Onderwerp: Idee voor een low budget Heading sensor/GPS kompas

3Noreen schreef :
Daar heb je geen twee antennes voor nodig: researchbank.rmit.edu.au/eserv...:133/n2006000196.pdf

Als je van ten minste 4 satellieten de versnelling tov jezelf bepaalt dan heb je ook je eigen versnelling.

Er wordt hier een hoop gespeculeerd.

Even wat theorie. Je moet eerst duidelijk zijn over wat je wilt weten. is dat locatie, snelheid, richting, draaisnelheid. Vervolgens is het goed te beseffen dat dit alles in een 3 dimensionale ruimte uitgedrukt wordt. locatie omvat dus ook hoogte.
Dan de verschillende sensoren. Een GPS meet alleen locatie. Alle andere informatie die Een GPS kan geven wordt hiervan afgeleid, nl door te differentiëren over tijd. Dwz, wanneer je twee metingen hebt en het tijdverschil tussen deze metingen kent dan kan je daar snelheid en richting uit afleiden. Heb je twee snelheden op verschillende tijdstippen dan kan je daar ook versnelling uit afleiden.
Een digitale gyro meet draaisnelheid. Andere informatie kan hieruit worden afgeleid door te integreren over de tijd. Dwz, wanneer je weet hoelang een gyro met een bepaalde snelheid roteert dan kan je daar de richting uit afleiden (aangenomen dat je de beginstand kent).
Een digitale versnellingsmeter meet versnelling. Daar kan je dmv integratie snelheid uit afleiden, door nogmaals te integreren kom je op positie.
Een digitaal compas meet de sterkte van het (aard)magnetisch veld over 3 assen. Uit de verhouding van de gemeten sterktes over de drie assen kan de richting van het veld worden berekend. Dmv differentiatie kan daaruit de draaisnelheid worden afgeleid.

-zijn jullie er nog?-

Je ziet dus twee dingen. De verschillende sensoren meten verschillende grootheden. Die door differentiatie of integratie sommige grootheden tot elkaar herleid kunnen worden. Verder zie je dat een GPS en een digitaal compass absolute informatie geven over positie e richting, de versnellingsmeter en de gyro geven alleen relatieve informatie (je moet een beginstand kennen om dit absoluut te maken).

Verder heeft iedere sensor last van zijn omgeving, elk op een andere manier. Een GPS kan last hebben van onvindbare satellieten, een compass van metaal, een gyro van temperatuurverschillen een versnellingsmeter van de zwaartekracht. elke sensor heeft bovendien last van afwijkingen en een onzekerheidsmarge in de meting.

Je kan de informatie van de verschillende sensoren met elkaar combineren, zodat je de zwakke punten van elk afzonderlijk type kan opheffen. Je kan tevens daardoor de omvang van afwijking van elke sensor inschatten en de onzekerheidsmarge verkleinen. Deze techniek wordt in zijn algemeenheid sensor fusion genoemd. Een van de meest gebruikte methoden om dit te doen is dmv een extended Kalman filter. Daarin is ook ruimte om de sensoren redundant uit te voeren en zo tot een nog lagere onzekerheidsmarge te komen. Wil je dit goed dan dan heb je een stevige statistische achtergrond nodig om eea te modelleren. Het programmeren stelt niet veel voor.

De prijs, qualiteit, stroomverbruik, en omvang van de bovengenoemde sensoren is de laatste jaren spectaculair gedaald. mede door de opkomst van smartphons en game controllers. Ik denk dat elk van de bovengenoemde sensoren nu als kale chip voor 3-10 euro is te krijgen (consumentenprijs). We hebben het dan wel over hobby kwaliteit, automotive kwaliteit staat daarboven, daarvan ken ik de prijzen niet.

Er zijn diverse initiatieven door hobbyisten om goede systemen te ontwikkelenVoor bepaling van plaats, richting en snelheid, met name in de hoek van hobby drones en ander zelfstandig vliegend speelgoed. De resultaten zijn goed. Of ze eenvoudig zijn te vertalen naar een zeilomgeving weet ik niet. Daar komen heel andere aspecten om de hoek kijken zoals een vijandige omgeving en lange continue looptijden.

Ik denk eerlijk gezegd wel dat het mogelijk moet zijn om veel minder dan de huidige prijzen dergelijke systemen aan te bieden. Alleen denk ik dat dat zal moeten komen van nieuwkomers op de markt met een ander businessmodel. Het is nl erg vervelend als je elk jaar je dealernetwerk moet melden dat de nieuwe uitvoering van je spullen twee maal zo klein, zuinig, nauwkeurig en goedkoop is. Dan komt men nooit van zijn voorraad af.

