Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit

Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit Satellitennavigation (in Simulation und Praxis)

Daniel Lüdicke, DLR Oberpfaffenhofen Torsten Dellmann, RWTH Aachen

• Konventionelle Schienenfahrzeug-Odometrie ist eindimensional und auf den Fahrweg bezogen

• Radimpulsgeber, Encoder, Doppler Radar, Correvit, …

• Navigationssensorik ist auf erdfeste Umgebung bezogen • Satellitennavigation (3D-Position, 3D-Geschwindigkeitsvektor) • Inertialsensorik (Beschleunigungssensoren, Gyroskop, IMU) • (Elektronische) Wegmarken (ETCS-Balisen) • Kompass (Erdmagnetfeld-Sensoren)

• Erweiterte Schienenfahrzeug-Odometrie enthält beide Sensoriken

• Sensorfusion ist intensives Forschungsthema der vergangenen 10 Jahre • Projekte an RWTH Aachen: u.A. Galileo above, SiPoS-Rail, …

> Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit Satellitennavigation (in Simulation und Praxis) > Daniel Lüdicke > 14.09.2018 DLR.de • Folie 2

Problemstellung

• Vollbahn-Versuchsfahrzeug „IFS-Erprobungsträger 1“ • Wissenschaftliches Versuchsfahrzeug der RWTH Aachen • Automatisierung: Projekt Galileo above mit Rangierassistenten • Erweiterte Odometrie: Projekt SiPoS-Rail, GNSS-Sensorfusion (Diss. Rütters) • Fahrzeugtechnik, Sensorik, Instandhaltung

• Simulationsumgebung • Erweiterung der Testmöglichkeiten mit virtuellen Testfahrten • Konsistente Szenarien für Schienenfahrzeug- und Navigationsanwendungen • Allgemeine Eisenbahn-Simulation, erste Anwendung ist Odometrie • Software-in-the-Loop Entwicklungsumgebung


IFS-Erprobungsträger und Simulationsumgebung

© OpenStreetMap, CC-BY-SA © Siemens AG

IFS-Erprobungsträger 1 (EPT) IFS-Erprobungsträger 1 IFS-Gleisanlagen Siemens PCW

• Simulationen im Schienenfahrzeugbereich sind fahrzeugorientiert • Umfangreiche Fahrzeugmodelle, lokale Koordinatensysteme für Fahrweg

• Simulationen im Navigationsbereich sind umgebungsorientiert

• Position/Bewegung in Referenzkoordinatensystemen • Fahrzeugmodell häufig auf einen Punkt (der GPS-Antenne) reduziert

• Anforderungen der Erweiterten Odometrie mit Satellitennavigation

• Realitätsnahes Schienenfahrzeugmodell • Umgebungsmodell mit eindeutigen Raum- und Zeitbezug • Konventionelle und Erweiterte Odometriesensorik

à Kombination der Simulationen von Schienenfzg. und Navigation notwendig à Verbindung mit Referenzfahrzeug (IFS-Erprobungsträger)


Motivation Eisenbahn-Simulationsumgebung

• Motivation • Versuchsfahrzeug „IFS-Erprobungsträger 1“ • Simulationsumgebung • Konzept der Fahrzeug- und Umgebungskoordinatensysteme • Validierung der Simulationsumgebung • Ergebnisse der Sensoriksimulation • Zusammenfassung

• Wissenschaftlicher Fokus:

• Aufbau und Betrieb eines wissenschaftlichen Versuchsfahrzeuges • Entwicklung einer Simulationsumgebung àWerkzeuge und Methoden für die Entwicklung von Erweiterten Odometrieanwendungen

• (Jetzt kein Positionsalgorithmus, keine Sensorfusion, kein Kalmanfilter, …)


Inhalt

• Odometrie (im Eisenbahnbereich) • Odometrie ist die signalsichere, hochverfügbare und echtzeitfähige Messung

von Distanz und Geschwindigkeit entlang eines gelegten Fahrweges.

