Diese Testkampagne wurde durchgeführt, um die Integration und Leistung eines unserer INS-Produkte (Ekinox Micro) unter realen Drohnen-Flugbedingungen mithilfe des PX4-Treibers zu validieren. Ziel war es, ein kundennahes Setup so präzise wie möglich zu reproduzieren und das Systemverhalten in mehreren repräsentativen Betriebsszenarien zu bewerten. Wir danken dem nahe Paris gelegenen Drones Center herzlich für die Bereitstellung des Testgeländes sowie für die wertvolle Unterstützung und technische Betreuung während der gesamten Flugkampagne.
Der Autopilot Orange Cube wurde als Testplattform ausgewählt. Die Methodik und die Ergebnisse sind jedoch auf jede Hardware übertragbar, auf der die PX4-Firmware läuft. Um das Zusammenspiel zwischen den SBG-Navigationsdaten und dem PX4-Schätzer vollständig zu bewerten, wurden drei Integrationskonfigurationen evaluiert:
1 – Rein positionsbasierte Integration (Ekinox Micro als GNSS-Quelle)
- Unser INS liefert ausschließlich Position und Geschwindigkeit und emuliert dabei einen externen GNSS-Empfänger.
- Der interne Schätzer von PX4 führt die vollständige Sensorfusion durch.
- Die Lagesbabilisierung wird vollständig von PX4 über eigene IMUs übernommen.
2 – Integration mit fusionierter Position (Ekinox Micro als vollständige Navigationsquelle)
- Unser „ INS “ liefert fusionierte Navigationsdaten (Position, Geschwindigkeit).
- Der Schätzer von PX4 ist für die Navigation deaktiviert.
- PX4 ist weiterhin für die Low-Level-Stabilisierung unter Verwendung seiner internen IMU-Daten verantwortlich.
3 – Vollständige Integration von Lage und Position (Ekinox Micro steuert Navigation und Stabilisierung)
- Unser „ INS “ liefert sowohl Höhen- als auch Positionsdaten.
- Der Autopilot nutzt die Sensordaten von SBG als primäre Quelle für die Navigation und Stabilisierung.
- Diese Konfiguration stellt den höchsten Integrationsgrad dar.
Diese Tests wurden durch den SBG PX4-Treiber ermöglicht, der im offiziellen PX4-GitHub-Repository verfügbar ist.
Der Treiber sorgt für eine nahtlose Kommunikationsschicht zwischen SBG-Navigationssystemen und PX4-basierten Autopiloten und unterstützt den MAVLink-Datenaustausch mit hoher Rate sowie mehrere Integrationsstrategien je nach Kundenarchitektur und Fusionsanforderungen.
Testbedingungen
Die folgende Tabelle fasst die Umgebungs-, GNSS- und Onboard-System-Setup-Bedingungen zusammen, die zur Bewertung der Navigationsleistung während der Flugtests verwendet wurden.
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Wetter | Klarer Himmel, leichter Wind. |
| Höhe über dem Boden | ~33 m über dem Meeresspiegel. |
| GNSS-Bedingungen | Gute Sicht auf den Himmel, Umgebung mit geringen Mehrwegausbreitungen. |
| Hardware-Einrichtung | Ekinox Micro über SBG-Treiber an Orange Cube angeschlossen (UART). Externe GNSS-Antennen oben auf der Drohne montiert. |
| Stromversorgung | Konfiguration mit zwei Batterien. |
| Protokollierung | Aufzeichnung von Ekinox Micro-Binärprotokollen + Orange Cube * .ulg-Flugprotokollen. |
Einrichtung der UAV-Navigation
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 erfolgten über einen Orange Cube Autopiloten mit der PX4-Firmware in der Version 1.16.0-Alpha.
Vorbereitende Maßnahmen vor dem Flug
Vor jedem Flug wurden umfassende Überprüfungen durchgeführt, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb über zunehmend komplexe Flugmodi hinweg zu gewährleisten. Diese Überprüfungen umfassten Magnetometer-Kalibrierung, GNSS-, Kommunikations- und Sprungtests.
| Parameter | Beschreibung | Ergebnis |
|---|---|---|
| Kalibrierung des Magnetometers | Die Drohne drehte sich um alle Achsen. | ✅ Erfolgreich |
| GNSS-Erfassung | Satellitenverbindung und Positionsgenauigkeit in QGroundControl überprüft. | ✅ Stabile Korrektur |
| Kommunikationstest | Bestätigter Echtzeit- INS -Datenstrom über den SBG-Treiber. | ✅ In Betrieb |
| Hop-Test | Grundlegendes Ansprechverhalten von Gashebel und Steuerflächen. | ✅ Bestanden |
Für jede der im Folgenden beschriebenen Konfigurationen wurden mehrere Flugmodi und Verhaltensweisen untersucht. Der Grad der Autonomie wurde schrittweise erhöht, wobei stets mit dem freizügigsten Modus begonnen wurde.
Wir begannen mit dem Acro-Modus, der vollständig vom Piloten gesteuert wird. In diesem Modus werden keine dynamischen Einschränkungen angewendet und keine Sensoreingaben verwendet. Dann schalteten wir in den stabilisierten Modus um, in dem der Pilot weiterhin die Fernbedienung verwendet, die Fluglage der Drohne jedoch anhand der von den Sensoren gelieferten Lagedaten gesteuert wird. Als nächstes wird im Höhenmodus die vertikale Achse zusätzlich stabilisiert, typischerweise unter Verwendung von Barometerdaten oder Telemetrie, wodurch der Autopilot eine konstante Höhe halten kann. Schließlich schlossen wir diese Reihe manueller Tests mit dem Positionsmodus ab, der zuverlässige GNSS-Daten erfordert, um die Position zu halten und den Piloten beim Beibehalten eines stabilen Schwebeflugs zu unterstützen.