O ja phaseverschuivingen en twee antennes, daar geloof ik niet in. Dan moet je tegen de snelheid van het licht opmeten en heb je e maken met zaken als kabellengte etc. Ik denk eerder dat wat in de zeilwereld een GPS antenne wordt genoemd in werkelijkheid een GPS sensor is. En ja, met twee sensoren kan je dmv differentiëren ook de draaisnelheid afleiden.

Aswin schreef :
Zeker een prima verhaal. Wel twee kanttekeningen over beide bovenstaande quotes:

Er zijn ook GPS ontvangers die door het doppler effect de snelheid bepalen, en niet (alleen) door differentiatie van de positie. Het gebruik van het dopler effect maakt de snelheidsindicatie momentaan en ongeveer een factor 5 nauwkeuriger dan door differentiatie van de positie.

Een GPS ontnanger bepaalt aan de hand van de weglengtes van de signalen tussen satellieten en ontvanger de positie, gegeven de positie van de satellieten, dat gebeurt op basis van de lichtsnelheid via slimme trucs in het satellietsignaal. Dus denk ik dat één ontvanger zeker in staat is het faseverschil tussen twee ontvangstantennes te bepalen. (Zie ook het door mij aangehaalde artikel). Maar met twee ontvangers met ieder een eigen antenne gaat je dat niet lukken.

roelb schreef :
Je opmerking klopt t.a.v. het bepalen van de snelheid met behulp van 1 antenne. In zekere mate kun je ook wel de richting bepalen. Maar om aan de vereiste nauwkeurigheid voor de richting te komen zul je het signaal van 1 satelliet en 2 antennes nodig hebben. Als je met 1 antenne en meerdere satellieten je richting wilt bepalen kom je de onnauwkeurigheid van het gps systeem tegen. Wat voornamelijk bepaalt wordt doordat de verschillende satellieten het signaal door verschillende delen van de dampkring zend.

en je moet dan voor het faseverschil te bepalen in de software van de gps ontvanger zelf moeten kunnen ontwikkelen. Via de nmea uitgang gaat m niet worden.
Dus dat is al helemaal ondoenlijk.

hoeveel regels software gaat het ongeveer worden, mannen?
bedenk dat in een moderne auto al meer software zit dan in de INGbank!

ff semi-offtopic ...

Wat jullie gedeeltelijk willen, heeft raymarine toch al voor elkaar met de EV-1 ?

Schaamteloze copypasta van www.raymarine-navigatie.nl :

Raymarine EV-1 solid state kompas sensor

Het grote verschil met de voorganger is het gebruik van een solid state kompas. Dus geen fluxgate meer maar een kompas zonder bewegende delen. Het is een kompas, met een X-Y-Z versnellingsopnemer en een X-Y-Z gyro hoekopnemer. Het grote voordeel van meerder X-Y-Z opnemers is dat je de stand van het schip (en dus de gever) exact in de gaten kan houden. Op deze manier kan je heel precies de koers berekenen als het schip in een golf duikt, dan kan je de kompassignalen vrij eenvoudig berekenen met de hoek waar de gever nu zit. Raymarine claimt gebruik te maken een 9-assige sensor te gebruiken, namelijk:

3-axis digitaal accelerometer
3-axis digitaal kompas
3-axis digitaal gyro hoek versnellings-sensor

Het zelfde zit in een Wii-mote motion plus, richting, en versnelling worden gemeten, hiermee kan je heel nauwkeurig de stand van de remote berekenen ten opzichte van het magnetisch veld van de aarde, dus kan je het bewegen van het schip opheffen. Door deze techniek te gebruiken is het niet meer nodig om de sensor te kalibreren.

*****

Qua onderdelen hoeft dit natuurlijk weinig te kosten, beetje shoppen op e-bay, en je hebt voor een arduino de betreffende sensoren zo bij elkaar gesprokkeld voor weinig. De code wordt echter een ander verhaal.