• Erweiterte Odometriesysteme • Erweiterte Sensorik und Sensorfusion, z.B.: Satellitennavigation,

Inertialsensorik, Wegmarkensensorik, Correvit, Wirbelstromsensor, Laser, …

• Navigation • Navigation beschreibt die eigene Ortsbestimmung (Ortung) und Wegfindung

zu einem Ziel. [Wikipedia gekürzt]

• Satellitennavigation (GNSS - global navigation satellite system) • Ein globales Navigationssatellitensystem [] ist ein System zur Positions-

bestimmung und Navigation auf der Erde und in der Luft durch den Empfang der Signale von Navigationssatelliten und Pseudoliten. [Wikipedia]


Definitionen


IFS-Erprobungsträger 1 Versuchsfahrzeug der RWTH Aachen University

Gewicht: rd. 30t vmax = 80 km/h (BOA) / CS: 120 km/h (EBO)

RCP-Fzg.-Steuerung RCP-Bremssteuergeräte


IFS-Erprobungsträger 1 (EPT1)

RIG 1 RIG 2

RFID Reader FR1

MLR L/R

Elektromagn. Abstandssensor

Laser Abstandssensor

GNSS railGATE

GNSS FR2 GNSS FR1

Acc. 2D

DG1 Winkel DG2 Winkel

Doppler-Radar FR1/2

GNSS 3/4

GSM

Correvit

RIG 3 RIG 4

RFID Reader FR2

GNSS 5

Acc. = Beschleunigungssensor; GNSS = Satellitennavigation; GSM = Mobilfunk; IMU = Inertial Measurement Unit; MLR = Mitlaufendes Rad Sensor; RIG = Radimpulsgeber; FR = Fahrtrichtung; DG = Drehgestell

Erprobungsträger IFS 1

Partner:

gefördert durch: weitere Anwendungsprojekte gefördert durch:

IMU 2g

EPT1 CAD-Modell

• Abstimmung der Körper-Koordinatensysteme zw. Simulation und realem Fzg. • Definition eines sinnvollen Koordinatenursprungs und Ausrichtung • Messanleitung wie das Koordinatensystem definiert ist

• Koordinaten in Körper-KS am Fahrzeug eindeutig messbar • Definition der Relationen (Abstände, Winkel) zwischen Körper-KS


Umsetzung der Fahrzeug-Koordinatensysteme am realen Versuchsfahrzeug

yWK


Definition Wagenkasten-Koordinatensystem (KS-WK)

Wagenkasten(CargoSprinter)

Frontblech(CargoMover)

XY - Ebenez = 0 m

Ly,WK

Ly,WK

( Ly,WK / 2 )( Ly,WK / 2 )

xWK

yWK

yWK

• Sensor: GNSS-FR2 • GPS-Einfrequenzempfänger • uBlox EVK-5T mit Patchantenne

• Position der Patchantenne im

Wagenkasten-Koordinatensystem KS-WK

• X = -18.965 mm • Y = 0 mm • Z = -2.375 mm • Richtung gleich zu KS-WK


Definition von Sensor-Positionen

yGNSS-FR2

zGNSS-FR2

xGNSS-FR2

zGNSS-FR2

• Sekundärfederweg zw. Wiegenträger-KS und Drehgestell-KS

• Anschlusspunkte in KS-WT und KS-DG definiert

• Rollwinkel und Einfederung am Drehgestell • Nickwinkel des Wagenkastens


Sensorposition zwischen zwei Körperkoordinatensyst.

