Original paper

A Micro Aerial Vehicle with Precise Position and Attitude Sensors

[Ein MAV (Micro Aerial Vehicle) mit genauen Sensoren für die Positions- und Neigungsbestimmung]

Rehak, Martin; Mabillard, Romain; Skaloud, Jan

Abstract

This study shows the potential of navigation technologies in the field of position and orientation determination on a micro aerial vehicle (MAV), the weight of which does not exceed 5 kg. Although the MAV systems feature high flexibility and capability of flying into areas that are inhospitable or inaccessible to humans, the lack of precision in positioning and attitude estimation on-board decreases the gained value of the captured imagery. This limits their mode of operation to indirect georeferencing. This paper presents the development of a low cost MAV with navigation-sensor payload that shall assure a position and attitude control with accuracy from which either direct or integrated sensor orientation can benefit. After describing the hardware configuration and the synchronization of all measurements we present a case study that evaluates the performance of the positioning component and its application on integrated sensor orientation without ground control. There we show that thanks to the implementation of a multi-frequency, low power GNSS receiver, the system can potentially attain the mapping characteristics of much larger platforms flown on man-operated carriers while keeping the sensor size and weight suitable for MAV operations. The attitude accuracy of the developed board hosting several MEMS-IMUs is evaluated dynamically on a terrestrial vehicle using a reference (navigation grade) INS. Although this method offers continuous evaluation of the orientation accuracy and the obtained results are satisfactory with respect to the foreseen operations, this performance remains to be confirmed in a flight.

Kurzfassung

Diese Untersuchung zeigt das Potenzial von Navigationssystemen für die Bestimmung der äußeren Orientierung von MAVs (Micro Aerial Vehicles) bis zu einem Gewicht von 5 kg. Die fehlende hochgenaue direkte Bestimmung der Orientierungsdaten der Bilder relativiert oft die Stärken von MAVs, z. B. ein Bildflug in Gebieten, die für den Menschen unzugänglich sind. Das bedeutet, dass immer eine indirekte Georeferenzierung, also die Bildtriangulation, erforderlich ist. In dem vorliegenden Artikel wird die Entwicklung einer low-cost Navigationseinheit für die direkte Georefenzierung von MAVs vorgestellt. Nach der Beschreibung der Hardware-Konfiguration und der Methode zur Synchronisationen aller Komponenten wird eine Fallstudie vorgestellt, die die Leistungsfähigkeit der Methode unter Beweis stellt und dabei die Ergebnisse der direkten Georefenzierung an bekannten Bodenpunkten prüft. Dabei zeigen die Autoren, dass der Multifrequenz GNSSEmpfänger mit geringer Leistungsaufnahme bezüglich der Genauigkeit mit Systemen, die auf bemannten Flugzeugen verwendet werden, vergleichbar ist. Die Genauigkeit der vom Autorenteam entwickelten Leiterplatte für die Neigungsmessung wurde durch eine 20-minütige Testfahrt mit einem Auto geprüft

Keywords

UAVMAVintegrated sensor orientationGNSS/INS