Estimação colaborativa de posição e orientação em veículos utilizando GNSS e V2V

Dissertação de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.Ao longo dos últimos anos, com o advento dos sistemas de transporte inteligentes e sistemas de navegação autónoma, o problema de localização tornou-se um assunto de enorme relevância, cuja solução a comunidade científica têm mostrado crescente interesse e apresentado diversas soluções e métodos. A variedade de abordagens, empregando diversos sensores e métodos é consequência direta da complexidade do tema, muito devido aos ambientes e condições diversas de operação dos veículos. É possível obter bom desempenho com sistemas que recorrem a instrumentação muito dispendiosa e geralmente volumosa. Infelizmente, é impraticável a sua utilização em veículos comuns, uma vez que representariam uma grande percentagem no custo total dos mesmos. Esta dissertação propõe o desenvolvimento e teste de um método de estimação de posição e orientação, recorrendo apenas ao sistema de navegação por satélite (GNSS) e à interação e colaboração entre os diversos agentes na estrutura rodoviária, através da norma de comunicação entre veículos (802.11p). Tem como principal objectivo apresentar uma alternativa de baixo custo (equipamentos e instalação), sem comprometer o processo de estimação da localização. Para tal, propõe-se a utilização de dois receptores GPS por veículo, dispostos longitudinalmente na cobertura de modo a maximizar a distância entre ambos, de forma a calcular o ângulo Y aw e Pitch. Para o cálculo do ângulo de Roll o sistema proposto utiliza informação de um receptor exterior ao veículo, proveniente de outro agente rodoviário, através do sistema de comunicação. De forma a aumentar a resolução das observações de cada antena, o sistema proposto faz uso de métodos de posicionamento relativo (RTK) a dois níveis: a nível local (entre as antenas do veículo), para a determinação dos ângulos de orientação e a nível global (entre o veículos e a rede de estações permanente) de forma a estimar a posição do veículo. Faz ainda parte do sistema proposto um método de filtragem de observações, que através da estimação das baselines entre receptores, é capaz de remover as observações com maior probabilidade de estarem afetadas de erro, evitando que este erro seja propagado à fase de estimação da orientação. Os resultados experimentais obtidos referentes a um percurso de aproximadamente 650 metros, em campo aberto e céu pouco nublado, revelaram-se bastante satisfatórios, tendo-se conseguido erros médios de 7 graus em Y aw e erros menores que 5 graus em Pitch e Roll. Na estimação da posição foram obtidos erros médios na ordem dos 2.5 metros.Over the past few years, with the advent of intelligent transport systems and autonomous navigation systems, the problem of location has become relevant a issue whose solution the scientific community have shown growing interest and presented various solutions and methods. The variety of approaches, using various sensors and methods is a direct consequence of the complexity of the theme, largely due to the various environments and conditions of vehicle operation. It’s possible to obtain good performance with systems using very expensive and often bulky instrumentation. Unfortunately, their use on common vehicles is impractical since it would represent a large percentage of the total cost. This dissertation proposes to develop and test a method of location and pose estimation, using only the global navigation satellite system (GNSS) and the interaction and collaboration among the various agents in road infrastructure through vehicle communication standard (802.11p). Its main purpose is to provide a low cost alternative (equipment and installation), without compromising the process of location estimation. To this end, it proposes the use of two GPS receivers for each vehicle, disposed longitudinally on the cover (to maximize the distance between receivers) in order to estimate the yaw and pitch angle. To estimate the roll angle, the proposed system uses information from a receiver outside the vehicle through the communication system. In order to increase the resolution of observations for each antenna, the system makes use of relative positioning (RTK) at two levels: locally (in the vehicle’s antennas) for determining the pose angles and globally (between the vehicle and a permanent station network) in order to estimate the absolute position of the vehicle. It is also part of the proposed system, a method of observation filtering based on receptor baseline estimation. It is capable of removing the observations more likely to be affected with errors, avoiding this errors to be propagated to the orientation estimation stage. The experimental results obtained on a route of approximately 650 meters, in an open area, proved to be quite satisfactory, having achieved average errors of 7 degrees in Yaw angle and smaller errors than 5 degrees in Pitch and Roll angles. In position estimation, the mean error obtained in the same conditions was about 2.5 meters