Drehgestell- rahmen

Punkt unten

Punkt oben

Sekundär-federn

Sekundär-dämpfer

Wiegenträger

Sekundärfederweg

• Ziel: Erweiterung der Testmöglichkeiten des EPT1 für: • Vorbereitung von Testfahrten / Analyse von Testfahrten • Moderne Entwicklungsmethodik, Simulation vor Test • Virtuelle Testfahrten

• Anwendung: Erweiterte Odometriesysteme mit Satellitennavigation

• Assistenzanwendungen • Fahrzeug- und Fahrzeug-Infrastruktur Funktionalität (ETCS) • Software-in-the-Loop

• Modellbildung des Versuchsfahrzeuges mit Umgebungsmodell


Simulationsumgebung

Containerkörper

Drehgestellkörper FR2

Fahrtrichtung FR2

Fahrtrichtung FR1


Wagenkastenkörper


Simulationsumgebung – Software-Architektur

• Realitätsnahes Schienenfahrzeugmodell für Odometrie- und Navigationsanwendung

• Benutzerfreundliche Entwicklungsumgebung für 3D-Modelle • Wiederverwendung vorhandener MKS-Modelle

• Definition von großen, zueinander beweglichen, Fahrzeugteilen (EPT, Sim) • 3D-Starrkörpermodell in Mehrkörpersimulation Simpack • Jeder Körper hat ein eigenes Körper-Koordinatensystem • Verortung der Anbauteile in einem Körper-Koordinatensystem


Simulationsumgebung Schienenfahrzeugmodell Definition der Körperkoordinatensysteme



Wagenkastenkörper

1-Körper Modell 3-Körper Modell

• Gemeinsame Modellvorstellung des Versuchsfahrzeuges

• Zur Messdatenauswertung • Des Simulationsmodells

• Berücksichtigung der Anforderungen von Realität und Simulation

• Starrkörper: • Drehgestell (DG, 2x) • Wiegenträger (WT, 2x) • Wagenkasten (WK)

• Definition von Körper-Koordinaten-

systemen an sinnvollen/markanten/ messbaren Stellen


Simulationsumgebung 5-Körper Schienenfahrzeugmodell

Wiegenträgerkörper WT2

Drehgestellkörper DG2

Wiegenträgerkörper WT1

Drehgestellkörper DG1

Wagenkastenkörper WK

5-Körper Modell

• Basis-Koordinatensystem ist ECEF (WGS84) • ECEF – Earth Centered, Earth fixed (Kartesisches KS) • WGS84 – World Geodetic System 1984 (NAVSTAR GPS)

• Absolute Zeit Referenz ist UTC • UTC - Universal Time, Coordinated

• Transformation aller Positionen zu ECEF

• MKS Strecke, Balisen • Fzg.-Sensoren, Komponenten • GNSS Sensoren, Satelliten


Simulationsumgebung Umgebungsmodell und Koordinatensysteme

Quelle: wikipedia.de

x y

z


Koordinatensystem-Transformationen

[26] Wikipedia: Bahnelement. Datei: BahnelementeEllipse.svg. Ersteller: Modalanalytiker. Lizenz: CC BY-SA 3.0, 2015

ECEF (Earth-centered earth-fixed, WGS84)

DG2

WT2

WK

Sensor1

DG1

WT1

Sensor2

Sens

or3

Earth-centered inertial (ECI)

GNSS Space Segment (ECEF)

Simpack Isys

Streckendefinition

NED-KS (Kugel,

RefEllipsoid) Loka

les K

S

Geografische Koordinaten

LLA – Breitengrad Längengrad

Höhe (RefEl.)

Geografische Abbildungen:Gauß-Krüger,UTM, ETRS89,

DB_REF, ...

Skyp

lot

Loka

les K

S

[26]

LLA – Latitude, Longitude, AltitudeNED – North East DownRefE. – ReferenzellipsoidUTM - Universal Transverse Mercator KSWGS - World Geodetic System 1984WK - WagenkastenWT - Wiegenträger

DG – DrehgestellECEF - Earth-centered earth-fixedECI - Earth-centered inertialETRS89 - European Terrestrial Reference System 1989GNSS - Global Navigation Satellite SystemKS – KoordinatensystemLLA – Latitude, Longitude, Altitude

