Ta kampania testowa została przeprowadzona w celu zweryfikowania integracji i wydajności jednego z naszych produktów INS (Ekinox Micro) przy użyciu sterownika PX4 w rzeczywistych warunkach lotu bezzałogowego statku powietrznego. Celem było jak najdokładniejsze odwzorowanie konfiguracji klienta oraz ocena zachowania systemu w kilku reprezentatywnych scenariuszach operacyjnych. Składamy serdeczne podziękowania firmie Drones Center z okolic Paryża za udostępnienie miejsca do przeprowadzenia tych testów oraz za cenne wsparcie i pomoc techniczną przez całą kampanię lotniczą.
Jako platformę testową wybrano autopilot Orange Cube. Jednak metodologia i wyniki mają zastosowanie do każdego sprzętu działającego z oprogramowaniem układowym PX4. Aby w pełni ocenić interakcję między danymi nawigacyjnymi SBG a estymatorem PX4, oceniono trzy konfiguracje integracji:
1 – Integracja oparta wyłącznie na pozycji (Ekinox Micro jako źródło GNSS)
- Nasz system INS dostarcza wyłącznie pozycję i prędkość, emulując zewnętrzny odbiornik GNSS.
- Wewnętrzny estymator PX4 przeprowadza pełną fuzję sensorów.
- Stabilizacja położenia jest obsługiwana w całości przez PX4 za pomocą własnych IMU.
2 – Integracja z pozycją hybrydową (Ekinox Micro jako pełne źródło nawigacji)
- Nasz moduł „ INS ” dostarcza połączone sygnały nawigacyjne (pozycja, prędkość).
- Estymator PX4 jest wyłączony dla nawigacji.
- PX4 odpowiada za stabilizację niskiego poziomu, wykorzystując dane ze swojego wewnętrznego IMU.
3 – Integracja pełnego położenia i pozycji (Ekinox Micro sterujący nawigacją i stabilizacją)
- Nasz system „ INS ” określa zarówno orientację, jak i położenie.
- Autopilot wykorzystuje dane z czujników SBG jako główne źródło informacji do nawigacji i stabilizacji.
- Ta konfiguracja charakteryzuje się najwyższym poziomem integracji.
Testy te zostały umożliwione dzięki sterownikowi SBG PX4, dostępnemu w oficjalnym repozytorium GitHub PX4.
Sterownik zapewnia bezproblemową warstwę komunikacyjną między systemami nawigacyjnymi SBG a autopilotami opartymi na PX4, obsługując wysokoczęstotliwościową wymianę danych MAVLink oraz wiele strategii integracji w zależności od architektury klienta i wymagań dotyczących fuzji danych.
Warunki testowe
Poniższa tabela podsumowuje warunki środowiskowe, GNSS oraz konfigurację systemów pokładowych wykorzystane do oceny parametrów nawigacyjnych podczas prób w locie.
| Parametr | Opis |
|---|---|
| Pogoda | Bezchmurne niebo, lekki wiatr. |
| Wysokość nad ziemią | ~33 m n.p.m. |
| Warunki GNSS | Dobra widoczność nieba, środowisko o niewielkiej liczbie odbić wielodrożnych. |
| Konfiguracja sprzętu | Ekinox Micro połączony przez sterownik SBG z Orange Cube (UART). Zewnętrzne anteny GNSS zamontowane na górze drona. |
| Zasilacz | Konfiguracja z dwoma akumulatorami. |
| Wycinka drzew | Rejestrowanie dzienników binarnych Ekinox Micro oraz dzienników lotu Orange Cube *.ulg. |
Konfiguracja nawigacji bezzałogowego statku powietrznego (UAV)
Testy w locie przeprowadzono przy użyciu platformy drona wielowirnikowego Quad 450 wyposażonej w system nawigacji inercyjnej Ekinox Micro. System INS działał na oprogramowaniu sprzętowym (firmware) w wersji 5.3. Kontrola pojazdu i zarządzanie lotem były obsługiwane przez autopilota Orange Cube z oprogramowaniem sprzętowym PX4 w wersji 1.16.0-Alpha.
Czynności przed lotem
Przed każdym lotem przeprowadzono kompleksowe kontrole w celu zapewnienia bezpiecznej i niezawodne eksploatacji w coraz bardziej złożonych trybach lotu. Kontrole te obejmowały kalibrację magnetometru, testy GNSS, łączności oraz testy typu hop.
| Parametr | Opis | Wynik |
|---|---|---|
| Kalibracja magnetometru | Dron obracał się wokół wszystkich osi. | ✅ Pomyślnie |
| Pozyskiwanie sygnału GNSS | Zweryfikowano połączenie z satelitami oraz jakość ustalenia pozycji w programie QGroundControl. | ✅ Poprawka zapewniająca stabilność |
| Test komunikacji | Potwierdzono przesyłanie danych w czasie rzeczywistym z serwisu INS za pośrednictwem sterownika SBG. | ✅ Działa |
| Test skoku | Podstawowa reakcja przepustnicy i powierzchni sterujących. | ✅ Zdałem |
W przypadku każdej z opisanych poniżej konfiguracji oceniono wiele trybów lotu i zachowań. Poziom autonomii zwiększał się stopniowo, zawsze zaczynając od trybu o największej swobodzie działania.
Rozpoczęliśmy od trybu Acro, który jest w pełni kontrolowany przez pilota. W tym trybie nie stosuje się żadnych ograniczeń dynamicznych, a dane z czujników nie są wykorzystywane. Następnie przełączyliśmy się na tryb stabilizowany, w którym pilot nadal korzysta z pilota zdalnego sterowania, ale orientacja (attitude) drona jest kontrolowana za pomocą danych o orientacji dostarczanych przez czujniki. Następnie, w trybie wysokości (Altitude), oś pionowa jest dodatkowo stabilizowana, zazwyczaj przy użyciu danych barometrycznych lub telemetrii, co umożliwia autopilotowi utrzymanie stałej wysokości. Na koniec zakończyliśmy tę serię testów manualnych trybem pozycji (Position mode), który wymaga niezawodnych danych GNSS do utrzymania pozycji i pomocy pilotowi w utrzymaniu stabilnego zawisu.