Flugszenarien
In diesem Abschnitt werden die Flugszenarien vorgestellt, die zur Bewertung der Leistungsfähigkeit des SBG-Navigationssystems sowohl im teilintegrierten (mit EKF2) als auch im vollintegrierten (ohne EKF2) Modus entwickelt wurden. Sie umfassen Testflüge im manuellen Modus, autonome Missionen sowie umfassende Navigations- und Stabilisierungstests.
EKF2 aktiviert – GNSS-Position und -Geschwindigkeit von unserem INS
Unser Ekinox Micro liefert ausschließlich GNSS-basierte Positionen und Geschwindigkeiten, während das interne EKF des Autopiloten aktiv bleibt.
Flug 1 – Bewertung der manuellen Modi
: Akrobatikflug testen, in den stabilisierten Modus wechseln, dann jeweils 1 Minute lang die Höhe und schließlich die Position halten.
Flug 2 – Autonome Mission (quadratischer Kurs)
Die Drohne führte eine vordefinierte, automatisierte quadratische Mission aus. GNSS-Daten von unserem INS sorgten für eine reibungslose Trajektorienverfolgung und stabile Wegpunktübergänge.
Die Mission beginnt mit einer Stabilisierungsphase, gefolgt von einer Positionierungsphase, um einen Freilauf durchzuführen, in dessen Verlauf wir acht Figuren ausführen, um den Filter zu initialisieren und auszurichten. Anschließend beginnt die eigentliche Mission, bei der Wegpunkte beflogen werden, die ein Quadrat bilden, und anschließend wird eine gerade Linie hin und her geflogen.
EKF2 deaktiviert – Vollständige Navigation durch unseren erweiterten Kalman-Filter (EKF)
In dieser Konfiguration liefert die Ekinox Micro vollständige Navigationsdaten (Lage, Geschwindigkeit, Position). PX4 verwendet seine IMUs nur für die Low-Level-Stabilisierung.
Flug 3 – Vollständiger Modusdurchlauf
Ziel dieses Fluges war es, zu überprüfen, ob die mit EKF2 im Autopiloten erzielbaren Flugverhalten auch mit dem SBG Extended Kalman Filter (EKF) erreicht werden können, ohne dass aus Sicht des Piloten ein merklicher Unterschied feststellbar ist. Um dies sicherzustellen, wurden alle relevanten Flugmodi nacheinander getestet, wobei nach etwa einer Minute vom einen Modus zum nächsten gewechselt wurde und der Flug mit Manövern in freier Bewegung abgeschlossen wurde.
Flug 4 – Autonomer Missions
Nachdem wir etwas Vertrauen in unsere Integration gewonnen hatten, wechselten wir in den Missionsmodus, indem wir der Drohne befahlen, Wegpunkten zu folgen, die zunächst mit einer geraden Hin- und Rückstrecke beginnen, dann einer quadratischen Route folgen und schließlich mit einer Landung enden.
Flug 5 – Vollständige 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 übernahmen. Daher haben wir die Priorität der IMUs des Orange Cube gesenkt, um unsere eigene zu priorisieren, und sind in einem stabilisierten Modus geflogen.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Alle Integrationsstufen wurden erfolgreich validiert. Das Ekinox Micro lieferte unter sämtlichen Konfigurationen – von der einfachen GNSS-Einspeisung bis hin zur vollständigen Navigation und Stabilisierung – stabile, zuverlässige und qualitativ hochwertige Navigationsdaten. Diese Ergebnisse bestätigen:
- Ein klares Verständnis der Herausforderungen der Nutzer, das es uns ermöglicht, einen praktischen, auf Erfahrungen basierenden Integrationsleitfaden zu erstellen.
- Hervorragende Kompatibilität zwischen SBG Systems-Sensoren und PX4/Orange Cube.
- Zuverlässige Treiberimplementierung, die eine nahtlose MAVLink-Kommunikation ermöglicht.
- Robustheit des erweiterten Kalman-Filters (EKF) von SBG sowohl im manuellen als auch im autonomen Modus.
- Reibungsloses Verhalten auch bei geringerer Abhängigkeit von den Onboard-Sensoren von PX4.
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, hochwertige Navigationsdaten, die eine ruhigere Steuerung, eine verbesserte Missionskonsistenz und ein höheres Gesamfflughafensicherheitsgefühl ermöglichen. Durch die Validierung von Konfigurationen von der einfachen GNSS-Stützung bis hin zur vollständigen Übernahme von Navigation und Stabilisierung haben wir die Anpassungsfähigkeit der SBG-Produkte an eine Vielzahl von UAV-Architekturen und Missionsprofilen unter Beweis gestellt.
Diese Ergebnisse bestätigen zudem die Reife unseres PX4-Treibers und unsere Fähigkeit, Kunden bewährte, praxiserprobte Best Practices zur Verfügung zu stellen. Wir versetzen sie in die Lage, die Integrationszeit zu verkürzen, die Leistung zu steigern und die Bereitstellung zu beschleunigen. SBG Systems positioniert sich weiterhin als zuverlässiger Partner für UAV-Hersteller und -Integratoren, die eine robuste und hochpräzise Navigation in anspruchsvollen Einsatzumgebungen suchen.
