Diese Testkampagne wurde durchgeführt, um die Integration und Leistung eines unserer INS (Ekinox Micro) unter Verwendung des PX4-Treibers unter realen UAV-Flugbedingungen zu validieren. Das Ziel bestand darin, eine kundenähnliche Konfiguration so genau wie möglich zu reproduzieren und das Systemverhalten in mehreren repräsentativen Betriebsszenarien zu bewerten. Wir bedanken uns herzlich bei Drones Center in der Nähe von Paris für die Durchführung dieser Tests und für die wertvolle Unterstützung und technische Hilfe während der gesamten Flugkampagne.
Als Testplattform wurde der Autopilot Orange Cube ausgewählt. Die Methodik und die Ergebnisse lassen sich jedoch auf jede Hardware übertragen, auf der die PX4-Firmware läuft. Um die Interaktion zwischen den SBG-Navigationsdaten und dem PX4-Schätzer vollständig zu bewerten, wurden drei Integrationskonfigurationen evaluiert:
1 – Nur Positionsintegration (Ekinox Micro GNSS )
- Unser INS liefert nur Position und Geschwindigkeit und emuliert einen externen GNSS-Empfänger.
- Der interne Estimator von PX4 führt die vollständige Sensorfusion durch.
- Die Lagestabilisierung wird vollständig von PX4 unter Verwendung seiner eigenen IMUs übernommen.
2 – Integration der fusionierten Position (Ekinox Micro als vollständige Navigationsquelle)
- Unser INS liefert fusionierte Navigationsausgaben (Position, Geschwindigkeit).
- Der Estimator von PX4 ist für die Navigation deaktiviert.
- PX4 bleibt für die Low-Level-Stabilisierung unter Verwendung seiner internen IMU-Daten verantwortlich.
3 – Vollständige Lage- + Positionsintegration (Ekinox Micro steuert Navigation und Stabilisierung)
- Unser INS liefert sowohl Lage als auch Position.
- Der Autopilot verwendet die Sensordaten von SBG als primäre Quelle für Navigation und Stabilisierung.
- Diese Konfiguration stellt die höchste Integrationsstufe dar.
Diese Tests wurden durch den SBG PX4-Treiber ermöglicht, der im offiziellen PX4 GitHub-Repository verfügbar ist.
Der Treiber gewährleistet eine nahtlose Kommunikationsschicht zwischen SBG-Navigationssystemen und PX4-basierten Autopiloten, die einen hochratigen MAVLink-Datenaustausch unterstützt und mehrere Integrationsstrategien je nach Kundenarchitektur und Fusionsanforderungen ermöglicht.
Testbedingungen
Die untenstehende Tabelle fasst die Umgebungs-, GNSS- und Onboard-Systemkonfigurationsbedingungen zusammen, die zur Bewertung der Navigationsleistung während der Flugtests verwendet wurden.
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Wetter | Klarer Himmel, leichter Wind. |
| Bodenhöhe | ~33 m über dem Meeresspiegel. |
| GNSS-Bedingungen | Gute Sicht zum Himmel, geringe Mehrwegeumgebung. |
| Hardware-Setup | Ekinox Micro über SBG Driver mit Orange Cube (UART) verbunden. Externe GNSS-Antennen auf der Drohne montiert. |
| Stromversorgung | Doppelbatteriekonfiguration. |
| Logging | Logging von Ekinox Micro Binärprotokollen + Orange Cube * .ulg Flugprotokollen. |
UAV-Navigations-Setup
Die Flugtests wurden mit einer Quad 450 Multirotor-Drohnenplattform durchgeführt, die mit einem Ekinox Micro Inertialnavigationssystem ausgestattet war. Das INS wurde mit der Firmware-Version 5.3 betrieben. Die Fahrzeugsteuerung und das Flugmanagement wurden von einem Orange Cube Autopiloten übernommen, der mit der PX4 Firmware-Version 1.16.0-Alpha lief.
Pre-Flight-Prozeduren
Vor jedem Flug wurden umfassende Überprüfungen durchgeführt, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb in zunehmend komplexen Flugmodi zu gewährleisten. Diese Überprüfungen umfassten Magnetometerkalibrierung, GNSS, Kommunikation und Hop-Tests.
| Parameter | Beschreibung | Ergebnis |
|---|---|---|
| Magnetometerkalibrierung | Drohne um alle Achsen gedreht. | ✅ Erfolgreich |
| GNSS-Erfassung | Satelliten-Lock und Positionsqualität in QGroundControl überprüft. | ✅ Stabiler Fix |
| Kommunikationstest | Echtzeit-INS-Datenstreaming über SBG-Treiber bestätigt. | ✅ Betriebsbereit |
| Hop-Test | Grundlegende Reaktion von Schub und Steuerflächen. | ✅ Bestanden |
Für jede unten beschriebene Konfiguration wurden mehrere Flugmodi und Verhaltensweisen bewertet. Der Autonomiegrad wurde schrittweise erhöht, wobei stets mit dem permissivsten Modus begonnen wurde.
Wir begannen mit dem Acro-Modus, der vollständig vom Piloten gesteuert wird. In diesem Modus werden keine dynamischen Beschränkungen angewendet und Sensoreingaben nicht verwendet. Anschließend wechselten wir in den Stabilized-Modus, in dem der Pilot weiterhin die Fernsteuerung verwendet, die Lage der Drohne jedoch mithilfe der von den Sensoren bereitgestellten Lagedaten gesteuert wird. Als Nächstes wird im Altitude-Modus die vertikale Achse zusätzlich stabilisiert, typischerweise unter Verwendung von Barometerdaten oder Telemetrie, wodurch der Autopilot eine konstante Flughöhe beibehalten kann. Schließlich schlossen wir diese Reihe manueller Tests mit dem Position-Modus ab, der zuverlässige GNSS-Daten erfordert, um die Position zu halten und den Piloten beim Aufrechterhalten eines stabilen Schwebeflugs zu unterstützen.
