TL;DR: Die meisten Lokalisierungsprogramme scheitern nicht an einem schwerwiegenden technischen Problem. Sie geraten in Verzug aufgrund einer frühen Designentscheidung, die auf dem Datenblatt gut aussah, sich in der Praxis jedoch als Fehlschlag erwies. Dies sind die sechs Fehler, die wir am häufigsten beobachten: die Genauigkeit erst später zu klären, Empfängerspezifikationen einfach zu kopieren und einzufügen, die falsche Hardwareklasse zu spezifizieren, die Antenne zu unterschätzen, eine IMU auszuwählen, die die Lücke nicht überbrücken kann, und davon auszugehen, dass das Netzwerk immer verfügbar ist – sowie der Parkplatz-Test, der all diese Fehler verschleiert.
In unserem letzten Beitrag haben wir das V-Modell für den Entwurf von Lokalisierungssystemen in der Robotik vorgestellt. Auf der linken Seite des V-Modells finden Definition und Entwurf statt, auf der rechten Seite Validierung und Skalierung, und die Kosten für die Korrektur einer Entscheidung steigen in jeder Stufe, in der man sich nach rechts bewegt, um das Zehnfache.
In diesem Beitrag geht es um Fehlentscheidungen auf der linken Seite. Das meiste, was wir im Bereich Field Engineering gelernt haben, betrifft die Entwurfs- und Validierungsphasen, denn genau dort werden die kostspieligen Fehler gemacht. Es handelt sich dabei um ganz gewöhnliche, auf den ersten Blick vernünftig erscheinende Entscheidungen, die sich in der Praxis jedoch nicht bewähren.
Fehler 1: Sich erst später Gedanken über die Genauigkeit machen
Die meisten Teams werden Ihnen sagen, dass sie bereits wissen, welche Genauigkeit sie benötigen. Das Problem ist, dass die Anforderung in der Regel nicht konkret genug ist.
Ein System wird mit einer Genauigkeit von „etwa einem Meter“ aufgebaut, doch es stellt sich heraus, dass die Anwendung wesentlich engere Grenzen erfordert. Nehmen wir das Beispiel der Drohnenkartierung. Ohne RTK-Korrekturen – sei es in Echtzeit oder in der Nachbearbeitung – haben Sie eine Unsicherheit von einem Meter. Das klingt verkraftbar, wenn man sich eine gleichmäßige Verschiebung von einem Meter über die gesamte Karte vorstellt. Aber so verhält sich der Fehler nicht. Es handelt sich nicht um einen gleichmäßigen Versatz, den man einfach abziehen kann; er variiert über die Karte hinweg, und genau das macht Arbeiten auf Vermessungsniveau unmöglich.
Die noch größere Falle ist die Einstellung: „Ich brauche diese Genauigkeit nicht.“ Manchmal stimmt das auch. Doch sobald das System überall funktionieren muss, verschieben sich die Maßstäbe. Eine höhere Genauigkeit verschafft Ihnen engere Rahmenbedingungen, auf deren Grundlage Sie präzise Anwendungen entwickeln und deren Präzision auch bei der Skalierung in anspruchsvollere Umgebungen gewährleisten können.
Legen Sie die Genauigkeitsanforderung zunächst daran fest, was die Anwendung unter den gegebenen Bedingungen leisten muss, bevor weitere Entscheidungen getroffen werden.
Fehler 2: Spezifikationen des Empfängers kopieren und einfügen
Das ist ein sehr häufiger Fehler, und es ist leicht nachvollziehbar, warum. Man kauft einen Empfänger, der RTK unterstützt, im Datenblatt steht „1 cm + 1 ppm“ (ein Zentimeter plus ein Teil pro Million mal der Basislinienabstand), und man nimmt das in seine Anforderungen auf.
Diese Zahl ist real – in einer perfekten Welt. Ein Zentimeter, wenn man direkt über der Basisstation sitzt, unter freiem Himmel und ohne jegliche Störungen. So funktionieren die meisten Anwendungen jedoch nicht.
In realen Umgebungen gibt es Störquellen, und es ist buchstäblich unmöglich, ein System zu entwickeln, bei dem das GNSS-Signal keinerlei Störungen ausgesetzt ist, da diese oft aus dem eigenen Produkt selbst stammen. Schon ein anderer Computer oder ein Subsystem, das sich in der Nähe des Empfängers befindet, kann ausreichen, um dessen Leistung zu beeinträchtigen.