• Messfahrt im Siemens Prüf- und Validationcenter in Wegberg/Wildenrath (PCW) • Startpunkt, Distanz- und Geschwindigkeitsvorgabe aus Messung • Streckendefinition und Fahrzeugmodell in Simulationsumgebung • Vergleich der Messsignale mit Simulationsergebnissen


Validierung der Simulationsumgebung anhand einer nachvollzogenen Messfahrt

Endpunkt

Startpunkt

Wegmarke

Fahrzeugposition

12

3

4

5

6

7

8

9

10

à T1 Gleis 110 Bogen 1 à km = 521,090m s_SIMPACK = 702,250m

RFID FR2 GNSS 3, 4 GNSS 5 RFID FR1

IMU GNSS FR1GNSS FR2

Laser

y (KS-PCW)

x (K

S-PC

W)


Situation an Wegmarke 7

SimU RFID FR2

DG FR2

Wegmarke

DG FR1

SimU RFID FR1

SimU GNSS-3

EPT GNSS-3

EPT GNSS-4

SimU GNSS-5

v

Hilfswegmarke

Hilfswegmarke

SimU GNSS FR1

SimU GNSS FR2

Auf Trajektorie projizierte Wegmarke

RFID Tag

Deckplatte

Ferromag. Platte

Sockel

y (KS-PCW)

x (K

S-PC

W)


Positionsabweichung an GNSS-3 Sensor zwischen realer Messfahrt und Simulationsumgebung

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 -1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Fahrweg [m]

Abst

and

GN

SS-3

, EPT

-Sim

U, i

n KS

-WK

[m]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 WM: 10

x

y

z

WM

• 2. Simulationsszenario „auf freier Strecke“, im PCW auf Testring T1 • Erzeugung realistischer Sensorsignale aus physikalischen Simulationssignalen • Physikalische und Technisches Sensorsignal • Ideales, gestörtes und fehlerbehaftetes Sensorsignal


Virtuelle Testfahrt Simulationsergebnisse von Sensormodellen

Hintergrund: © OpenStreetMap Mitwirkende, CC-BY-SA

Szenario-Live-Viewer • Software-in-the-Loop Schnittstelle zu

Algorithmen für RCP-System

• Signalgeführte Testfahrt (ETCS) in der Simulation

https://www.openstreetmap.org

https://www.openstreetmap.org/copyright

• Trennung in Physik- und Technikmodell • Strukturierung in Sensor-, Störungs- und

Fehlermodell

• Sensormodell modelliert das ideale Verhalten • Störungsmodell prägt Störungen auf

• Messabweichungen, Rauschen, … • Fehlermodell modelliert Fehlfunktionen oder

Ausfall des Sensors


Struktur der Sensormodelle

Physik Technik

Sen

sor

Stö

rung

Fehl

er

Sen

sor

Stö

rung

Fehl

er


Radimpulsgeber

0 50 100 150 200 250 2750

200

400

600

Freq

uenz

[Pul

se/s

]

fRIG diskret rausch

fRIG Fehler

fRIG

01F0

01F1

01F2

0 50 100 150 200 250 27501F3

Zeit [s]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

5

10

15

20

25

30

Zeit [s]

Freq

uenz

[Pul

se/s

]fRIG rausch

fRIG

fRIG diskret rausch

fRIG diskret verzögert rauschZeit [s]

Zeit [s]

Freq

uenz

[Pul

se/s

]

Freq

uenz

[Pul

se/s

]

• 3D-Abstand zu jeder Wegmarke • Abstand bei Überfahrt minimal

• Generierung Sensorverlauf • Vergleich Simulation und Messung

über Kilometrierung


RFID-Wegmarkensensorik ECEF-Geoposition-basierte Wegmarken

0 50 100 150 200 250 2750

500

1000

1500

2000

Abst

and

Weg

mar

ken

[m]