Flugszenarien
Dieser Abschnitt stellt die Flugszenarien vor, die zur Bewertung der Leistung des SBG Navigationssystems sowohl in partiellen (EKF2-aktiviert) als auch in vollständigen (EKF2-deaktiviert) Integrationsmodi entwickelt wurden und manuelle Modus-Sweeps, autonome Missionen sowie vollständige Navigations- und Stabilisierungstests umfassen.
EKF2 aktiviert – GNSS-Position und -Geschwindigkeit von unserem INS
Unser Ekinox Micro liefert nur GNSS-Position und -Geschwindigkeit, während der interne EKF des Autopiloten aktiv bleibt.
Flug 1 – Bewertung der manuellen Modi
Acro-Modus testen, dann für jeweils 1 Minute in den Stabilized-Modus, Altitude-Modus und schließlich in den Position-Modus wechseln.
Flug 2 – Autonome Mission (quadratischer Pfad)
Die Drohne führte eine vordefinierte, automatisierte quadratische Mission aus. GNSS-Daten von unserem INS gewährleisteten eine reibungslose Trajektorienverfolgung und stabile Wegpunktübergänge.
Die Mission beginnt mit einer stabilisierten Phase, gefolgt von der Positionierung, um einen freien Lauf durchzuführen, während dessen wir 8 Formen zur Initialisierung und Ausrichtung des Filters durchführen. Danach beginnt eine Mission, die Wegpunkten folgt, die ein Quadrat bilden, und fährt dann eine gerade Linie hin und her.
EKF2 deaktiviert – Vollständige Navigation durch unseren Extended Kalman Filter (EKF)
In dieser Konfiguration liefert der Ekinox Micro vollständige Navigationsdaten (Lage, Geschwindigkeit, Position). PX4 verwendet seine IMUs nur für die Low-Level-Stabilisierung.
Flug 3 – Vollständiger Modus-Sweep
Ziel dieses Fluges war es zu überprüfen, ob die mit EKF2 auf dem Autopiloten erreichbaren Verhaltensweisen auch mit dem SBG Extended Kalman Filter (EKF) erzielt werden können, ohne merklichen Unterschied aus Sicht des Piloten. Um dies zu gewährleisten, wurden alle relevanten Flugmodi nacheinander getestet, wobei nach etwa einer Minute von einem Modus zum nächsten gewechselt wurde und mit Freibewegungsmanövern abgeschlossen wurde.
Flug 4 – Autonome Mission
Nachdem wir Vertrauen in unsere Integration gewonnen hatten, wechselten wir in den Missionsmodus, indem wir die Drohne anwiesen, Wegpunkten zu folgen, die mit einer geraden Linie hin und her beginnen und dann einer quadratischen Form folgen und landen.
Flug 5 – Volle INS-Integration (Navigation + Stabilisierung)
Für den letzten Flug war es uns wichtig, alle Integrationsstufen zu testen, indem wir nicht nur den Navigationsteil, sondern auch die Stabilisierung berücksichtigten. Daher haben wir die Priorität der IMUs des Orange Cube gesenkt, um unsere zu erhöhen. Und der Flug erfolgte im stabilisierten Modus.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Alle Integrationsstufen wurden erfolgreich validiert. Der Ekinox Micro lieferte unter allen Konfigurationen stabile, zuverlässige und hochwertige Navigationsdaten, von der grundlegenden GNSS-Injektion bis zur vollständigen Navigation und Stabilisierung. Diese Ergebnisse bestätigen:
- Ein klares Verständnis der Benutzerherausforderungen, das es uns ermöglicht, einen praktischen, erfahrungsbasierten Integrationsleitfaden zu erstellen.
- Hervorragende Kompatibilität zwischen SBG Systems Sensoren und PX4/Orange Cube.
- Zuverlässige Treiberimplementierung, die eine nahtlose MAVLink-Kommunikation ermöglicht.
- Robustheit des Extended Kalman Filters (EKF) von SBG sowohl für manuelle als auch für autonome Modi.
- Reibungsloses Verhalten selbst bei reduzierter Abhängigkeit von den integrierten PX4-Sensoren.
Diese Testkampagne unterstreicht die starke Synergie zwischen den Navigationstechnologien von SBG Systems und dem PX4-Ökosystem. Über alle Integrationsstufen hinweg lieferten unsere INS-Lösungen zuverlässige, qualitativ hochwertige Navigationsdaten, die eine reibungslosere Steuerung, verbesserte Missionskonsistenz und ein höheres Gesamtvertrauen in den Flug ermöglichten. Durch die Validierung von Konfigurationen, die von einfacher GNSS-Augmentierung bis hin zur vollständigen Übernahme von Navigation und Stabilisierung reichten, demonstrierten wir die Anpassungsfähigkeit der SBG-Produkte an eine Vielzahl von UAV-Architekturen und Missionsprofilen.
Diese Ergebnisse bestätigen auch die Reife unseres PX4-Treibers und unsere Fähigkeit, Kunden bewährte, praxiserprobte Best Practices zu bieten. Wir ermöglichen es ihnen, die Integrationszeit zu reduzieren, die Leistung zu steigern und die Bereitstellung zu beschleunigen. SBG Systems positioniert sich weiterhin als vertrauenswürdiger Partner für UAV-Hersteller und -Integratoren, die robuste, hochpräzise Navigation in anspruchsvollen Betriebsumgebungen suchen.
