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 matine@defmin.fi Käyntiosoite Puhelinvaihde Eteläinen Makasiinikatu 8 00130 HELSINKI (09) 16001 WWW-sivut Y-tunnus www.defmin.fi/matine FI01460105 Pääsihteeri (09) 160 88310 OVT-tunnus/verkkolaskuosoite Itellan operaattorivälittäjätunnus Suunnittelusihteeri Toimistosihteeri (09) 160 88314 050 5555 837 Faksi kirjaamo (09) 160 88244 Verkkolaskuoperaattori Yhteyshenkilö/Itella 003701460105 003710948874 Itella Information Oy helpdesk@itella.net
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].
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
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.
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.
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.
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.
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.