Wegmarke 3

Wegmarke 4

Wegmarke 5

Wegmarke 6Wegmarke 7

Wegmarke 9

Wegmarke 8

0 50 100 150 200 250 27505

1015202530

RFI

D ID

Zeit [s]

4596 4597 4598 4599 4600 4601 4602 4603 4604 4605 4606-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35

RFI

D F

R1

RSS

I [dB

]

SimU ideal

SimU diskretSimU verzögert

EPT1 RFID FR1

4596 4597 4598 4599 4600 4601 4602 4603 4604 4605 460615

20

25

30

RFI

D ID

km T1 [m]

km T1 [m]

RFI

D ID

R

FID

RSS

I [dB

] R

FID

ID

Abst

and

Weg

mar

ken

[m]

Szenario Live Viewer (online im Browser)

• Fahrzeugbeschleunigung im Sensorkoordinatensystem • Anteile der Erdbeschleunigung im Sensorkoordinatensystem • Erdrotation und Transportrate (Geodäsie) berücksichtigt


Inertialsensorik-Sensormodell

-1

0

1

2

g (K

S-IM

U) [

m/s

2 ]

8

9

10

11

g z (K

S-IM

U) [

m/s

2 ]

gx

gy

gz

0 50 100 150 200 250 275-1

0

1

2

Zeit [s]

a (K

S-IM

U) [

m/s

2 ]

8

9

10

11

a z (K

S-IM

U) [

m/s

2 ]

ax

ay

az

Zeit [s]

a (K

S-IM

U) [

m/s

2 ] g

(KS-

IMU

) [m

/s2 ]

a z (K

S-IM

U) [

m/s

2 ] g z

(KS-

IMU

) [m

/s2 ]

• Funktionale Modellierung eines GNSS-Sensors

• Störungsmodell mit Positionsabweichung und Zeitverzug

• NMEA-Botschaften erzeugt


Satellitennavigation Geoposition

0 50 100 150 200 25051.10

51.11

51.12

51.13

WG

S84

Brei

teng

rad

[°]

6.20

6.21

6.22

6.23

WG

S84

Läng

engr

ad [°

]

GNSS-FR1 Breitengrad

GNSS-FR1 Längengrad

0 50 100 150 200 250 275132

134

136

138

Höh

e [m

]

Zeit [s]

GNSS-FR1 Höhe

275

51.1182

51.1184

51.1186

51.1188

Brei

teng

rad

[°]

ideal

gestört

GGA

GLL

RMC

-3-2-10

Stör

ung x (KS-PCW)

y (KS-PCW)

z (KS-PCW)

0

1

RM

C ideal

empfangen

0

1

GLL ideal

empfangen

0

1

GG

A ideal

empfangen

109.5 110 110.5 111 111.5 112 112.50

1

Sec

Zeit [s]Zeit [s]

Sec

GLL

RM

C

GG

A St

ör Br

eite

ngra

d [°

] H

öhe

[m]

Brei

teng

rad

[°]

Läng

engr

ad [°

]

• GPS Space Segment (Satelliten) • Position aus Bahndaten und Zeit • Satelliten- und Empfängerposition

im ECEF • Ideale Länge (Truerange) • Gestörte Länge (Pseudorange) • Weitere Störungsmodelle

(Gebäude, Tunnel, Wald, …)


Satellitennavigation

-30°

150°

-60°

120°

-90°90°

-120°

60°

-150°

30°

-180°

0°15°30°

45°

60°

75°

90°

1

2

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16 17

18

19

20

21 22

23

24 25 26

27

28

29

30 31

32

Standort

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180-60

-45

-30

-20

-10

0

10

20

30

45

60

Azimut [°]

Elev

atio

n [°]

1

2

4

5

6

7 8

9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26 27

28

29 30

31

32 Standort

30°

-150°

60°

-120°

90°-90°

120°

-60°

150°

-30°

180°

0°15°30°

45°

60°

75°

90°

1

2

4

5

6 7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

(W) (O)

0° (N)