Ein unter idealen Bedingungen gemessener Wert aus dem Datenblatt stellt einen Höchstwert dar und entspricht nicht den Werten, die Sie in der Praxis erwarten können. Betrachten Sie ihn als den bestmöglichen Fall und planen Sie Ihre Konstruktion für die Bedingungen, unter denen das Gerät tatsächlich zum Einsatz kommen wird.
Fehler 3: Auswahl der falschen Hardwareklasse
Nicht alle GNSS-Empfänger sind für denselben Einsatzzweck konzipiert. Es gibt verschiedene Empfängerkategorien, und je nachdem, wofür sie entwickelt wurden, weisen sie tatsächlich unterschiedliche Leistungsmerkmale auf.
Beispielsweise kommen bei Vermessungsgeräten speziell hochmoderne und teure Empfänger und Antennen zum Einsatz, um Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Ein Wearable hingegen nutzt Komponenten aus einer völlig anderen Kategorie. Beides ist nicht falsch; sie sind für unterschiedliche Anforderungen konzipiert. Der Fehler besteht darin, für die jeweilige Anwendung auf die falsche Kategorie zurückzugreifen und erst später festzustellen, dass die erforderliche Präzision fehlt.
Es geht auch über die Stückliste hinaus. Einige Empfänger verfügen über ausgefeilte Ortungssoftware und eine umfassende IMU-Integration, die auch mit schwierigen Umgebungen gut zurechtkommt; andere hingegen nicht. Eine Umgebung mit starken Mehrwegausbreitungen wird sie schnell voneinander unterscheiden, und „Mehrwegausbreitung“ ist kein einheitliches Phänomen: Es gibt verschiedene Arten von Mehrwegausbreitung. Signale, die unter Sträuchern gestreut werden, stellen ein völlig anderes Problem dar als Signale, die in der Innenstadt von San Francisco von Glas reflektiert werden.
Legen Sie die benötigte Kategorie frühzeitig fest – und zwar anhand der Genauigkeit und Zuverlässigkeit, die die Anwendung erfordert, und nicht danach, was Ihnen zunächst vertraut oder kostengünstig erscheint.
Fehler 4: Die Antenne unterschätzen
Sie würden sich wundern, wie oft gerade die Antenne der Grund dafür ist, dass ein System keine zentimetergenaue Positionsbestimmung erreicht.
Das beobachten wir ständig bei Live-Vorführungen. Wir bringen einen einfachen Testaufbau zum Kunden – einen Empfänger und eine Antenne – und zeigen zunächst eine zentimetergenaue Positionsbestimmung. Sobald wir die Antenne dann am eigentlichen Roboter montieren, verschwindet das GPS-Signal, weil es innerhalb der Plattform zu viele HF-Störungen durch Bluetooth, Mobilfunk und all die anderen darin verbauten Komponenten gibt. Sobald man die Antenne vom Roboter wegbewegt, ist die zentimetergenaue Positionsbestimmung sofort wieder da.
Die entscheidenden Faktoren bei der Auswahl einer Antenne: Typ und Größe, die unterstützten Frequenzbänder (sie muss alle Frequenzbänder abdecken, die Ihr Empfänger nutzt) sowie ihre physische Position im Verhältnis zu den übrigen elektronischen Bauteilen. Die gute Nachricht ist, dass Sie all dies testen können, bevor Sie überhaupt mit dem Layout einer Leiterplatte beginnen.
Modulare Hardware auf dem Prüfstand deckt Antennen- und HF-Störungsprobleme kostengünstig und iterativ auf – genau diese Art der frühzeitigen, kostengünstigen Validierung ist der Zweck der Entwurfsphasen auf der „linken Seite“ des V-Modells für die Lokalisierung.
Fehler 5: Auswahl einer IMU, die die Lücke nicht überbrücken kann
Die Preisspanne bei IMUs (Inertial Measurement Units) ist enorm und reicht von wenigen Dollar bis zu Zehntausenden, Hunderttausenden oder sogar mehreren Hunderttausend Dollar (oder mehr!). Die entscheidende Spezifikation ist in der Regel nicht die angegebene Genauigkeit, sondern die Frage, wie lange die IMU Sie noch führen kann, wenn die GNSS-Verbindung ausfällt.
