Inertial Navigation System Positioning and Applications (Turkish)

İNERSİYAL NAVİGASYON SİSTEMLERİ
İLE KONUM BELİRLEME UYGULAMARI
Abdullah Said Türksever
asturksever@gmail.com
İNERSİYALNAVİGASYON SİSTEMLERİİLE KONUMBELİRLEME UYGULAMARI
1

İÇERİK
• INS Sistemlerine Neden İhtiyaç Duyarız?
• INS Nedir?
• INS Çalışma Prensibi
• Referans Sistemleri
• GPS-INS Entegrasyonu
• INS Uygulamaları ve Kullanım Alanları
• INS Sistemlerinin Avantaj ve Dezavantajları
• Sonuçlar
2

ÇALIŞMANIN AMACI
3
• Bu çalışmada INS sistemlerinin konum belirlemedeki kullanım
alanları ve bu sistemlerin sahip olduğu potansiyel incelenmektedir.
Ayrıca INS sistemlerinde navigasyon amaçlı kullanılan koordinat
sistemleri hakkında da bazı tanımlamalar yapılmıştır. INS
sistemlerinin çalışma prensibi, donanım yapıları, navigasyon
uygulamalarında kullanım ihtiyacı, GPS-INS Entegrasyon
uygulamaları ve INS sistemlerinin avantaj ve dezavantajları gibi
konular ele alınmıştır.

INS Sistemlerine Neden İhtiyaç Duyarız?
4

INS Nedir?
• İnersiyal Navigasyon Sistemi (INS); devamlı olarak 3 ortogonal
doğrusal ivme vektörünü ve açısal dönüklüğü ölçen bir sistemdir.
• INS teorisi; Newton’un ikinci yasası olan F=ma yasasına dayalıdır.
İnersiyal koordinat sistemine göre hareket halindeki bir aracın ölçülen
ivmesi; sistemindoğrusal ivmeleri ile yerçekimi ivmesininbir
doğrusal kombinasyonundan elde edilebilir.
• Elde edilenivmelerinikinci integrali istenilenkonumlama bilgilerini
verir.Ayrıca dönüklük ölçümleri zamana bağlı entegre edilerek durum
bilgileri hesaplanır.
5

Inertial navigation system (INS):
• 3 ivmeölçer
• 3 gyroscopes
• Hardware
• Software
INS Nedir?
Her bir birleşene IMU ismi verilmektedir.
(Inertial Measurement Unit)
6

INS Nedir?
Gimballed sistemlerde üçlü ivmeölçer, 3 adet jiroskoptan iç kısımdaki eksen dairesine sabitlenerek monte
edilmiştir İç kısımdaki eksen dairesi araç dönüklerine karşı izole edilmiştir ve sistemin hareketi boyunca
istenilen yönelimlerde araç hareketleri sabitlenmektedir. Stabil platform üzerinde bulunan jiroskoplar
platformun herhangi bir dönüklü̈k anını algılamak için kullanılır. Elde edilen veriler platformun dengede
kalabilmesini sağlamak amacıyla servo geri besleme lopları ile eksen daire milleri dönme momentleri
erişim düzeneğinde eksen dairelerinin kontrolü için kullanılır.
7

INS Çalışma Prensibi
• IMU üzerine uygulanan herhangi bir kuvvet, belirli bir referans
koordinat sisteminde gösterilen, ivmelenme ve dönüklüklere neden
olmaktadır. Oluşan ivmelenme ve dönüklük verileri işlenerek aracın
navigasyonu için uyarlanmış koordinat sisteminde araca ait konum ve
hız bilgilerinin elde edilmesi sağlanmaktadır. İnersiyal verilerin amaca
uygun işlenmesini mümkün kılmak için birçok koordinat sistemi ve bu
koordinat sistemleri arasında dönüşümler gerekmektedir. Navigasyon
uygulamalarında en az iki koordinat sistemine ihtiyaç duyulmaktadır.
Bir tanesi obje/inersiyal (araç) verilerin gösterimi için, bir diğeri harita
üzerinde navigasyon verilerinin gösterimi için gerekmektedir. [4].
8

