Navigationsplattform für drinnen und draußen

Positionsbestimmung und Navigation werden auch in der Konsumelektronik immer wichtiger. Bei der Navigation innerhalb von Gebäuden stößt GPS jedoch an Grenzen, alternative Techniken wie inertiale Systeme müssen hier nahtlos übernehmen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts entstand eine Navigationsplattform für drinnen und draußen.

Positionsbestimmung und Navigation werden auch in der Konsumelektronik immer wichtiger. Bei der Navigation innerhalb von Gebäuden stößt GPS jedoch an Grenzen, alternative Techniken wie inertiale Systeme müssen hier nahtlos übernehmen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts entstand eine Navigationsplattform für drinnen und draußen.

Mit der Verfügbarkeit von preiswerten GPS-Empfängern hat sich die satellitengestützte Navigation als Standardverfahren im Straßen-, Schiffs- und Luftverkehr durchgesetzt. Sobald der Empfang des GPS-Signals nicht sicher gewährleistet werden kann, sind jedoch die Grenzen der satellitengestützten Navigation erreicht. Insbesondere Anwendungen innerhalb von Gebäuden, Tunneln und Bunkern sind von dieser Einschränkung betroffen. Ein Forschungsprojekt an der Hochschule Mannheim untersucht die Machbarkeit von hoch integrierten Navigationssystemen für die sichere Positions- und Lagebestimmung innerhalb und außerhalb von Gebäuden. Neben Navigationssystemen und Verfahren für den Fernbereich wie zum Beispiel GPS gibt es eine Reihe weiterer Navigationsverfahren (so genannte Tracking-Systeme), die für die Positions- und Lagebestimmung im Nahbereich konzipiert sind. Diese Tracking-Systeme kommen beispielsweise in der Industrie zur Vermessung von Werkstücken oder in der Medizin zur Lokalisierung von medizinischen Instrumenten bei operativen Eingriffen zum Einsatz und sind prinzipiell auch innerhalb von Gebäuden funktionsfähig. Für die hier betrachteten Anwendungsgebiete sind die meist auf optischen, Funk-, akustischen oder elektromagnetischen Verfahren basierenden Systeme wegen ihrer limitierten Arbeitsvolumina jedoch nur eingeschränkt nutzbar. Bei Tracking-Systemen, die eine sichere Funktion innerhalb von Gebäuden ermöglichen, müssen Referenzmarker oder zusätzliche Referenz-Sendestationen innerhalb der Gebäude angebracht werden. Die damit verbundenen Investitionen und die räumliche Bindung der Tracking-Systeme an die dafür ausgestatteten Gebäude stehen derzeit einer weiteren Verbreitung entgegen.

Für einige Navigationsaufgaben ist die Bestimmung der Position und der räumlichen Orientierung der Messprobe in sechs Freiheitsgraden erforderlich: drei Freiheitsgrade für die Bestimmung der Position im kartesischen Koordinatensystem und drei weitere, welche die Orientierung der Messprobe im Raum beschreiben (Rotation um die Raumachsen).

Sechs Freiheitsgrade müssen sein

Schnelle Bewegungen von Menschen, Servicerobotern oder Maschinen erfordern je nach Navigationsanwendung hohe Update-Raten von teilweise mehr als 100 Hz. Die Update-Rate eines reinen GPS-Navigationssystems ohne zusätzliche Navigationseinheit liegt bei etwa 1 Hz bis 4 Hz.

Ziel des Forschungsprojektes an der Hochschule Mannheim ist die Entwicklung eines neuen Navigationssystems, das eine sichere Kombination aus satellitenunabhängiger und satellitengestützter Navigation ermöglicht (Bild 1). Die wichtigsten Anforderungen an das Navigationssystem sind:

  • Positionserfassung in sechs Freiheitsgraden,
  • Langzeitstabilität der Positionserfassung,
  • hohe Updateraten von mehr als 100 Hz,
  • kleine Bauform (Würfel mit einer Kantenlänge von 4,5 cm),
  • autarke Energieversorgung für circa acht Stunden,
  • Messdatenspeicher von bis zu 2 GByte,
  • funk- und kabelgebundene Kommunikationsschnittstellen (GSM/UMTS und USB 2.0) sowie
  • gute Erweiterbarkeit hinsichtlich weiterer anwendungsspezifischer Sensoren.

Das Blockschaltbild in Bild 3 zeigt die wichtigsten Komponenten. Neben einem ARM7-Mikroprozessor »LPC2368« von NXP als zentraler Steuereinheit bilden drei orthogonal zueinander angeordnete Drehratensensoren (ADIS16255) und Beschleunigungssensoren (ADIS16201) das Sensorsystem des inertialen Navigationsgeräts. Ein zusätzlicher 3D-Kompass (HMS6042 & HMZ1041) sowie ein Altimeter (Bosch SMD500) tragen zur Stabilisierung der satellitenunabhängigen Navigation bei. An der Außenseite des Navigations-Cube sorgt ein GPS-Empfänger (u-blox NEO4S) für die satellitengebundene Navigation bei vorhandenem GPS-Signal. Für die Kommunikation dient ein GSM-Modul (GC864) des Herstellers Telit. Neben der Kompaktheit bietet dieses GSM-Modul noch zusätzlich die Möglichkeit, durch Tausch gegen pin- und funktionskompatible Module auf andere Netze wie zum Beispiel UMTS auszuweichen.

Eine besondere Herausforderung stellte die Energieversorgung des Systems dar, die bei optimaler Raumausnutzung sehr leistungsfähig und effizient sein muss, um die geforderten Betriebszeiten zu garantieren. Aufgrund der Anforderungsanalyse der Energieversorgung fiel die Wahl auf Lithium-Polymer-Zellen und einen USB-Power-Controller mit integriertem Laderegler. Im Falle der Spannungswandler zur Versorgung der Komponenten ließ sich die geforderte Betriebsdauer durch den Einsatz von effizienten Schaltwandlern erzielen.

Um Störungen der empfindlichen Sensoren zu vermeiden, legten die Entwickler die Arbeitsfrequenzen der Schaltwandler weit über die internen Arbeitsfrequenzen der Sensoren von etwa 50 kHz bis 60 kHz. Zum Einsatz kamen hier zwei hoch integrierte Schaltregler der Firma Linear Technology (LTC3401 und LTC3440). Diese wurden während der Auslegung mehrfach unter Zuhilfenahme von »Switcher-CAD« simuliert, einer modifizierten Version von Spice (LT-Spice). Ein wichtiges Kriterium bei der Optimierung der Stromversorgung war die zu erwartende Spannungsqualität. Weiterhin wurde auf die Spannungsstabilität bei Lastschwankungen sowie die Effizienz über den gesamten Betriebsspannungsbereich des Lithium-Polymer-Akkus geachtet.

Während der Inbetriebnahme des Systems legten die Autoren neben den funktionalen Tests großen Wert auf die Modularisierung der Software und fassten die Funktionen für die Sensoren in kleine, von der MCU abstrahierte Softwaremodule zusammen. Im Laufe dieser Arbeit entstand ein vollständiger, funktionsfähiger Prototyp, der zusammen mit dem Interface-Board ein Werkzeug für die Entwicklung von Sensorplattformen mit sechs Freiheitsgraden zur trägheits- und GPS-gestützten Navigation darstellt. Dieses Tool soll zur Untersuchung aktueller und neuer »Location Based Applications and Services« dienen. (cg)