GNSS/INS (INS assistito da GNSS) per droni e veicoli senza pilota

I moderni veicoli senza pilota dipendono fortemente dalla precisione e dalla stabilità della navigazione. L’INS convenzionale, ancorato a sensori inerziali come accelerometri e giroscopi, calcola la posizione e la velocità integrando continuamente i dati relativi all’accelerazione e alla velocità angolare. Ciò offre eccellenti prestazioni a breve termine e indipendenza dai segnali esterni. Tuttavia, la deriva può rappresentare un problema: piccoli errori dei sensori si accumulano nel tempo, portando a imprecisioni nella posizione.

Il GNSS/INS è un approccio di fusione che combina l’INS con aggiornamenti basati sul GNSS, garantendo una crescita dell’errore coerente e limitata. Il GNSS fornisce un posizionamento assoluto periodico, correggendo la deriva e migliorando significativamente l’affidabilità operativa, fondamentale per missioni di lunga durata o ambienti in cui l’INS autonomo può soffrire di errori cumulativi.

Che cos’è il GNSS/INS e come funziona?

GNSS/INS, NAUTILUS, di Honeywell Aerospace.

GNSS/INS è un metodo di navigazione ibrido che combina il posizionamento satellitare (da GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou) con dati inerziali per produrre stime accurate e continue di posizionamento e orientamento. Gli algoritmi di fusione dei dati, che spesso utilizzano filtri Kalman o varianti estese, sintetizzano le posizioni GNSS con le misurazioni IMU per stimare lo stato del veicolo e la covarianza dell’errore.

I componenti principali di GNSS/INS sono:

• IMU (Inertial Measurement Unit), già fondamentale nell’INS convenzionale, ora funziona insieme al GNSS.
• Il ricevitore GNSS fornisce la posizione e la velocità assolute.
• Correzioni RTK
• Il filtro di Kalman con fusione dei sensori unisce i dati per generare soluzioni di navigazione affidabili.

Questa architettura consente la navigazione a stima, permettendo all’INS di stimare la posizione durante gli intervalli tra gli aggiornamenti GNSS. Di conseguenza, il sistema integrato è in grado di mantenere un posizionamento affidabile anche in ambienti con segnali GNSS intermittenti o ostruiti, come durante missioni prolungate con droni, nei canyon urbani o in ambienti interni.

Fusione dei sensori: collegamento GNSS/INS in tempo reale

Il cuore del GNSS/INS è la fusione dei sensori, che combina IMU e GNSS per sfruttare i loro punti di forza unici. Il filtro di Kalman stima dinamicamente la soluzione di navigazione e gli errori dei sensori, mentre tecniche come la navigazione a stima garantiscono la continuità tra le correzioni GNSS. Questa navigazione ibrida mantiene un’elevata precisione di navigazione inerziale in condizioni di volo dinamiche e blocchi GNSS di breve durata.

Vantaggi rispetto all’INS convenzionale

Rispetto a un sistema di navigazione inerziale autonomo, l’integrazione GNSS/INS offre chiari vantaggi:

• Riduzione della deriva e dei limiti di errore
• Localizzazione affidabile del veicolo in ambienti con segnale degradato
• Maggiore robustezza e autonomia del sistema
• Migliore integrità e rilevamento dei guasti, tramite supporto GNSS
• Prestazioni ottimizzate per una navigazione ad alta precisione

Insieme, questi vantaggi consentono ai droni e ai veicoli senza pilota dotati di GNSS/INS di superare i limiti della sola navigazione a stima.

Applicazioni che traggono vantaggio dal GNSS/INS rispetto all’INS convenzionale

Rilevamento aereo e mappatura

In fotogrammetria, LiDAR e mappatura ad alta risoluzione, la precisione al centimetro è fondamentale. I droni dotati di GNSS/INS forniscono una navigazione ad alta precisione, garantendo il corretto allineamento dei sensori per il georeferenziazione. L’INS tradizionale tenderebbe a deviare durante i voli di lunga durata; il GNSS/INS mantiene la precisione anche su vaste aree di rilevamento.

GNSS/INS, ANELLO GNSS INS, di ANELLO Photonics.

Ispezione delle infrastrutture (ponti, condutture, linee elettriche)

L’ispezione delle infrastrutture spesso richiede la vicinanza e il volo lento in prossimità delle strutture ed è soggetta all’oscuramento GNSS. Il sistema GNSS/INS consente droni di ispezione a mantenere una posizione e un orientamento accurati, anche in zone con segnale GNSS degradato, garantendo l’integrità dei dati e riducendo i tassi di riflight.

Monitoraggio agricolo e forestale

I droni che operano su campi o terreni boschivi necessitano di una navigazione affidabile per coprire rotte predefinite. Il GNSS/INS consente una precisione costante a livello RTK, supportando l’analisi automatizzata dello stato di salute delle colture e i rilevamenti forestali in più missioni di volo.

Consegne e logistica

Con la maturazione dei sistemi di consegna tramite droni, diventa essenziale una navigazione accurata tra i centri di distribuzione e le zone di consegna. Il GNSS/INS mantiene la fedeltà della rotta e mitiga la deriva attraverso aree prive di GNSS, come i corridoi urbani, consentendo prestazioni ripetibili e affidabili.

Ricerca e soccorso e sicurezza pubblica

Nelle zone colpite da calamità o su terreni difficili, i droni dotati di GNSS/INS droni di primo soccorso mantengono la navigazione anche in caso di interruzioni del segnale GNSS. In combinazione con altri sensori, la navigazione integrata aiuta i servizi di emergenza e il personale di ricerca e soccorso a ottenere una consapevolezza affidabile della situazione.

Sistemi autonomi terrestri e marini senza pilota

Il GNSS/INS non è limitato all’uso aereo, ma supporta anche veicoli terrestri senza pilota (UGV) e imbarcazioni di superficie autonomi. Queste piattaforme utilizzano il GNSS/INS per seguire il percorso, evitare gli ostacoliSfide e considerazioni

Sebbene il GNSS/INS offra potenti funzionalità, per una sua implementazione di successo è necessario prestare attenzione a:

• Calibrazione dei sensori inerziali e compensazione della temperatura
• Gestione degli effetti multipath, della latenza del segnale e dei blocchi intermittenti
• Ottimizzazione dei filtri di Kalman per la fusione dei sensori per diversi profili dinamici
• Compromessi hardware: bilanciamento tra grado IMU, precisione GNSS e SWaP
• Il monitoraggio dell’integrità e il rilevamento dei guasti sono fondamentali per le missioni critiche per la sicurezza

Queste considerazioni influenzano la progettazione di sistemi GNSS/INS robusti nei veicoli senza pilota.

Panoramica del GNSS/INS per veicoli senza pilota

In sintesi, l’integrazione GNSS/INS rivoluziona la navigazione dei sistemi senza pilota, superando l’INS convenzionale in termini di precisione, affidabilità e autonomia. Che si tratti di mappatura di precisione, ispezione delle infrastrutture, logistica o sicurezza pubblica, il GNSS/INS consente a droni, veicoli terrestri e robot marini di operare in modo stabile anche in caso di interruzioni del GNSS. Con il progresso della fusione dei sensori e la miniaturizzazione dell’hardware, il GNSS/INS è al centro della navigazione di nuova generazione per le iniziative autonome.