INS Çalışma Prensibi
9

INS ile Güzergahın belirlenmesi
10

11

Referans Sistemleri
12
Pseudo inertial system Earth-fixed systemBody System
Navigation denklemleri kullanılarak body systemdeki ivme değişikliği
gyrospcopetan aldığımız rotasyon açıları ile Inertial systeme rotate edilir.
Ardından Coriolis teoremi kullanılarak ivme Earth fixed systeme
dönüştürülür.

INS Uygulamaları ve Kullanım Alanları
• Fotogrametrik amaçlı görüntü almaya yönelik uçuşlar
• Kara ve Hava ulaştırmasında hedef izleme,
• Güdümleme, oto-pilot tasarımı,
• Uçuş destek ve kontrol sistemi
• İnsansız araçları
• Robotlar
• Self driving arabalar
• Indoor navigation
13

GPS-INS Entegrasyonu
Günümüzde birçok araç navigasyon sistemleri konum belirlemede GPS
tabanlı çalışmaktadır. Konum bilgisi temini, araç takibi, acil durumlarda
iki nokta arasındaki en kısa güzergâh bilgisi tarifi, yerleşim alanlarının
konumlandırılması gibi uygulamalarda GPS kullanımı önemli ölçüde
artmaktadır. Ancak, GPS belirtilen uygulama bilgilerini sadece
açıkalanlarda kullanıcıya saplayabilmektedir. Diğer tabirle, sinyal
kesilmeleri ve zayıflamalarından dolayı kentsel yapılaşmaların yoğun
olduğu alanlarda ve kapalı alanlarda GPS tabanlı navigasyon sistemleri
tam olarak kullanılamamaktadır. Bu nedenle, sinyal kesilmesi ve
zayıflaması durumlarında sürekli navigasyon verisi sağlaması amacıyla
GPS diğer navigasyon tabanlı algılayıcılarla entegre edilmesi
gerekmektedir [1,3].
14

GPS/INS ENTEGRASYONU BENZETİMİ UYGULAMASI
Uygulamada Satellite Navigation Toolbox 3.0 yazılım araç kutusundan
ihtiyaç duyulan kodlar kullanılarak GPS sistemi simülasyon tabanlı
olarak oluşturulmaktadır. Uygulamanın ilk aşaması olarak GPS
sistemine ait gözlemlere başlangıç zamanının saniye olarak ifade
edilmesi gerekmektedir. Burada belirtilen zamanın GPS zamanı olduğu
ve yerel zamanla ilişkili olmadığı unutulmamalıdır. Kayseri Organize
Sanayii Bölgesi GPS gözlemlerinin benzetimi için uygulama alanı
olarak tercih edilmiştir. GPS gözlem uygulaması için zaman t=115200
saniye olarak seçilmiştir ve ardından kullanıcıya ait, 38°.729458 enlem,
35°.372922 boylam ve 1077 m yükseklik verileri kullanılmıştır. Elde
edilen uydu dağılımı ve uydu dağılımlarının değişimi Şekil 3(a) ve Şekil
3(b)’de gösterilmektedir.
15

16
GPS/INS ENTEGRASYONU BENZETİMİ UYGULAMASI
Uygulamada GPS epok süresi, gözlem
süresi 10 dakika olmak kaydıyla, t0 =115200
sn – t1 =115800 sn olarak
belirlenmiştir. Sisteme GPS parametreleri
yüklenerek seçilen zaman aralığında 1 Hz.
ve ufuktan 5° den yüksek olan
GPS uyduları kullanılarak uydu konum
bilgileri elde edilir ve GPS gözlem epok
ölçümlerine başlatılarak uydulara ait
pseudorange değerleri ve DOP değerleri elde
edilir. Tüm bu aşamalardan sonra En Küçük
Kareler Yöntemine göre
pseudorange ölçümleri ve uydu konum
bilgileri doğrultusunda kullanıcıya ait konum
bilgileri elde edilmektedir.