Einfachere IMUs in einer gekoppelten GNSS/IMU-Lösung sind oft für eine Navigationsdauer von zehn bis dreißig Sekunden ausgelegt. Das kann ausreichend sein. Je länger eine einfache IMU jedoch auf sich allein gestellt navigieren muss, desto schlechter wird Ihre Lösung. Wenn Sie unter einem Parkhaus über einen längeren Zeitraum navigieren müssen, benötigen Sie eine hochwertigere IMU oder andere Sensoren (Raddrehzahlsensoren, Kameras), die in die Sensorfusion einfließen, um dies auszugleichen.
Auch hier gibt es verschiedene Optionen hinsichtlich der Ausführung. Ein integriertes Modul mit eingebauter IMU ist eine out-of-the-box verfügbare, allgemeine Inertiallösung. Sie funktioniert, und wenn das GPS ausfällt, ist sie besser als gar nichts. Eine allgemeine Lösung ist jedoch nicht auf Ihre Plattform abgestimmt. Bei neuen oder anspruchsvollen Plattformen wird ein maßgeschneiderter Ansatz mit der richtigen IMU und einer Positionierungs-Engine, die Ihre Dynamik modelliert, bessere Ergebnisse liefern.
Entscheiden Sie sich danach, was Sie im Falle eines Ausfalls im schlimmsten Fall benötigen, und nicht danach, was sich am einfachsten integrieren ließ.
Fehler 6: Davon ausgehen, dass das Netzwerk immer verfügbar ist
Man vergisst leicht, dass die Welt nicht deine Testumgebung ist. Hier in den USA gibt es immer noch nennenswerte Funklöcher; in Europa sieht es zwar besser aus, aber die Lücken sind real, und sie werden selten bei der Planung berücksichtigt.
Die Mathematik lässt keine Ausnahmen zu. Wenn eine Genauigkeit von einem Zentimeter in 99,9 % der Fälle gefordert ist, reicht bereits ein Mobilfunkausfall von 0,1 % während der Fahrt aus, um diese Anforderung sofort zu verfehlen. Die Lösung besteht in der Regel nicht darin, jede Funklücke zu beseitigen, sondern darin, die Auswirkungen zu verstehen und entsprechend zu programmieren.
Wenn die Korrekturdaten zehn Sekunden lang ausfallen, driftet eine ausgereifte RTK-Engine nicht von der Karte ab; sie verliert lediglich ein wenig an Genauigkeit und findet dann wieder zurück. Dieses elegante Verhalten ist eine Designentscheidung, die man frühzeitig trifft – und keine Überraschung, die man erst im Betrieb entdeckt.
Der Parkplatz-Test
Tests unter freiem Himmel sind ein guter Ausgangspunkt. Sie sind vorhersehbar und bestätigen, dass das System grundsätzlich funktioniert. Die Gefahr besteht darin, sie zur Validierungsgrundlage zu machen, denn der Test unter freiem Himmel entspricht nahezu dem besten Fall, den Ihr System jemals erleben wird. Man stützt sich kaum auf die anderen Sensoren, da die GPS-Daten so reichlich vorhanden sind, die Leistung hervorragend aussieht und man das Gefühl hat, fertig zu sein.
Dann gelangt das Produkt in Vorstadtstraßen, an Laderampen, in Baumreihen und in städtische Schluchten, und die Zahlen stimmen nicht mehr. Die Zahlen für Parkplätze sind nicht Ihre Planungsgrundlage.
Was wir schon früh fordern, ist ein Testplan, der repräsentativ dafür ist, wie sich das System in der Praxis tatsächlich verhalten wird – und der in Ihren anspruchsvollsten Umgebungen vor der DVT durchgeführt wird, nicht danach. Überprüfen Sie, wo Sie Erfolg haben müssen, und nicht dort, wo Sie wissen, dass Sie Erfolg haben werden.
Bei allen sechs häufigsten Fehlern zeigt sich dasselbe Muster...
Das sind keine isolierten Probleme, für die es isolierte Lösungen gibt. Wie wir bereits oben in unserer Diskussion zum Entwurf des Lokalisierungssystems dargelegt haben: Ein System, das zwar über alle richtigen Komponenten verfügt, aber falsch konfiguriert oder in der falschen Umgebung getestet wird, wird dennoch nicht funktionieren. Es handelt sich um ein Zusammenspiel der Systemkomponenten. Der Empfänger, die Antenne, die IMU, die Korrekturen und die Umgebung bestimmen gemeinsam das Ergebnis.
