本試験キャンペーンは、PX4ドライバーを使用し、実機UAVの飛行環境下で、当社のINS製品の一つであるEkinox Microの統合性と性能を検証するために実施されました。試験の目的は、実際の顧客環境を可能な限り忠実に再現し、代表的な複数の運用シナリオにおけるシステムの挙動を評価することでした。今回の飛行試験の実施場所をご提供いただき、試験期間を通じて貴重なご支援と技術的なご協力をいただいた、パリ近郊のDrones Centerに心より感謝申し上げます。
試験プラットフォームにはOrange Cubeオートパイロットを採用しました。ただし、今回の試験で用いた手法と得られた結果は、PX4ファームウェアを実行するあらゆるハードウェアに適用可能です。SBGの航法データとPX4推定器との連携を十分に評価するため、以下の3つの統合構成を検証しました。
1 –位置情報のみの統合（Ekinox MicroをGNSSソースとして使用）
- 当社のINSは、外部GNSS受信機を模擬し、位置と速度のみを出力します。
- PX4内蔵推定器が、すべてのセンサーフュージョン処理を実行します。
- 姿勢安定化制御は、PX4の内蔵IMUを使用し、PX4が全面的に担います。
2 – 位置情報の統合（Ekinox Microを航法ソースとして使用）
- 当社のINSは、センサーフュージョン処理済みの航法出力（位置、速度）を提供します。
- PX4の推定器は、航法に関してに無効化されます。
- PX4は、内蔵IMUのデータを使用し、低レベルの安定化制御を引き続き担います。
3 – 姿勢情報＋位置情報の完全統合（Ekinox Microが航法と安定化制御を担う構成）
- 当社のINSは、姿勢情報と位置情報の両方を提供します。
- オートパイロットは、SBGのセンサーデータを航法と安定化制御の主要な情報源として使用します。
- この構成は、最も高度な統合レベルに相当します。
これらのテストは、PX4の公式GitHubリポジトリで公開されているSBGのPX4ドライバーによって実施可能となりました。
このドライバーは、SBGの航法システムとPX4ベースのオートパイロットとの間で、シームレスな通信を実現します。また、高レートのMAVLinkデータ交換に対応するとともに、お客様のシステム構成やセンサーフュージョンの要件に応じて、複数の統合方式をサポートします。
試験条件
以下の表に、飛行テスト中の航法性能を評価するために設定した、環境条件、GNSS条件、およびオンボードシステムのセットアップ条件を纏めています。
| パラメータ | 説明 |
|---|---|
| 天気 | 快晴、弱風。 |
| 地上高度 | 海抜約33メートル。 |
| GNSS条件 | 上空の見通しが良好で、マルチパスの影響が少ない環境。 |
| ハードウェアの設定 | Ekinox MicroはSBGドライバーを介してOrange CubeにUART接続。 外部GNSSアンテナはドローン上部に設置。 |
| 電源 | デュアルバッテリー構成 |
| ログ記録 | Ekinox Microのバイナリログと、Orange Cubeの飛行ログ（*.ulg）を記録 |
UAV航法システム構成
飛行テストには、Ekinox Micro慣性航法システムを搭載したQuad 450マルチロータードローンを使用しました。INSはファームウェアバージョン5.3で動作させました。機体制御および飛行管理は、PX4ファームウェアバージョン1.16.0-Alphaを搭載したOrange Cubeオートパイロットが担いました。
飛行前の確認手順
段階的に複雑さを増す飛行モードにおいて、安全かつ安定した動作を確保するため、各飛行の前に入念な確認を実施しました。確認項目には、磁力計のキャリブレーション、GNSS、通信、およびホップテストが含まれました。
| パラメータ | 説明 | 結果 |
|---|---|---|
| 磁力キャリブレーション | ドローンを全軸まわりに回転させて実施 | ✅ 成功 |
| GNSS測位の取得 | QGroundControlで衛星補足状況と測位品質を確認 | ✅ 安定した測位を確認 |
| 通信テスト | SBGドライバー経由でINSデータがリアルタイムに送信されることを確認 | ✅ 正常動作 |
| ホップ試験 | 基本的なスロットル操作と操舵応答を確認 | ✅ 合格 |
各構成について、複数の飛行モードと機体の挙動を評価しました。自律性のレベルは段階的に高め、常にパイロットの操作の自由度が最も高いモードから開始しました。
最初に、パイロットが全面的に機体を操作するAcroモードから開始しました。このモードでは、機体の動きに対する制約は設けられず、センサーからの入力も使用しません。次に、Stabilizedモードに切り替えました。このモードでは、引き続きパイロットが推定器で操作しますが、センサーから提供される姿勢データを使用し、ドローンの姿勢が制御されます。続いて、Altitudeモードでは、通常、気圧データやテレメトリーデータを使用して垂直方向の安定化制御を行い、オートパイロットが一定の高度を維持できるようにします。最後に、手動操作による一連のテストをPositionモードで締めくくりました。このモードでは、位置を保持し、パイロットが安定したホバリングを維持できるよう支援するために、信頼性の高いGNSSデータが必要となります。
