Cos’è il GNSS e come funziona
Un Global Navigation Satellite System (GNSS), di cui il GPS (Global Positioning System) è la più conosciuta implementazione, è un componente fondamentale per la stima della posizione e la navigazione outdoor dei veicoli autonomi e della robotica. GNSS per veicoli autonomi e robotica utilizza il principio della trilaterazione spaziale e una costellazione di satelliti per determinare la posizione assoluta di un oggetto sul pianeta. Ciascun satellite trasmette segnali radio a frequenze diverse contenenti dati di navigazione, i parametri orbitali ed un timestamp ad alta precisione.
Il ricevitore a terra misura il tempo che il segnale impiega per arrivare da ogni satellite e calcola così uno pseudorange da ciascuno di essi. La distanza del ricevitore dal ogni singolo satellite può essere scritta nel modo seguente
dove:
- (x, y, z) sono le coordinate del ricevitore
- (xs, ys, zs) sono le coordinate del satellite al momento della trasmissione del segnale
- c è la velocità della luce
- 𝛅t è l’errore di clock del ricevitore
Per risolvere le quattro incognite del problema – le coordinate spaziali (x, y, z) e il bias temporale del ricevitore (𝛅t) – è necessaria l’acquisizione di segnali da un minimo di quattro satelliti. La precisione della stima è influenzata da vari fattori di errore, come ritardi ionosferici e troposferici, errori orbitali e di clock dei satelliti, e il multipath.
Tecnologie di correzione GNSS per alta precisione
Per superare i limiti intrinseci dei GNSS, la robotica moderna si affida a un ecosistema di tecnologie di correzione e alla fusione intelligente con altri sensori, trasformando dati imprecisi in una stima della posa robusta e affidabile.
Multi-costellazione (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou)
Per migliorare le prestazioni di un sistema basato su GNSS l’integrazione di costellazioni diverse è cruciale: i ricevitori multi-costellazione aumentano il numero di satelliti visibili, migliorando significativamente la disponibilità, l’integrità e la continuità della soluzione di posizionamento.Le costellazioni globali attive ad oggi oltre al GPS (USA) sono: Galileo (Europa), GLONASS (Russia) e BeiDou (Cina)
Sistemi SBAS (EGNOS, WAAS)
I Sistemi di correzione basati su satellite (SBAS – Satellite-Based Augmentation System), come l’europeo EGNOS o l’americano WAAS, rappresentano un primo livello di correzione degli errori. Una rete di stazioni a terra, la cui posizione è nota con esattezza, calcola gli errori atmosferici e orbitali in tempo reale. Queste correzioni vengono trasmesse ai satelliti che le inviano a loro volta verso i ricevitori.
RTK GNSS per precisione centimetrica
Per ottenere una precisione centimetrica, la tecnologia di riferimento è il Real-Time Kinematic (RTK). Questo approccio utilizza una stazione base locale posta su un punto noto, che invia le correzioni dei segnali satellitari direttamente al ricevitore sul robot, tipicamente via radio. Per evitare di dover installare una propria stazione base, si può ricorrere a servizi NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol). Questi servizi trasmettono via internet le correzioni provenienti da una rete di stazioni di riferimento permanenti.
Infine è possibile ricorrere alla sensor-fusion, in modo da compensare la bassa frequenza di aggiornamento e le interruzioni di segnale del GNSS. I principali dati utilizzati in fusione con un GNSS sono quelli inerziale (prodotti da una IMU – Inertial Measurements Unit) oppure velocità, ricavate generalmente da odometria, LiDAR e Camere.
Tra gli algoritmi il più diffuso è il Filtro di Kalman, incluse le sue varianti (ad esempio EKF e UKF). Possono essere utilizzati anche Filtri a Particelle oppure metodi di ottimizzazione basati su grafi.
Sensor Fusion per robot e veicoli autonomi
Il ricevitore GNSS agisce come sensore di posizione assoluta. Si ricorre al suo impiego praticamente su qualunque mezzo outdoor di cui si vuole conoscere la posizione e in spazi comunque con il cielo libero. Il suo impiego spazia dai veicoli autonomi terrestri per applicazioni di logistica, agricoltura di precisione, auto a guida autonoma ecc., ai droni aerei e marini.
Sofisticati algoritmi integrati nel ricevitore GNSS, sono in grado di fornire stime della velocità e della direzione del moto del veicolo.
Esistono infine ricevitori in grado di gestire contemporaneamente più antenne, permettendo di determinare l’assetto del veicolo anche con veicolo fermo. Un sistema a doppia antenna è infatti sufficiente per misurare con precisione l’heading di un veicolo. Attraverso l’utilizzo di tre antenne con posizione nota sul veicolo, il sistema consente addirittura di calcolare l’assetto completo del veicolo.
L’applicazione di questi sensori varia notevolmente in funzione dell’ambiente operativo e del livello di precisione richiesta.
Agricoltura di precisione con RTK GNSS
In agricoltura, il GNSS, quasi sempre in configurazione RTK per una precisione centimetrica, è il cuore della guida automatica di trattori e mietitrebbie. Permette di creare percorsi ottimizzati per la semina, la fertilizzazione e il raccolto, riducendo le sovrapposizioni, risparmiando carburante, sementi e prodotti chimici. I droni agricoli utilizzano il GNSS anche per mappare lo stato di salute delle colture e per effettuare irrorazioni mirate solo dove necessario, massimizzando l’efficienza e minimizzando l’impatto ambientale.
