UAV Navigation en profundidad: Operaciones sin gnss
INTRODUCCION
Uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta el Sistema de Referencia de Actitud y Rumbo / Sistema de Navegación Inercial (AHRS/INS) de última generación es la capacidad de realizar una misión en un entorno de GNSS degradado. La navegación inercial es el proceso de calcular nuestra posición actual utilizando una previamente determinada, y adelantarla en base a velocidades tanto conocidas como estimadas (integradas), teniendo en cuenta el tiempo y el curso transcurridos. Evidentemente, cada integración está sujeta a un error acumulativo; el objetivo, por lo tanto, es reducir este error para aumentar la precisión.
Un AHRS/INS utiliza una computadora y una serie de sensores, como acelerómetros, giróscopos y ocasionalmente magnetómetros, que se utilizan continuamente para calcular: posición, orientación y velocidad de un sistema de navegación u objeto en movimiento sin necesidad de referencias externas, como los dispositivos GNSS.
UAV Navigation desarrolla y fabrica autopilotos de alta gama y, como tal, está completamente comprometida con los productos que son capaces de llevar a cabo una navegación precisa y fiable. La navegación en entornos degradados (por ejemplo, sin señalGNSS) es un objetivo importante. A continuación se describen los resultados de las pruebas realizadas en este campo. En el sistema de UAV Navigation se han logrado avances significativos en la estimación del viento (que es la clave para un buen rendimiento de cálculo) y en otros campos, lo que ha dado lugar a una mayor precisión de la navegación en entornos degradados.
CONFIGURACIÓN DEL CONTROL DE VUELO
El equipo utilizado para producir los siguientes resultados es el VECTOR, el autopiloto de vanguardia de UAV Navigation. El VECTOR cuenta con un AHRS/INS de alta gama basado en MEMS. Ha sido diseñado para la integración del sistema en paquetes de aviónica u otras aplicaciones de detección de actitud, e incluye:
- Sistema de Referencia de Actitud y Rumbo (AHRS)
- Unidad de Medición Inercial (IMU)
- Sistema de navegación inercial (INS)
- Sistema de Datos Aéreos (ADS)
- GNSS (sólo para la comparación de datos)
VECTOR ha acumulado miles de horas de vuelo y ha demostrado su eficacia en una variedad de entornos altamente dinámicos, cosechando resultados sobresalientes.
La redundancia incorporada en el software le permite sobrevivir a los fallos de los sensores individuales, manteniendo al mismo tiempo estimaciones precisas de la posición y la ubicación. Su IMU de alto rendimiento basado en MEMS está calibrado y compensado en todo el rango de temperatura industrial.
Para simular un escenario degradado en estas pruebas, se excluyó completamente la información del GNSS, mientras que todos los demás sistemas (véase más arriba) eran funcionales.
CONFIGURACIÓN DE LA PLATAFORMA
Para lograr los resultados más realistas y representativos posibles, la prueba se llevó a cabo en una aeronave de ala fija que volaba un Plan de Vuelo preciso. La aeronave utilizada es una de las plataformas de prueba de ala fija disponibles en la flota de UAV Navigation. La plataforma tiene una envergadura de 2,5 m y está equipada con un motor de gasolina de un solo pistón y dos tiempos.
La plataforma de prueba es capaz de llevar todos los dispositivos de medición de vuelo necesarios y es capaz de producir resultados repetibles, incluso en maniobras altamente dinámicas. A continuación se describen los planes de vuelo y las pruebas realizadas.
PROCEDIMIENTO
La plataforma despega desde una posición conocida y una vez que se alcanzan la altitud y la ubicación de la prueba, el GNSS se desactiva (la información del GNSS se sigue registrando a bordo, pero no se utiliza para la estimación). A continuación se realizan dos maniobras diferentes que caracterizan los peores escenarios de navegación sin GNSS o Dead-Reckoning: (1) retención circular, y (2) patrón cuadrado. Las condiciones de viento para las pruebas se midieron en la Estación de Control en Tierra como una constante de 3m/s.
La siguiente tabla explica las operaciones ejecutadas durante el vuelo:
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Modo HOLD, patrón circular (300m de radio). SIN GNSS - DEAD REACKONING |
3 minutos |
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Modo AUTO, patrón cuadrado (400x350m). SIN GNSS - DEAD REACKONING |
2 minutos |
RESULTADOS OBTENIDOS
Las siguientes tablas muestran el rendimiento de navegación del VECTOR en condiciones degradadas: posición real de la plataforma frente a la posición estimada (derivada de la integración realizada por el INS).
Figure 1. Posición real versus posición estimada en modo Dead Reckoning.
Modo HOLD. Los resultados (Figura 1 arriba) muestran que en una maniobra de 3 minutos se acumula una deriva de posición de unos 100 m en total, lo que da una tasa de deriva de posición de 33 m/min.
Figure 2. Posición real versus posición estimada en modo Dead Reckoning.. HOLD mode.
Patrón cuadrado. Los resultados (Figura 2 arriba) muestran que en una maniobra de 2 minutos se acumula una deriva de posición de alrededor de 70m, dando una tasa de deriva de posición de 35m/min.
Conclusión. Las pruebas demuestran que el sistema de UAV Navigation extrae los mejores resultados posibles de la tecnología de sensores basada en MEMS. Dicho esto, los resultados variarán de una plataforma a otra y dependerán de diversos factores, entre ellos: las condiciones del viento, el rendimiento de la plataforma y la calidad de la instalación del autopiloto (para reducir al mínimo las vibraciones).
