Systemy nawigacyjne miniaturowych bezzałogowych statków powietrznych

W związku z realizowanym projektem badawczym, w centrum zainteresowania autorów znalazły się obiekty powietrzne należące do grupy małych bezzałogowych statków powietrznych – mini BSP, a dokładnie systemy nawigacyjne wykorzystywane na takich obiektach i ich integracja. Celem opracowania było przeprowadzenie analizy rozwiązań systemów nawigacyjnych stosowanych na współczesnych mini BSP. Przeanalizowano literaturę obejmującą różnego rodzaju publikacje (materiały konferencyjne, periodyki, prace naukowe). Dokonano przeglądu tej problematyki w szerokim zakresie stosowanych systemów – od tych będących w fazie badań symulacyjnych do takich zaimplementowanych na rzeczywistych obiektach powietrznych ze szczególnym zwróceniem uwagi na małe platformy powietrzne. Przeprowadzone badania pozwoliły na wypracowanie obszernej wiedzy na temat współczesnych systemów nawigacyjnych przeznaczonych dla mini BSP. W ich wyniku dokonano podziału systemów na kilka podgrup w zależności od sposobu działania użytych sensorów składowych lub wykorzystanych przez nich technologii. Następnie przedstawione zostały przykłady takich systemów dla każdej ze stworzonych podgrup. Analiza rozwiązań wykazała bardzo zróżnicowany zakres przedstawianych informacji o systemach nawigacyjnych zaimplementowanych na BSP. Podstawowym systemem wykorzystywanym na takich obiektach jest GPS/INS. W celu poprawy dokładności estymacji parametrów nawigacyjnych wykorzystuje się modyfikacje GPS – DGPS i RTK GPS oraz rozszerzenie systemu bazowego o dodatkowe sensory (SLAM, VISION) umożliwiające poprawę jakości nawigacji mini BSP. Integracja informacji z sensorów odbywa się przy wykorzystaniu elementów filtracji nieliniowej ze szczególnym uwzględnieniem filtracji Kalmana i jej modyfikacji. Pojawiają się również inne algorytmy, ale są one w znacznej mniejszości. Ograniczeniami dla elementów składowych systemów nawigacji na mini BSP oraz systemu jako całości są niewątpliwie jego parametry fizyczne – masa, wymiary, jak również zapotrzebowanie energetyczne. Kolejnym wymaganiem są również niezbędne moce obliczeniowe systemów komputerowych do pracy w czasie rzeczywistym lub gromadzenia, przesyłania danych i ich obróbki po locie. Oczywiście te elementy, jak i inne uzależnione są w znaczącym stopniu od misji wykonywanej przez miniaturowy bezpilotowy statek powietrzny.

In connection with a realized research project, the authors were focused on aircrafts belonging to the group of small unmanned aerial vehicles – mini UAV, precisely the navigation systems used on such objects and their integration. The aim of the study was to analyze the solutions of navigation systems used in today’s mini UAV. We analyzed the literature covering various publications (conference materials, periodicals, theses). A review of these issues was made in a wide range of these systems – from those which were in the phase of simulation for such objects that were implemented in the real aircraft, with particular emphasis on small aerial platforms. The study allowed us to acquire extensive knowledge of modern navigation systems designed for many unmanned aerial vehicles. As a result, the systems were divided into several groups depending on the action mode of the used sensors or technologies used by these sensors. Subsequently, there were presented the examples of such systems which were designed for each of the subgroups. Analysis of the solutions showed a very diversified range of presented information about navigation systems implemented in the mini UAV. The basic system used on the mini UAV is a GPS/INS integrated system. In order to improve the accuracy of navigation parameters estimation, GPS modifications – DGPS and RTK GPS were used and basic system extension of additional sensors (SLAM, VISION) for improving the quality of UAV navigation. Integration of the information from the sensors is performed with the aid of non-linear filtering elements with articular reference to the Kalman filter and his modifications. There are also other algorithms, but they occur very rarely. Limitations for navigation systems’ components on mini UAV and the whole system are no doubt their physical parameters – weight, dimensions and energy requirements. Another condition it is the necessary computing power of the computer systems to operate and collect data in real-time and to process data after the flight. Of course, these limitations and requirements depend on the carried out missions by miniature unmanned aerial vehicles.