Logistica autonoma e robot di magazzino
Nella logistica, il GNSS è fondamentale per la gestione dei piazzali. Camion autonomi e carrelli per la movimentazione di container si affidano al GNSS per navigare in ampi spazi aperti. Nella logistica di magazzino, i robot mobili autonomi (AMR) lo usano per le transizioni tra aree interne ed esterne. I robot per le consegne dell’ultimo miglio navigano sui marciapiedi cittadini usando il GNSS come spina dorsale del loro sistema di localizzazione, spesso fuso con altri sensori per gestire le difficili condizioni dei canyon urbani.
UAV (droni aerei) e navigazione a waypoint
Per i droni aerei il GNSS è essenziale per la navigazione a waypoint, che costituisce la base della maggior parte delle missioni automatiche: dalla fotogrammetria e ispezione di infrastrutture (linee elettriche, pale eoliche), al monitoraggio ambientale e alle operazioni di ricerca e soccorso. Inoltre, è cruciale per la georeferenziazione dei dati raccolti (ad esempio, associare coordinate precise a ogni foto scattata) e per implementare funzioni di sicurezza come il Return-to-Home automatico in caso di perdita di segnale o batteria scarica.
USV (droni marini) e AUV (sottomarini autonomi)
I droni di superficie (USV – Unmanned Surface Vehicle) utilizzano il GNSS per seguire rotte precise durante operazioni di mappatura dei fondali (batimetria), monitoraggio della qualità dell’acqua o sorveglianza. Per i droni sottomarini (AUV – Autonomous Underwater Vehicle), che non possono ricevere segnali GNSS sott’acqua, il sistema ha un ruolo diverso: l’AUV naviga sott’acqua usando sistemi inerziali (INS), che accumulano un errore nel tempo. Periodicamente, il veicolo emerge per ottenere un fix GNSS in superficie, correggendo così la deriva accumulata e resettando la sua posizione prima di immergersi di nuovo.
Sfide reali e problemi comuni
Molti dei veicoli robotizzati da Aitronik nel corso degli anni integrano a bordo un dispositivo GNSS. Il vasto numero di componenti commerciali testati e integrati ci ha portato a sperimentare — e successivamente risolvere — diverse criticità legate all’uso di antenne GNSS, ricevitori e alla loro integrazione su robot mobili.
Multipath e perdita di segnale in ambiente urbano
Una delle prime (e memorabili) difficoltà riguardava forti disturbi nella stima della posizione di un robot impiegato in scenari outdoor. Nonostante l’ottima visibilità dei satelliti, la localizzazione risultava imprecisa e, a tratti, completamente assente. Sul robot era montata una delle classiche telecamere utilizzate in ambito robotico, collegata tramite una porta USB3, il cui connettore si trovava a pochi centimetri dall’antenna GNSS.
Interferenze elettromagnetiche e schermatura antenne GNSS
Dopo vari tentativi per identificare la causa del problema, si è scoperto che l’origine era l’interferenza elettromagnetica generata dal connettore USB3. Questo fenomeno è ben noto per quanto riguarda molti dispositivi wireless, ma meno frequentemente associato alle bande GNSS, pur avendo effetti altrettanto significativi.
Casi studio e soluzioni adottate da Aitronik
Il problema è stato definitivamente risolto aumentando la distanza tra il connettore USB3 e l’antenna GNSS, posizionando quest’ultima a circa 1,5 metri di distanza.
In molti casi, la presenza di una schermatura realizzata con materiale conduttore posta sotto l’antenna aiuta nella risoluzione di problemi di natura elettromagnetica relativi alla ricezione dei segnali GNSS. L’esperienza in Aitronik suggerisce che -in generale- la qualità di ricezione trae vantaggio dalla schermatura. Normalmente di forma circolare, uno schermo (spesso chiamato piano di massa) di raggio di 6-7cm consente di ridurre notevolmente i disturbi sul segnale “utile”. Approfondimenti tecnici possono essere trovati qui e qui.
Ma i problemi di natura elettromagnetica non sono gli unici a presentarsi in applicazioni reali. Esistono infatti alcuni casi in cui anche configurazioni software possono essere influenti. Un caso sperimentato più volte in Aitronik è l’assenza di un protocollo di comunicazione univocamente utilizzato dai produttori di ricevitori GNSS. Nonostante il protocollo NMEA 0183 sia uno standard di comunicazione ampiamente utilizzato, molti vendor integrano le sentenze del protocollo con sentenze proprietarie, che vanno talvolta a sostituire quelle NMEA originali. Ciò crea un’incompatibilità con il parser realizzato per l’NMEA 0183, obbligando a personalizzare il software per lo specifico ricevitore utilizzato. Per evitare che ciò accada, suprattutto per centraline che dichiarano di essere compliant con tutti i modelli di ricevitori NMEA sul mercato, è bene accertarsi che il protocollo di comunicazione sia documentato dal produttore, e compreso nella sua interezza.
Filtri interni dei ricevitori e configurazioni errate
Anche la scelta del filtro implicitamente presente nei ricevitori GNSS può essere fonte di difficoltà, quando impostato nella maniera scorretta o (peggio ancora) non è stato progettato accuratamente. Il filtro, che tipicamente si trova nella forma di filtro di Kalman Esteso (EKF), può avere diverse implementazioni. Inoltre, diversi modelli che intendono fornire la stima della localizzazione fanno assunzioni diverse. Normalmente, è possibile impostare il modello che si intende utilizzare attraverso un messaggio di configurazione all’interno del ricevitore. Esistono modelli diversi utilizzabili per un ricevitore utilizzato da fermo, a piedi o su un veicolo che può muoversi ad alta velocità, migliorando in tal modo la stima della posizione.
Se impostato erroneamente, ad esempio per essere utilizzato da fermo quando invece è montato su un’automobile, il filtro potrebbe considerare le normali velocità di spostamento dell’auto come valori non ammissibili, e portare pertanto a stime di posizione completamente diverse dalla realtà.