Kalman Filtreleme Yapısıyla GPS/INS
Entegrasyonu Uygulaması
• Kalman filtreleme yöntemi lineer ve lineer olmayan dinamik
sistemlerin durum değişkenlerinin kestiriminde kullanılmaktadır.
Radyo dalgalarının ve radar sinyallerinin tanımlanmasında, sismik
verilerin analizinde ve görüntü işlemede Kalman Filtreleme yöntemi
uygulanabilmektedir.
• Navigation System Integration and Kalman Filter Toolbox yazılım
araç kutusundan gerekli olan kodlar kullanılarak, yukarıda yapılan
benzetim uygulamasında üretilen GPS/INS verilerinin Kalman
filtreleme yöntemiyle entegrasyonu uygulamasında elde edilen
sonuçlar Şekil 5 ve Şekil 6’da gösterilmektedir
17

18

BİR İNSANSIZ SUALTI GÖZLEMARACININ SAGA
19
Anlık yüksek çözünürlüklü video ve fotoğraf çekimi, veri
toplama, sualtı haritalandırma gibi işleri hızlı bir şekilde
yapabilmektedir [1].
Aracın sualtındaki yer tespiti için inetial navigasyon sistemi
(INS), görüntülemeye dayalı navigasyon sistemi ve akustik
ölçüme dayalı navigasyon sistemi modellenmiştir. Aracın
sualtındaki yerini yüksek doğrulukta elde etmek için üç
navigasyon sistemi bütünleştirilmiştir
Yönelim, hız ve derinlik bilgisini desteklemek amaçlı manyetik algılayıcı, pitot tüpü ve basınç algılayıcı
kullanılmıştır. Sualtında alınan ölçümlerin gürültülü olmasından dolayı, durum hataları, durum hata kestirme
algoritma tekniği kullanılarak kestirilmiştir. Bu amaç doğrultusunda sistem durumu, ölçüm ve gü̈rültü modelleri
elde edilmiştir. Genişletilmiş Kalman süzgeç algoritması kullanılarak, bu yaklaşım ile aracın yeri, büyük bir
doğrulukla elde edilmiştir.

INS Sistemlerinin Avantaj ve Dezavantajları
20

SONUÇLAR
• Kalman filtreleme yönteminden elde edilen sonuçlar, sınırlı genişlikteki alanlarda gerçekleştirilmesi
düşünülen düşük maliyetli navigasyon uygulamalarında istenen hassasiyetin Kalman filtreleme yöntemi
kullanılarak gerçekleştirilen GPS/INS veri entegrasyonu uygulamasında elde edilebileceği görülmüştür.
• Sınırlı genişlikteki kentsel alanlarda video tabanlı otonom sistemlerle ölçme uygulamalarında maliyet ve
kullanım avantajları sağlayacağı düşünülmektedir.
• Küçük ölçekli otonom araçları navigasyonu amaçlı haritalama uygulamalarında istenen hassasiyette konumsal
verilerin elde edilebileceği kanısına varılmıştır.
• Sınırlı büyüklükteki kapalı alanlarda GPS/INS tabanlı otonom araç navigasyon uygulamalarının
geliştirilebileceği görü̈lmüştür.
• İnsansız bir sualtı aracının navigasyon problemini çözmek için aracın gerçeğe en yakın davranışı olan
doğrusal olmayan yapısı modellenmiştir. Navigasyon problemi, üç navigasyon sistemi bütünleştirilerek,
yüksek doğruluk ve yüksek veri alma hızında çözülmüştür.
21

22
Teşekkürler

Inertial Navigation System Positioning and Applications (Turkish)

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Inertial Navigation System Positioning and Applications (Turkish)