GNSS/INS (INS assistido por GNSS) para drones e veículos não tripulados

Os veículos não tripulados modernos dependem fortemente da precisão e estabilidade da navegação. INS convencional, ancorado por sensores inerciais como acelerómetros e giroscópios, calcula a posição e a velocidade através da integração contínua de dados de aceleração e velocidade angular. Isto oferece um excelente desempenho a curto prazo e independência de sinais externos. No entanto, o desvio pode ser um problema: pequenos erros do sensor acumulam-se ao longo do tempo, levando a imprecisões de posição.

O GNSS/INS é uma abordagem de fusão que combina o INS com atualizações baseadas no GNSS, garantindo um crescimento consistente e limitado do erro. O GNSS fornece posicionamento absoluto periódico, corrigindo o desvio e aumentando significativamente a confiabilidade operacional, o que é fundamental para missões de longa duração ou ambientes onde o INS autônomo pode sofrer erros cumulativos.

O que é GNSS/INS e como funciona?

GNSS/INS, NAUTILUS, da Honeywell Aerospace.

O GNSS/INS é um método de navegação híbrido que combina o posicionamento por satélite (de GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou) com dados inerciais para produzir estimativas precisas e contínuas de posicionamento e orientação. Algoritmos de fusão de dados, muitas vezes empregando filtros Kalman ou variantes estendidas, sintetizam correções GNSS com medições IMU para estimar o estado do veículo e a covariância de erros.

Os principais componentes do GNSS/INS são:

• IMU (Unidade de Medição Inercial), já crucial no INS convencional, agora funciona em conjunto com o GNSS.
• O recetor GNSS fornece a posição e a velocidade absolutas.
• Correções RTK
• O filtro Kalman de fusão de sensores combina dados para gerar soluções de navegação robustas.

Esta arquitetura permite a navegação por estimativa, permitindo que o INS estime a posição durante os intervalos entre as atualizações do GNSS. Como resultado, o sistema integrado pode manter um posicionamento confiável mesmo em ambientes com sinais GNSS intermitentes ou obstruídos, como durante missões prolongadas com drones, em canyons urbanos ou em ambientes internos.

Fusão de sensores: ligando GNSS/INS em tempo real

No centro do GNSS/INS está a fusão de sensores, que combina IMU e GNSS para aproveitar os seus pontos fortes exclusivos. O filtro Kalman estima dinamicamente a solução de navegação e os erros do sensor, enquanto técnicas como a navegação por estimativa garantem a continuidade entre as correções do GNSS. Esta navegação híbrida mantém alta precisão de navegação inercial em condições de voo dinâmicas e bloqueios de GNSS de curto prazo.

Vantagens em relação ao INS convencional

Em comparação com um sistema de navegação inercial autónomo, a integração GNSS/INS oferece benefícios claros:

• Redução do desvio e dos limites de erro
• Localização fiável do veículo em ambientes com sinal degradado
• Maior robustez e autonomia do sistema
• Melhor integridade e deteção de falhas, através do auxílio do GNSS
• Desempenho otimizado para navegação de alta precisão

Juntas, essas vantagens elevam os drones e veículos não tripulados equipados com GNSS/INS acima das limitações da navegação por estimativa.

Aplicações que beneficiam do GNSS/INS em relação ao INS convencional

Levantamento aéreo e mapeamento

Na fotogrametria, LiDAR e mapeamento de alta resolução, a precisão ao nível do centímetro é vital. Os drones equipados com GNSS/INS proporcionam uma navegação de alta precisão, garantindo que os sensores estejam corretamente alinhados para georreferenciamento. O INS tradicional tenderia a desviar-se durante voos longos; o GNSS/INS mantém a precisão mesmo em áreas de levantamento extensas.

GNSS/INS, ANELLO GNSS INS, da ANELLO Photonics.

Inspeção de infraestruturas (pontes, oleodutos, linhas elétricas)

A inspeção de infraestruturas envolve frequentemente proximidade, voos lentos perto de estruturas e é propensa a sombreamento GNSS. O GNSS/INS permite drones de inspeção a manter uma posição e orientação precisas, mesmo em zonas com GNSS degradado, garantindo a integridade dos dados e reduzindo as taxas de voos repetidos.

Monitorização agrícola e florestal

Os drones que operam sobre campos ou terrenos florestais precisam de uma navegação fiável para cobrir rotas predefinidas. O GNSS/INS permite uma precisão consistente ao nível RTK, suportando análises automatizadas da saúde das culturas e levantamentos florestais em várias missões de voo.

Entrega e logística

À medida que os sistemas de entrega por drones amadurecem, a navegação precisa entre centros de distribuição e zonas de entrega torna-se essencial. O GNSS/INS mantém a fidelidade da rota e mitiga o desvio em áreas sem GNSS, como corredores urbanos, permitindo um desempenho repetível e confiável.

Busca e salvamento e segurança pública

Em zonas de desastre ou terrenos desafiantes, os drones de primeira resposta equipados com GNSS/INS mantêm a navegação mesmo em meio a interrupções do sinal GNSS. Combinada com outros sensores, a navegação integrada ajuda os serviços de emergência e as equipas de busca e salvamento a obter uma perceção fiável da situação.

Sistemas autónomos terrestres e marítimos não tripulados

O GNSS/INS não se limita ao uso aéreo; ele também oferece suporte a UGVs autônomos e embarcações de superfície. Essas plataformas utilizam GNSS/INS para rastreamento de trajetória, evitar obstáculos e consciência situacional, que se provou ser mais fiável do que os sistemas apenas INS.

Desafios e considerações

Embora o GNSS/INS ofereça recursos poderosos, a implementação bem-sucedida requer atenção a:

• Calibração de sensores inerciais e compensação de temperatura
• Tratamento de efeitos multipath, latência de sinal e bloqueio intermitente
• Ajuste de filtros Kalman de fusão de sensores para diversos perfis dinâmicos
• Compromissos de hardware: equilibrar a classificação IMU, a precisão GNSS e o SWaP
• O monitoramento da integridade e a detecção de falhas são fundamentais para missões críticas de segurança

Essas considerações informam o projeto de sistemas GNSS/INS robustos em veículos não tripulados.

Visão geral do GNSS/INS para veículos não tripulados

Em resumo, a integração do GNSS/INS revoluciona a navegação de sistemas não tripulados, superando o INS convencional em precisão, confiabilidade e autonomia. Seja para mapeamento de precisão, inspeção de infraestruturas, logística ou segurança pública, o GNSS/INS permite que drones, veículos terrestres e robôs marítimos operem de forma estável, mesmo em meio a interrupções do GNSS. À medida que a fusão de sensores avança e o hardware se miniaturiza, o GNSS/INS está no centro da navegação de última geração para empreendimentos autónomos.