Ik ben ook wel geïnteresseerd, gezien ik 2 Fluxgate kompassen heb, een VDO unit die ik niet meer gebruik wegens overstap naar Raymarine, en een nog niet ingebouwde Raymarine unit. Op m'n ST40 display laat ik momenteel echter de GPS koers zien ( via een Gadgetpool NMEA-Seatalk bridge ), en dat is vooral bij lage snelheden niet zo heel accuraat, dus wil graag ook weer een echt kompas.

gr
JPD

Voor 12 euro heb je al een LSM303DLH Digital 3D Compass and Accelerometer Module te pakken, kan zo op een willekeurige arduino en de code bestaat ook al :

Het opgegeven Ebay item id is ongeldig, controleer de id nummer.

Gyro erbij :

Het opgegeven Ebay item id is ongeldig, controleer de id nummer.

JPD schreef : Met 'gyro hoek versnellings-sensor' zullen ze wel een guro hoeksnelheidsmeter nedoelen. Want hoekversnellingsopnemers ken ik niet, ook niet erg nuttig.

Met de accelorometers en de hoeksnelheidmeters kan je (bijna) een INS maken, dus positie en stand. Voor een absolute positie zou je dan nog een referentie positiesensor of invoer nodig hebben. Die zit er niet bij. Dus dan blijft stand in de ruimte over (of te wel een gyrokompas en attitude indicator, ook nog wel een bochtaanwijzer).
Referentie daarvoor zijn dan:
- de versnellingsopnemers voor de zwaartekracht (tbv de attitude indicator)
- het magnetisch kompas voor de richting (gyro compass)
Je referentie is dus het magnetisch noorden en het kompas geeft dan ook je magnetisch heading, niet je true heading. Wil je je true heading weten dan heb je dus ook de lokale variatie nodig, b.v. uit je GPS, of met de ahnd invoeren.
Deze referenties worden gebruikt om de waarden die gegeven worden door hoeksnelheidsensor (geintegreerde warade daarvan) langzaam volgend te corrigeren.

Ik denk dat ik hier eens een winterprojectje van maak.
Misschien inderdaad met wat JPD aangaf
www.st.com/web/catalog/sense_p...FM89/SC1288/PF252443
De achterliggende formules zijn niet zo heel moeilijk te programmeren en er is blijkbaar voorbeeld software. Ik vermoed dat de hoeveelheid software voor de userinterface groter is dan voor het principe zelf.

JPD schreef :
Goed, ik koop dat spul, wie wil het bij wijze van forumexperiment in elkaar zetten? Ben benieuwd of hier een werkend kompasje uitkomt rollen...

(Ben alleen bang dat ik nu te kort door de bocht denk ?!)

Noorderzon schreef :
Wil het wel proberen dus!
Moet alleen nog nadenken of ik dat op een Arduino of RaspPi wil doen. Bij RaspPi is de userinterface waarschijnlijk gelikter te maken.

Het vervelende alleen van solid state kompassen (als referentie) is dat je die ook weer moet kalibreren door regelmatig rondjes te draaien. Dat vind ik dan weer minder mooi dan b.v. een fluxgate of GPS richting.

WindVector schreef :
Ik moet wel zeggen dat ik totaal geen verstand van de techniek heb, ik ben vooral geïnteresseerd in het product en dat het gewoon mogelijk zou zijn. Maar even voor mijn duidelijkheid: het zou dan toch een GPS kompasje worden? Of begrijp ik iets verkeerd?

Maar als er iemand of meerderen dit zien zitten om te bouwen wil ik op deze manier de aanzet geven.

Wat zou er gebeuren als je die EV-1 (via een bridge want Seatalk NG) op een oude ST4000 of ST5000 aansluit? Zou die dan ook veel en veel beter gaan sturen? Of is het gemis van een gyro in de koerscomputer en het gemis aan zelflerende software daar te groot voor?

Ik heb voor mijn RM SPX-5 een airmar "rategyro" kompas via NMEA2000 en daarop stuurt ie heeel veel beter dan met het simpele fluxgate ding wat standaard is: een wereld van verschil.
Daarbij wordt door de grote precisie en hogere snelheid de schijnbare wind veel beter berekend, waardoor sturen op windrichting wanneer gewenst veel beter gaat.
Daarbij komt nog het voordeel dat de ais op m'n netwerk veeel precieser de andere schepen weergeeft voor wat betreft de CPA; vergelijk met de eisen die aan een goede werking voor ARPA gesteld worden

@ WindVector, ik zou het gewoon op een Arduino Uno evt met sensorshield drukken, de code is reeds bekend.

Wat voor interface zou je willen ? eigenlijk wil je toch gewoon NMEA output ?

