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Hybride Navigationssysteme für Navigation, Regelung und direkte Georeferenzierung

Dieser Beitrag ist in der zfv 5/2013 erschienen.

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Zusammenfassung: 

Inertialsysteme werden seit mehr als 100 Jahren für die Navigation von Fahrzeugen eingesetzt. Wegen der unvermeidbaren Driften und Biase der inertialen Sensoren (Kreisel und Beschleunigungsmesser) werden diese Systeme durch zusätzliche Sensoren im Sinne der Koppelnavigation gestützt. Mit der Entwicklung der Laserkreisel, mit denen die höchste Genauigkeit erreicht wird, und leistungsfähigen Rechnern startete auch die Entwicklung der Strapdown-Systeme, die die bis dato eingesetzten Plattformsysteme nach und nach verdrängten. Ein weiterer Meilenstein auf dem Gebiet der Navigation war die Entwicklung der GNSS-Systeme, die sich hervorragend für die Kopplung mit INS-Systemen mittels der Kalmanfilter-Technik eignen. Mit diesen hybriden Navigationssystemen ist auch eine direkte Georeferenzierung von photogrammetrischen Bild- und Scannerdaten möglich. An der Hochschule Bochum wurden in den letzten Jahren verschiedene Systeme für Luftbildflüge und für den Einsatz in Landfahrzeugen entwickelt.
Die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der mikro-elektro-mechanischen Systeme (MEMS) haben in den letzten Jahren die Entwicklungen der inertialen Sensoren und der Stützsensoren beeinflusst. Zwar erreichen diese Sensoren nicht die hohen Genauigkeiten wie deren Vorgänger, sind aber kostengünstig und leicht.
Die Entwicklung dieser Sensoren in Verbindung mit leistungsfähigen Mikrocontrollern führte in jüngster Zeit zum rasant anwachsenden Einsatz von Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) für photogrammetrische Anwendungen. Vor allem die sog. Multikopter, die in der Lage sind, senkrecht zu steigen und über einem Punkt zu schweben, sind prädestiniert als Plattform für einen photogrammetrischen Sensor.
In dem Beitrag werden die verschiedenen inertialen Sensoren und Navigationssysteme und die Entwicklungen für die Navigation und Regelung sowie für photogrammetrische Anwendungen und die direkte Georeferenzierung, die ein spezielles Kalibrationsverfahren zur Bestimmung der gegenseitigen Lage und Orientierung der verschiedenen Sensoren erfordert, vorgestellt.

Summary: 

Inertial systems have been used for more than 100 years for the navigation of vehicles. Due to the unavoidable drift and biases of the inertial sensors (gyros and accelerometers), these systems have to be augmented by additional sensors in accordance with the dead reckoning. With the development of the laser gyro with which the highest accuracy can be achieved, and powerful computers also the development of the strapdown systems started which replaced more and more the former platform systems. Another milestone in the field of navigation was the development of GNSS, which is ideal for coupling with INS systems using the Kalman filter technique. With these hybrid navigation systems, a direct georeferencing of photogrammetric image and scanner data is possible. At the University of Applied Scíences Bochum different systems for aerial flights and for use in land vehicles have been developed in recent years.
The latest developments in the field of micro-electro-mechanical systems (MEMS) have been affected in the past the de­velopment of inertial sensors and the augmentation sensors as well. Although these sensors do not reach the high accuracies of their predecessors, they are inexpensive and of light weight.
The development of these sensors in conjunction with powerful microcontrollers led recently to the rapidly growing use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) for photogrammetric applications. Especially the so-called Multicopter, which are able to rise vertically and hover over a point are an ideal platform for photogrammetric sensors.
In this paper, the various sensors and inertial navigation systems and developments for navigation and control as well as for photogrammetric applications and direct georeferencing, which requires a special calibration method for determining the relative position and orientation of the various sensors, are presented.

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