Genau darin liegt der Sinn der Entwicklung von Methoden des Rapid Prototyping und der Iteration auf der „linken Seite des V-Modells“. Wenn man diese Wechselwirkungen frühzeitig mit repräsentativer Hardware unter repräsentativen Bedingungen aufdeckt, kostet das lediglich ein kurzes Gespräch. Treten sie hingegen erst bei der DVT oder in der Produktion zutage, verursachen sie Kosten für eine Neukonstruktion.
Im nächsten Beitrag werden wir uns mit dem Discovery-Prozess befassen, den wir im Rahmen von Catalyst gemeinsam mit unseren Kunden durchlaufen: Wie wir von einer leeren Seite zu zwei oder drei Referenzarchitekturen gelangen, die parallel validiert werden können, sodass diese Fehler erkannt werden, bevor eine Entscheidung über die Hardware getroffen wird.
Wenn Sie sich noch in einer frühen Phase der Konzeption eines Lokalisierungssystems befinden und eine zweite Meinung einholen möchten, bevor Sie sich auf eine Architektur festlegen, könnte das für uns ein sehr fruchtbares Gespräch werden.
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Häufige Fragen
Was sind die häufigsten Fehler bei der Auslegung von GNSS-Ortungssystemen?
Die sechs häufigsten Fehler sind: eine zu vage Definition der Genauigkeit, das Übernehmen von Spezifikationen aus dem Datenblatt des Empfängers in die Anforderungen, die Wahl einer für die Anwendung ungeeigneten Empfängerklasse, die Unterschätzung der Antenne und ihrer HF-Umgebung, die Auswahl einer IMU, die bei Ausfällen nicht lange genug per Koppelnavigation navigieren kann, sowie die Annahme, dass überall Mobilfunkempfang vorhanden ist. Eine Validierung ausschließlich unter freiem Himmel verschleiert all diese Fehler.
Warum stimmen die in den Datenblättern angegebenen RTK-Genauigkeitswerte nicht mit der tatsächlichen Leistung überein?
Die in den technischen Daten angegebenen Werte wie „1 cm + 1 ppm“ werden unter idealen Bedingungen gemessen: unter freiem Himmel, bei kurzer Basislinie zur Basisstation und ohne Störungen. In der Praxis weisen Plattformen jedoch Hindernisse und interne HF-Störungen durch ihre eigene Elektronik auf, sodass die Leistung im Einsatz fast immer schlechter ist als die in den technischen Daten angegebene Obergrenze.
Wie lange kann ein GNSS/IMU-System ohne Signal nach dem Prinzip der Koppelnavigation navigieren?
Das hängt von der IMU ab. Kostengünstigere IMUs in einer gekoppelten Lösung sind in der Regel für eine Navigationsdauer von zehn bis dreißig Sekunden ausgelegt, bevor Abweichungen die Genauigkeit der Lösung beeinträchtigen. Anwendungen, die länger ohne GNSS auskommen müssen (beispielsweise unter einem Parkhaus), erfordern eine hochwertigere IMU oder zusätzliche Sensoren wie Raddrehzahlsensoren oder Kameradaten.
Warum hat die Position der Antenne einen so großen Einfluss auf die GNSS-Genauigkeit?
Die Antenne ist der Eingangspunkt für das Signal, und moderne Plattformen erzeugen intern erhebliche HF-Störungen durch Mobilfunk, Bluetooth und Rechenvorgänge. Eine Antenne, die sich innerhalb dieses Störungsbereichs befindet, kann den Signalempfang vollständig verlieren, selbst wenn der Empfänger eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erreicht. Außerdem muss die Bandabdeckung der Antenne mit den Bändern des Empfängers übereinstimmen. Beides lässt sich vor dem Leiterplattenlayout mit modularer Hardware testen.
Was passiert mit RTK, wenn die Mobilfunkverbindung unterbrochen wird?
Eine gut konzipierte RTK-Engine verliert ihre Position nicht sofort, wenn die Korrekturen ausbleiben. Bei einem kurzen Ausfall verliert sie nur geringfügig an Genauigkeit und stellt diese wieder her, sobald die Verbindung wiederhergestellt ist. Entscheidend ist, dieses Verhalten bereits im Vorfeld einzuplanen, da selbst kurze Ausfälle dazu führen können, dass strenge Verfügbarkeitsanforderungen (wie beispielsweise eine Genauigkeit von einem Zentimeter in 99,9 % der Fälle) nicht erfüllt werden.