Vinícius Magalhães Gabriel de BritoDurão, Carlos Renato Caputohttp://lattes.cnpq.br/7404648349722262Maia, Álvaro Henrique Alvesreponame:Repositório Institucional da UFLAinstname:Universidade Federal de Lavras (UFLA)instacron:UFLAORIGINALDISSERTAÇÃO_Navegação inercial veicular de baixo custo - caracterização de sensores, implementação em tempo real, influência do.pdfDISSERTAÇÃO_Navegação inercial veicular de baixo custo - caracterização de sensores, implementação em tempo real, influência do.pdfapplication/pdf1932332https://repositorio.ufla.br/bitstreams/050c2cff-a2b4-444b-a445-9c7ae9419c96/download901ba919bcd7e05f9abeab5c2edcfb7dMD51trueAnonymousREADIMPACTOS DA PESQUISA_Navegação inercial veicular de baixo custo - caracterização de sensores, implementação em tempo real, influência do.pdfIMPACTOS DA PESQUISA_Navegação inercial veicular de baixo custo - caracterização de sensores, implementação em tempo real, influência do.pdfapplication/pdf118995https://repositorio.ufla.br/bitstreams/1c2ee06a-5aa3-4b97-90bc-c156ff111c45/download654127ccb165c7d3d4be56eeb5d7d00fMD52falseAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; 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