飛行シナリオ
このセクションでは、SBGの航法システムの性能を評価するために設定した飛行シナリオを紹介します。EKF2を有効にした部分統合モードと、EKF2を無効にした完全統合モードの両方を対象とし、手動飛行モードの切り替え、自律飛行ミッション、航法と安定化制御の完全な検証を行いました。
EKF2有効 – 当社のINSからのGNSS位置・速度情報を入力
Ekinox MicroはGNSSによる位置情報と速度情報のみを出力し、オートパイロットの内蔵のEKFは有効のまま動作します。
飛行1 – 手動飛行モードの評価
Acroモードから開始し、Stabilizedモード、Altitudeモード、最後にPositionモードへと切り替え、各モードを1分間ずつテストしました。
飛行2 – 自律飛行ミッション（四角形の飛行経路）
ドローンは、あらかじめ定義された四角形の経路を自動飛行しました。当社のINSからのGNSSデータにより、滑らかな軌道追従と安定したウェイポイント間の移行を実現しました。
ミッションは、まずStabilizedモードで開始し、続いてPositionモードに切り替えてフリーランを行います。この間に、フィルターの初期化とアライメントを行うため、8の字の飛行を実施します。その後、四角形を形成するウェイポイントに沿って飛行するミッションを開始し、最後に直線経路を往復飛行します。
EKF2無効 – 当社の拡張カルマンフィルター（EKF）による完全な航法
この構成では、Ekinox Microが姿勢・速度・位置の航法データをすべて提供します。PX4は、内蔵IMUを低レベルの安定化制御にのみ使用します。
飛行3 – 各飛行モードの一連の検証
この飛行の目的は、オートパイロットのEKF2を有効にした場合に実現できる動作が、SBGの拡張カルマンフィルター（EKF）を使用した場合にも、パイロットの視点から目立った違いなく実現できることを検証することでした。そのため、関連するすべての飛行モードが順番にテストし、各モードを約1分間実行した後、次のモードへ切り替えました。最後に、自由な飛行操作を行って一連のテストを終了しました。
飛行4 – 自律飛行ミッション
統合システムに対する信頼性がある程度確信できた段階で、ミッションモードに切り替えました。ドローンにウェイポイントを順に通過するよう指示し、まず直線経路を往復飛行し、続いて四角形の経路を飛行した後、着陸させました。
飛行5 – INSの完全統合（航法 + 安定化制御）
最後の飛行では、航法だけでなく、安定化制御も含め、すべての統合レベルを検証することが重要でした。そのため、Orange Cube内蔵IMUの優先度を下げ、当社のINSの優先度を最も高く設定しました。そのうえで、Stabilizedモードで飛行しました。
結果と結論
すべての統合レベルで、検証に成功しました。Ekinox Microは、基本的なGNSSデータの入力から、航法と安定化制御の完全な統合に至るまで、すべての構成において、安定した信頼性の高い高品質な航法データを提供しました。これらの結果から、以下の点が確認されました。
- お客様が直面する課題を的確に理解し、実践的な経験に基づく統合ガイドを作成できること。
- SBG SystemsのセンサーとPX4/Orange Cubeとの優れた互換性。
- シームレスなMAVLink通信を実現する、信頼性の高いドライバーの実装。
- 手動飛行モードと自律飛行モードの両方における、SBG独自の拡張カルマンフィルター（EKF）の高い堅牢性。
- PX4の内蔵センサーへの依存を減らした構成でも、安定した動作を実現できること。
今回のテストキャンペーンは、SBG Systemsの航法技術とPX4エコシステムとの高い親和性を示すものです。すべての統合レベルにおいて、当社のINS製品は信頼性の高い高品質な航法データを提供し、よりスムーズな制御、ミッション遂行の安定性向上、そして飛行全体に対する信頼性の向上を実現しました。シンプルなGNSS補完から、航法と安定化制御の完全な引き継ぎまで、幅広い構成を検証することで、SBG製品が多様なUAVのシステム構成やミッション要件に柔軟に対応できることを実証しました。
これらの結果は、当社のPX4ドライバーが十分に成熟していること、そして実環境で検証されたベストプラクティスをお客様に提供できることも裏付けています。これにより、お客様はシステム統合にかかる時間を短縮し、性能を向上させ、導入を加速できます。SBG Systemsは、厳しい運用環境において、堅牢で高精度な航法ソリューションを求めるUAVメーカーやシステムインテグレーターにとって、信頼できるパートナーであり続けます。
