Un Robot alla guida - Parte 3

Aggiungiamo ancora un tassello al nostro Autopilota/Navigatore; oggi parliamo del GPS (Global Positioning System), che è ormai abbastanza noto ai più anche grazie alle diffuse applicazioni in campo "consumer", prevalentemente nel settore automobilistico ...ma non solo.

(moderno ricevitore GPS con Antenna integrata ...un francobollo!)

Più in generale, dobbiamo immaginare il GPS (sistema estremamente complesso se esaminato dal punto di vista tecnico e nelle sue varie componenti o segmenti) come uno degli elementi principali di quelle applicazioni che prendono il nome di GNSS (Global Navigation Satellite System). Vorrei rimandare, per coloro che sono interessati ad un approfondimento tecnico, la descrizione di tutti i dettagli a documenti specializzati sull'argomento. Ne esistono tanti e alla fine dell'articolo vi riporterò la mia personale bibliografia ...può esservi utile.

(mappa 3D georeferenziata del basso Lazio)

Tra i vari componenti dei sistemi GNSS, di cui il GPS fa parte, è importante ricordare che dal 1 Ottobre 2009 è attivo in Europa il servizio EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service). Tale servizio consente, mediante una complessa rete di Stazioni Terrestri e Ripetitori Satellitari Geosincroni, di implementare la cosiddetta "correzione differenziale" su scala geografica (...continentale appunto!).

In breve, possiamo riepilogare così, per punti, la recente storia del servzio di geolocalizzazione satellitare:

• Il sistema GPS fu progettato agli inizi degli anni '70 dal US-DoD (Department of Defense, Stati Uniti) e divenne pienamente operativo, anche per uso civile, nel 1994. Il grado di accuratezza, in quegli anni, era un CEP (Circle of Equiprobalility) di circa 100 metri. Contemporaneamente e per gli stessi scopi bellici, l'URSS, realizzava il sistema GLONASS, concettualmente equivalente al GPS made in USA.
• In data 1 Maggio 2000, il presidente degli Stati Uniti - Bill Clinton - decretò l'abolizione del SA (Selective Availability), un sottosistema che limitava la precisione del GPS per gli usi civili e, pertanto, il CEP passò da 100 m a 10-15 m.
• In data 1 Ottobre 2009, l'Agenzia Spaziale Europea (ESA) iniziò la diffusione pubblica dell'Overlay EGNOS, portando il CEP a circa 2 m. (Nota: EGNOS è l'equivalente del sistema WASS operativo in Nord America).

(confronto tra mappa Google e mappa 3D

di un percorso GPS, andata e ritorno,

da/al Porto Turistico di San Felice Circeo)

Poche righe non possono certo condensare quaranta anni di evoluzione tecnologica, ma è interessante osservare come il servizio GNSS, costituito da GPS + EGNOS + GLONASS + (futuro GALILEO), condurrà l'accuratezza della localizzazione 3D, sul nostro caro Pianeta Terra, dalla grandezza del Metro a quella del Decimetro.

In questo scenario nuovi servizi potranno essere migliorati o, talvolta, inventati from scratch. Pensiamo, ad esempio, alla possibilità di tracciare la nostra posizione o quella di un Robot, su di una mappa e con la risoluzione del Centimetro!

Incredibile ...fino a pochi anni fa!!!

Ma come possiamo utilizzare un ricevitore GPS nelle nostre applicazioni "embedded"?

Semplice! Un moderno ricevitore (es. Garmin GPS 18x OEM), mediante una interfaccia UART (Universal Asyncronous Receiver Transmitter), ci invierà dei messaggi periodici nei quali è contenuta la nostra posizione sul geoide Terra, secondo il modello WGS-84.

Tali messaggi, definiti Sentenze, saranno codificate in accordo allo standard NMEA 0183 oppure in formato proprietario. I formati proprietari, ovviamente, variano da costruttore a costruttore (...sono in tanti ormai) e dovranno essere interpretati "manuali tecnici alla mano", mentre i formati standard risultano tutti normalizzati.

Nel seguente esempio Vi riporto la Sentenza GPRMC (Minimum Required - Type C) che rappresenta un comune denominatore per molti ricevitori OEM:

Sentenza RMC - 12 campi + Header $GPRMC + Trailer XX Hex Chk

$GPRMC,      Carattere di sincronismo '$' e denominazione GPRMC
171429,      Orario Fix [hhmmss]
A,           A=Fix valido, V=Warning (msg. non valido)
4113.5304,   Latitudine 41° 13.5304 secondi d'arco decimali
N,           N=Emisfero Nord, S=Emisfero Sud
01305.7166,  Longitudine 013° 05.7166 secondi d'arco decimali
E,           E=Quadrante Est, W=Quadrante Ovest
000.0,       Velocità in Nodi (Ground Speed!!!)
000.0,       Direzione Geografica (...non magnetica!!!)
200509,      Data Fix [ggmmhh]
001.8,       Deviazione magnetica rispetto a dir. geografica
E            Quadrante di deviazione magnetica
*7D          Checksum per verifica integrità messaggio

Questo messaggio, ad esempio, potrà essere ricevuto dal nostro microcomputer embedded, mediante una interfaccia RS232, RS422 o RS485, e consentirci, così, di elaborare la posizione del veicolo (automobile, aereo, imbarcazione, ...pedone, animale, robot!) in coordinate ECEF (Earth Fixed Earth Centered) o altro sistema di coordinate, se richieste.

(fare click per ingrandire)

Vediamo, ora, alcuni testi consigliati per approfondire l'argomento. Vi ricordo che per migliorare il grado di 'accuracy' nella determinazione della posizione è opportuno correlare l'output del sensore GPS con l'output del sensore inerziale-geomagnetico. Tale combinazione ci porterà alla realizzazione di un sensore GPS-INS (GPS-Inertial Navigation System) ...come è appunto il nostro Progetto Open di "Robot alla Guida".

Ecco i titoli:

1. The Global Positioning System & Inertial Navigation - Farrel & Bath
2. Strapdown Inertial Navigation Technology, Second Edition (Progress in Astronautics and Aeronautics) - Titterton & Weston
3. Applied Mathematics in Integrated Navigation Systems, Third Edition - Rogers
4. Quaternions and Rotation Sequences: A Primer with Applications to Orbits, Aerospace and Virtual Reality - Kuipers

Qui Pianeta Terra, un mondo reale ed un modello matematico, in cui orientarsi e navigare!