Scenariusze lotów
W niniejszym rozdziale przedstawiono scenariusze lotów zaprojektowana służące do oceny wydajności systemu nawigacyjnego SBG zarówno w trybie integracji częściowej (z włączonym EKF2), jak i pełnej (z wyłączonym EKF2), obejmujące loty w trybie ręcznym, misje autonomiczne oraz kompleksowe testy nawigacji i stabilizacji.
Włączona funkcja EKF2 – pozycja i prędkość GNSS z naszego INS
Nasz Ekinox Micro udostępnia wyłącznie pozycję i prędkość GNSS, podczas gdy wewnętrzny filtr EKF autopilota pozostaje aktywny.
Lot 1 – Ocena trybów ręcznych
: Wykonaj akrobacje testowe, przełącz na tryb stabilizacji, a następnie na tryb utrzymywania wysokości i na koniec na tryb utrzymywania pozycji – po 1 minucie w każdym trybie.
Lot 2 – Misja autonomiczna (trasa w kształcie kwadratu)
Dron wykonał predefiniowaną, zautomatyzowaną misję po kwadracie. Dane GNSS z naszego systemu INS zapewniły płynne śledzenie trajektorii i stabilne przejścia między punktami trasy.
Misja rozpoczyna się od fazy stabilizacji, następnie ustalania pozycji, po czym następuje jazda swobodna, podczas której wykonujemy 8 figur w celu zainicjowania i wyrównania filtra; następnie rozpoczyna się właściwa misja, polegająca na pokonywaniu punktów trasy tworzących kwadrat, a na koniec jazda w linii prostej tam i z powrotem.
EKF2 wyłączony – pełna nawigacja za pomocą naszego rozszerzonego filtra Kalmana (EKF)
W tej konfiguracji Ekinox Micro dostarcza pełne dane nawigacyjne (orientację, prędkość, pozycję). PX4 używa swoich IMU wyłącznie do stabilizacji niskiego poziomu.
Lot 3 – Kompletny przegląd trybów
Celem tego lotu było sprawdzenie, czy zachowania osiągalne przy użyciu EKF2 w autopilocie można również uzyskać za pomocą rozszerzonego filtra Kalmana (EKF) SBG, bez żadnej zauważalnej różnicy z punktu widzenia pilota. Aby to zapewnić, przetestowano kolejno wszystkie istotne tryby lotu, przełączając się z jednego trybu na następny po około jednej minucie, a na zakończenie wykonano manewry swobodnego ruchu.
Lot 4 – Misja autonomiczna
Po nabraniu pewności co do naszej integracji przeszliśmy do trybu misji, wydając dronowi polecenie podążania za punktami trasy – najpierw wzdłuż prostej linii tam i z powrotem, a następnie po trasie w kształcie kwadratu i lądowania.
Lot 5 – Pełna integracja INS (nawigacja + stabilizacja)
W przypadku ostatniego lotu ważne było dla nas przetestowanie wszystkich poziomów integracji poprzez obsługę nie tylko części nawigacyjnej, ale także stabilizacji. Dlatego obniżyliśmy priorytet IMU w Orange Cube, aby nasz miał najwyższy. I lecieliśmy w trybie stabilizowanym.
Wyniki i wnioski
Wszystkie poziomy integracji zostały pomyślnie zweryfikowane. Ekinox Micro zapewniał stabilne, niezawodne i wysokiej jakości dane nawigacyjne we wszystkich konfiguracjach, od podstawowego wprowadzania danych GNSS po pełną nawigację i stabilizację. Wyniki te potwierdzają:
- Dogłębne zrozumienie wyzwań stojących przed użytkownikami, które pozwala nam stworzyć praktyczny, oparty na doświadczeniu przewodnik po integracji.
- Doskonała kompatybilność między sensorami SBG Systems a systemem PX4/Orange Cube.
- Niezawodna implementacja sterownika zapewniająca płynną komunikację w standardzie MAVLink.
- Odporność rozszerzonego filtra Kalmana (EKF) firmy SBG zarówno w trybie ręcznym, jak i autonomicznym.
- Płynne działanie nawet przy ograniczonym poleganiu na wbudowanych sensorach PX4.
Ta kampania testowa podkreśla silną synergię między technologiami nawigacyjnymi SBG Systems a ekosystemem PX4. Na wszystkich poziomach integracji nasze rozwiązania INS dostarczały niezawodne, wysokiej jakości dane nawigacyjne, umożliwiając płynniejsze sterowanie, lepszą spójność misji oraz większą pewność podczas lotu. Walidując konfiguracje obejmujące zarówno proste wspomaganie GNSS, jak i pełne przejęcie nawigacji oraz stabilizacji, wykazaliśmy elastyczność produktów SBG w odniesieniu do szerokiej gamy architektur bezzałogowych statków powietrznych (UAV) i profili misji.
Wyniki te potwierdzają również dojrzałość naszego sterownika PX4 oraz naszą zdolność do dostarczania klientom sprawdzonych w terenie najlepszych praktyk. Umożliwiamy im skrócenie czasu integracji, zwiększenie wydajności oraz przyspieszenie wdrożenia. SBG Systems nadal pozycjonuje się jako zaufany partner dla producentów i integratorów UAV poszukujących niezawodnej, wysokoprecyzyjnej nawigacji w wymagających środowiskach operacyjnych.
