Multi-Sensor Data Fusion for High-Precision Indoor/Outdoor UAV Navigation

Abstract

El juny de 2015, la Comissió Europea va decidir invertir en el desenvolupament d’un nou projecte de recerca anomenat TIMON, incl òs dins del programa Horizon 2020. El principal objectiu d’aquest projecte europeu consisteix en establir un sistema cooperatiu on persones, vehicles i infraestructures estiguin tots connectats entre ells. Amb TIMON es pret én elevar els est àndards de seguretat, eficiència i flexibilitat dels sistemes de transport terrestre. Part d’aquest projecte s’ha realitzat al Centre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC), el qual és el responsable de la creaci ó d’una plataforma de posicionament que porta integrades dues Unitats de Mesura Inercial (IMU en anglès) ajudades per un Sistema de Navegació Global per Sat` el lit (GNSS en angl` es). Tot aix ò s’ha preparat amb la finalitat de proporcionar posicionament de manera precisa i completament fiable. Els objectius generals d’aquesta tesis són: i) contribuir a la plataforma de TIMON per tal de millorar la navegació en vehicles terrestres i, conseq¨uentment, obtenir millors resultats de posici ó en zones on la recepció de senyals GPS és molt d` ebil or nul la i els Sistemes de Navegació Inercial (INS en anglès) de baix cost no són capac¸os de garantir una navegació per estima de qualitat; i ii) estendre l’ ús d’aquesta plataforma per poder ser aplicada a Vehicles Sense Pilot (UAV en angl` es), permetent que naveguin tant en exteriors com en interiors. Més detalladament, aquesta tesis s’enfronta als seg¨uents reptes: 1) estudi i implementació de la tecnologia Ultra-Wideband (UWB) a la integraci ó estàndard de GNSS/INS; 2) desenvolupament d’una arquitectura d’integraci ó loose/tight híbrida; 3) avaluaci ó de la fusi ó de dades amb diversos sensors (incloent les mesures UWB) tant en navegació terrestre com a` eria, tot utilitzant dades reals per fer les proves; i 4) millorar els resultats obtinguts de la fusi ó per tal de millorar el funcionament del prototip i, per tant, aconseguir una soluci ó per a la navegació molt més precisa. El contingut d’aquesta tesis est à distribu¨ıt en 8 capítols, a més d’una introducci ó i unes conclusions. En primer lloc, s’inclou una introducci ó on es parla del context en el qual està emmarcat el projecte i dels objectius que es volen aconseguir. Seguidament, el Capítol 1 resumeix els procediments i tecnologies desenvolupades durant la ´ ultima dècada per tal de millorar el posicionament en espais privats de GNSS. El Capítol 2 presenta les característiques bàsiques dels principals sensor utilitzats en aquesta tesis. A continuaci´ o, el Capítol 3 exposa els principis del Filtre de Kalman, el qual s’ha fet servir per a la estimació dels paràmetres desitjats. El Capítol 4 descriu les diferents arquitectures d’integraci ó desenvolupades en aquesta tesis i el Capítol 5 fa refer ència a les millores implementades per tal de consolidar l’arquitectura est àndard. Després, el Capítol 6 presenta el prototip utilitzat per a gravar i emmagatzemar el set de dades reals que posteriorment seran emprades per provar el funcionament de la integraci ó GNSS/INS/UWB. El seg¨uent capítol 7 detalla els experiments portats a terme i, posteriorment, es presenten els resultats obtinguts al Capítol 8. Finalment, la ´ ultima part del projecte correspon a les conclusions obtingudes després de realitzar tota la feina presentada pr èviament.

In June 2015, the European Commission invested in the development of a new research project, known as TIMON, within the framework of the Horizon 2020 programme. This EU project aims to establish a cooperative ecosystem where people, vehicles and infrastructures are interconnected. TIMON pretends to increase the levels of safety, efficiency and flexibility of land transport systems. Part of this project is carried out in the Centre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC), responsible of developing a positioning platform integrating Inertial Measurement Units (IMUs), which operate with the information acquired by accelerometers and gyroscopes (part of an Inertial Navigation System (INS)), and Global Navigation Satellite System (GNSS), with the goal to provide accurate and reliable navigation information. The goals of this thesis are i) to contribute to the TIMON platform, in order to enhance its navigationcapabilitiesforlandvehiclesand,consequently,achieveabetterperformancein areas where GNSS signals are in part or totally denied, and low-cost INS are not capable to guarantee reliable dead reckoning estimations, and ii) extend its use for UAV indoor/outdoor navigation. In detail, the main objectives of this thesis are: 1) study and integration of UWB technology to the standard GNSS/INS integration architectures; 2) development of a new hybrid loose/tight integration solution; 3) testing the resulting multi-sensor data fusion, including the UWB measurements, for land and air vehicle navigation using real data; and 4) enhance the data fusion results obtained from the measurement campaigns to improve the system performance and, therefore, achieve a better navigation solution. The content of this thesis is distributed in 8 chapters, besides an introduction and conclusions. First, a brief introduction is included to further explain the context in which this project is carried out and the goals to be accomplished. Thereafter, Chapter 1 briefly covers the state-of-the-art methods and technologies developed for improving positioning in GNSS-deniedenvironmentsoverthelastdecade. Chapter2establishesthefundamentals ofthedifferentsensorsusedforthedatafusion(INS,GNSSandUWB).Afterthat,Chapter 3 explains the Kalman Filter-based algorithm that estimates the desired parameters of the system. Subsequently,4describesthedifferentintegrationarchitecturesdevelopedforthis thesis, and 5 covers the enhancements that have been implemented in order to robustify the baseline architecture. After that, Chapter 6 presents the prototype used to capture the real data necessary to test the performance of the GNSS/INS/UWB integration architecture. Once the implementation is described, the real measurement campaigns carried out are detailed in 7 and, the results obtained are presented in Chapter 8. Finally, the last part of this project corresponds to the conclusions obtained after all this work.