JPD schreef :
Ja ik denk dat de interfacing van die bordjes met de Arduino het makkelijkst is.
Dan eerst gewoon de gemeten en berekende getalletjes laten uitspugen. Daarna dat vertalen in NMEA.
Een fancy interface, met een roterende kompas kaart (naar keuze true of magnetic), een bochtaanwijzer en een attitude indicator (dan ook de versnellingsopnemer nodig) kan dan eventueel later op PC of RaspPi.

Ik lees NMEA uit op een ST40 display en op m'n laptop scherm ( OpenCPN met NMEA plugin ) daar heb je dan inderdaad fancy metertjes

Weergave moet je niets aan willen ontwikkelen, daar is al genoeg voor. Denk alleen al aan NavmonPC, Tactictool en OpenCPN. Kunnen allemaal NMEA-data op allerlei manieren visualiseren.

Zie eerst maar eens een NMEA-signaal te krijgen dat betrouwbaar is, die uitdaging lijkt me meer dan groot genoeg.

Mocht je verder nog wat willen ontwikkelen daarna, dan lijkt een persoonlijk aan te passen stuurautomaat met zeer veel instelopties de eerste gegadigde. Het is natuurlijk erg leuk om op je boord-PC je stuurautomaat heel uitgebreid te kunnen leren sturen zoals jij dat wilt..

FMJ schreef : Mee eens. Bovendien kunnen veel stuurcomputers prima uit de voeten met alleen maar een NMEA input.

Resumerend heb je 3 mogelijke opties voor een snelle en accurate heading sensor. Die met minimaal 10Hz NMEA heading uitspuugt

A. Een echte gyro. Een draaiende tol die zich richt naar de draaiende as van de aarde. Over het algemeen duur, groot en veel stroom, niet erg praktisch voor een jacht. Wel een heel "schone" uitlezing.

B. Via gps satellieten en minimaal 2 antennes. Daarvoor moet je de interne software van de gps chip weten te vervangen. Niet erg makkelijk daar die goed beveiligd is zodat er geen geleide wapens mee aangestuurd kunnen worden. Als het lukt wel een behoorlijk "schone" uitlezing.

C. Een vorm van magnetisch kompas via een fluxgate. Om de behoorlijk "vuile" uitlezing op te schonen gekoppeld aan een 3d sensor. Mijns inziens de best haalbare optie. En al behoorlijk wat van bekend. Wat nog wel ontbreekt is real time.

Hier een voorbeeldje van een door mij zelf gemaakt gyro compas met eigen geschreven software. Je moet wel even goed kijken.


Kost toch wel wat avonden om zoiets goed te krijgen.

As je zelf iets wilt maken zou ik voor arduino gaan met een imu shield. Evt aangevuld met een GPS. De software liberalisering bestaan al.

Is dat liberalised library?

3Noreen schreef :
Bij optie A hoort dan dat die wordt geslaved met een magnetische of GPS. Anders heb je na een uur varen mogelijk een fout van 15 graden. Een gyro richt zich immers niet vanzelf naar de aardas(!), maar behoudt zijn stand in de ruimte, onafhankelijk van de aardas.

Er is dus nog een optie D:
Een solid state gyro (hoeksnelheid sensor) geslaved met een magnetisch kompas (b.v. een fluxgate) en/of een GPS uitlezing.

Daar wil ik dus naar kijken. Ik begrijp dus dat er met 10 Hz NMEA richtings data moet zijn, iedereen mee eens?
Als je de juiste getallen hebt dan is het daarna niet zo moeilijk om er een NMEA string van te maken.

Persoonlijk heb ik ook andere doelen met zo'n systeem dan voor het varen, vandaar dat ik dacht aan een fancy interface. Maar dat is inderdaad voor op een boot niet nodig.

Als je bovenstaande als losstaande module kunt maken, dan kun je die natuurlijk altijd nog koppelen aan een RPI of andere hardware, als het werkt is het mooi multifunctioneel dingetje...

Zou zelfs een leuke uitbreidings module voor de SYM zijn ofzo ...

Ik twijfelde over de aanschaf van zo'n NASA marine NMEA kompasje, of een Raymarine display om m'n raymarine fluxgate uit te lezen en om te zetten naar SEATALK/NMEA, maar bovenstaande solidstatecompass vind ik eigenlijk veel interessanter en leuker.

Bovendien heb ik een redelijk deel van de zaken al in huis.

JPD schreef :
Waar koop je die sensor shield (dat tussenprintje) het best?