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Tesis:

Autonomous fixed wing unmanned air vehicle GNSS-Denied navigation : fusion of extended Kalman Filter in SE(3) manifold with inertially assisted semi-direct visual odometry

  • Autor: GALLO OLALLA, Eduardo

  • Título: Autonomous fixed wing unmanned air vehicle GNSS-Denied navigation : fusion of extended Kalman Filter in SE(3) manifold with inertially assisted semi-direct visual odometry

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/77163/

  • Director/a 1º: BARRIENTOS CRUZ, Antonio

  • Resumen: El objetivo de esta tesis es mejorar la navegación de aviones autónomos de ala fija en entornos con GNSS-Denegado para que en caso de que la disponibilidad de señales de GNSS desaparezca durante el vuelo, la aeronave sea capaz de alcanzar los alrededores de un lugar de recuperación predeterminado, desde donde pueda ser aterrizada por control remoto. La reducción de la deriva en posición horizontal inherente a entornos con GNSS-Denegado se consigue fusionando un sistema de navegación inercial con otro visual que se basa exclusivamente en las imágenes de la superficie de la Tierra obtenidas con una cámara embarcada en la plataforma; ambos sistemas operan sobre el grupo Lie o variedad SE(3) de el movimiento de cuerpos rígidos para limitar la acumulación de errores causada por la ausencia de medidas absolutas de posición. Aunque los algoritmos de odometría visual inercial se han empleado para la navegación de varios tipos de robots y vehículos autónomos, el sistema de navegación propuesto está específicamente adaptado a aeronaves de ala fija, usando sensores que normalmente sólo se utilizan para control en vez de navegación, y teniendo en cuenta que alcanzar el lugar de recuperación puede implicar volar largas distancias sin señales de GNSS con una meteorología variable y turbulenta. Los algoritmos de navegación propuestos son evaluados mediante simulaciones de Monte Carlo de tres escenarios representativos de los desafíos de la navegación con GNSS-Denegado, haciendo uso de un simulador de alta fidelidad desarrollado como parte de esta tesis. Los resultados obtenidos, válidos para un amplio rango de calidades de sensores así como para diferentes tipos de terreno sobrevolado, indican que la estimación de la actitud de la plataforma no experimenta ninguna deriva en ausencia de señales de GNSS, por lo que la aeronave puede permanecer en el aire siempre que le quede combustible. Además, el error en posición vertical está limitado por el cambio de presión atmosférica que ocurre desde que se pierden las señales de GNSS, mientras que la posición horizontal experimenta una deriva que es solamente una pequeña fracción de la que se obtiene con los sistemas de navegación inercial o visual operando por sí solos. ABSTRACT The aim of this thesis is to improve the GNSS-Denied navigation capabilities of fixed wing autonomous aircraft so in case the GNSS signals become unavailable in mid flight, the aircraft can reach the vicinity of a predetermined recovery location, from where it can be landed by remote control. The reduction of the horizontal position drift inherent to GNSS-Denied conditions is achieved by merging an inertial navigation system with a visual one that relies exclusively on the images of the Earth surface taken by an onboard camera; both systems operate on the SE(3) manifold of rigid body motions to limit the accumulation of errors caused by the lack of absolute position references to the lowest possible amount. Although visual inertial odometry algorithms have been applied to the navigation of various types of robots and autonomous vehicles, the proposed navigation system is specifically adapted to fixed wing aircraft, making use of onboard sensors normally employed only for control purposes instead of navigation, and considering that reaching the recovery location may involve flying for long distances without GNSS signals in turbulent and varying weather. The proposed navigation algorithms are evaluated by means of Monte Carlo simulations of three scenarios representative of the challenges of GNSS-Denied navigation, making use of a high fidelity flight simulation developed as part of this thesis. The results obtained, which are valid for a wide array of onboard sensor grades as well as different types of overflown terrain types, indicate that the body attitude estimation does not experience any drift in the absence of GNSS signals, so the aircraft can remain aloft for as long as it has fuel. In addition, the vertical position error is limited and bounded by the change in atmospheric pressure offset that occurs since the GNSS signals are lost, while the horizontal position experiences a drift that is nevertheless just a small fraction of what can be achieved by either the inertial and visual navigation systems operating independently.