(S) -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180-90

-60

-45

-30-20-10

0102030

45

60

90

Azimut [°]

Elev

atio

n [°]

1 2 4

5

6

7

8 9

10

11

12

13

14 15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28 29

30

31

32

Skyplot an Empfängerposition

Position der GPS-Satelliten

Azimut [°]

Elev

atio

n [°

] El

evat

ion

[°]

Azimut [°]

Nordpol Südpol

Standort

Standort

• Situationen S0-S3

• S0: Ideal • S1: Hohes Gebäude • S2: Tunnel • S3: Wald


Satellitennavigation Szenario mit Störungen

0 50 100 150 200 250 2752

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6x 107

Pseu

doab

stan

d [m

]

PRN-2

PRN-3

PRN-6

PRN-12PRN-14

PRN-15

PRN-17

PRN-18PRN-22

PRN-24

PRN-25

PRN-32

50 100 150 200 25001S1

50 100 150 200 25001S2

0 50 100 150 200 250 27501S3

Zeit [s]

0 50 100 150 200 250 2750

5

10

15

Zeit [s]

Anza

hl s

icht

bare

r Sat

ellit

en

Zeit [s]

Anza

hl

sich

tbar

er S

atel

liten

S1

S2

S3

Ps

eudo

abst

and

[m]

x 107

• Alternatives Space-Segment • Pseudo-Satellitensender an

Masten auf/um das PCW • Masten bis 60m hoch

• Antennenposition bekannt • Keine Sendergeschwindigkeit

• Kaum atmosphärische Effekte


RailGATE-Sensormodell

0 50 100 150 200 250 2750

500

1000

1500

2000

2500

3000

Zeit [s]

wahre

r Abs

tand [

m]

W8 W1

W1W2W3W4W5W6W7W8

0

5

10

15

20

25

30

Elev

atio

n [°]

W8 W1

W1W2W3W4W5W6W7W8

0 50 100 150 200 250 275-180-135-90-45

04590

135180

Zeit [s]

Azim

ut [°

]

Grafik: ARIC mit freundlicher Genehmigung von tim-online NRW Zeit [s]

Azim

ut [°

] El

evat

ion

[°]

Wah

rer A

bsta

nd [m

]

• Vollbahn-Versuchsfahrzeug „IFS-Erprobungsträger 1“ • Simulationsumgebung für Erweiterte Odometrieanwendungen

• Simulationsumgebung erzeugt ein physikalisch konsistentes Szenario

• Schienenfahrzeugmodelle und Umgebungsmodelle • Versuchsfahrzeug und Simulationsumgebung

• Validierung der Simulationsumgebung und Genauigkeitsanalyse • Virtuelle Versuchsfahrt mit Simulationsumgebung

• Konsistente Software-in-the-Loop Simulation

• Simulationsergebnisse der Sensorikmodelle • Realistische und konsistente virtuelle Sensorsignale


Zusammenfassung

• Schienenfahrzeug- und Umgebungssimulation mit absolutem Raum- und Zeitbezug

• 363 Seiten, 153 Abb.

• ISBN: 978-3-8440-6056-0 • DOI: 10.18154/RWTH-2018-225566

• Online verfügbar:

• RWTH Universitätsbibliothek • DLR electronic library (elib)

• Im Buchhandel:

• Z.B. Amazon, Shaker • Ihr lokaler Buchhändler


Dissertation Daniel Lüdicke

https://www.amazon.de/Schienenfahrzeug-Umgebungssimulation-absolutem-Raum-Zeitbezug/dp/3844060561

https://www.shaker.de/de/content/catalogue/index.asp?lang=de&ID=8&ISBN=978-3-8440-6056-0


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Dipl.-Ing. Daniel Lüdicke

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik Oberpfaffenhofen, Münchener Str. 20 82234 Weßling

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Torsten Dellmann

RWTH Aachen University Institut für Schienenfahrzeuge und Transportsysteme Seffenter Weg 8 52074 Aachen

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