¿Por qué utilizar un sistema de navegación inercial de calidad topográfica en un vehículo aéreo no tripulado?

Al emprender cualquier forma de vuelo, es importante comprender la orientación de la plataforma aérea, la naturaleza de su movimiento y la dirección en la que se dirige. En el contexto de los vehículos aéreos no tripulados (UAV), estas características del vuelo pueden ser comprendidas por el piloto simplemente observando el movimiento de la plataforma UAV cuando vuela dentro de la línea de visión visual. Para reducir el error humano cuando se vuela de forma manual, una serie de sensores de la plataforma del UAV pueden proporcionar información al controlador de vuelo del piloto. En otros métodos de vuelo, la información relacionada con el movimiento del vuelo, junto con la información de localización de los sistemas de detección de navegación global, como el sistema global de navegación por satélite (GNSS o GPS), se convierte en una necesidad durante las operaciones automatizadas del piloto automático.

El tipo de sistema que suele utilizarse para medir este movimiento es una unidad de medición inercial (IMU). Compuesta normalmente de giroscopios y acelerómetros, la información de la IMU caracteriza la dinámica del movimiento de una plataforma en términos de un flujo continuo de datos relacionados con la aceleración lineal del vehículo en tres ejes principales, junto con parámetros de rotación a lo largo de tres ejes principales (cabeceo, rol y rumbo). Muchos sistemas de control de vuelo de UAV incluirán una forma de IMU para proporcionar la información necesaria tanto a un sistema de piloto automático como al software de control de vuelo del piloto en tierra. Sin embargo, cuando se utiliza un UAV para recoger datos con fines topográficos, el flujo de datos de la IMU sólo proporciona una parte de la información.

Cuando se trata de topografía, es importante comprender la relación entre la plataforma del vehículo aéreo no tripulado, la geometría externa del sensor de imágenes montado sobre ella y el terreno que hay debajo. El mundo no es plano", aunque el resultado de un estudio pueda ser un plano bidimensional; los paisajes y sus estudios son intrínsecamente tridimensionales. En su nivel más simple, es necesario saber si las ondulaciones que se observan en el suelo son función del paisaje o de la trayectoria de vuelo del UAV. Para recoger los datos que se utilizarán en un estudio, el UAV estará equipado con un sensor de imágenes que puede ser una cámara o un sistema de escaneado láser (LiDAR).

En el caso de la fotografía aérea, hay que calcular el efecto de la altura del suelo para proyectar mejor lo que se ve sobre el terreno en lo que es esencialmente una "fotografía plana" en el caso de una ortofotografía.

Cuando las tolerancias de precisión se miden con frecuencia en un par de metros o (más habitualmente) centímetros, puede ser importante calcular la más mínima desviación angular en el movimiento y la dirección del sensor de imágenes que va montado en el UAV. En el contexto del escaneado láser, los datos se recogen mediante un sensor láser pulsante que mide el tiempo que tarda en recibir un retorno después de que ese pulso haya golpeado una superficie en el suelo. Este retorno puede ser la parte superior de una estructura superficial o el propio suelo, y vuelve en la dirección del sensor. Los retornos láser se recogen en un área en función del hecho de que el sensor láser a menudo gira (esencialmente "pulverizando" pulsos láser a lo largo de un plano), y la plataforma UAV en la que está montado el sensor también se mueve.

En una nota técnica anterior "¿Por qué es importante un sistema de navegación inercial (INS) para las aplicaciones topográficas y cartográficas de los vehículos aéreos no tripulados (UAV)?", se han descrito las diferencias entre las técnicas de georreferenciación pasiva (sólo mediante puntos de control terrestre (GCP)) y directa. La georreferenciación directa utiliza un sistema de navegación inercial (INS) para proporcionar un flujo de trabajo más eficiente y más coherente para asignar coordenadas espaciales a los datos recogidos por el UAV. Debido a consideraciones de coste y al estado actual de las cámaras ligeras, la georreferenciación pasiva sigue siendo habitual en las operaciones de fotogrametría con vehículos aéreos no tripulados debido a las cámaras de consumo que se siguen utilizando. Sin embargo, si se empleara la georreferenciación directa de forma similar a como se hace hoy en día en fotogrametría aérea desde aeronaves tripuladas, se podrían realizar levantamientos fotogramétricos con UAV que necesitaran menos GCP. En el caso de LiDAR, la utilización de un INS es una necesidad, ya que las coordenadas de 100.000 puntos por segundo deben calcularse individualmente.

Un INS incluye giroscopios y acelerómetros similares a los que se pueden encontrar en una IMU para calcular la dinámica de movimiento del UAV, junto con un sistema computacional que puede tomar como entrada datos GNSS, y aplica una serie de filtros estadísticos para calcular una mejor estimación de la posición basada en los datos que tiene disponibles. Al utilizar un INS, la posición del UAV (y de sus sensores) puede calcularse a una frecuencia mayor que la del GPS por sí solo; tiene en cuenta el movimiento del UAV y, mediante la aplicación de filtros estadísticos, es capaz de proporcionar una mejor estimación de la posición en caso de que la información de uno de los sensores de entrada no sea óptima. Además, al registrar la trayectoria de la plataforma (y, por tanto, del sensor de imágenes) a lo largo de su misión, se dispone de un registro de posición que puede ser postprocesado y refinado para proporcionar datos de posicionamiento aún mejores para los datos recogidos durante ese vuelo. Es esta integración de los datos de posicionamiento la que ilustra por qué, cuando se tiene en cuenta el movimiento del UAV para recoger datos con fines topográficos, no basta con la información procedente de una IMU o de un receptor GNSS.

El auge de la tecnología de los vehículos aéreos no tripulados ha dado lugar a una amplia gama de plataformas de este tipo. Éstas abarcan desde sistemas de consumo hasta sistemas profesionales, con una amplia gama de precios y una gran variedad de capacidades funcionales de los componentes de estos sistemas, incluidos el piloto automático y los sistemas de operaciones de vuelo empleados. Debido a los tipos de materiales y tecnologías utilizados en los sistemas profesionales de imágenes 3D, como las cargas útiles LiDAR, también significa que el valor monetario del sensor de imágenes a menudo puede ser de 2 a 6 veces el valor de la propia plataforma UAV.

Uno de los principios de cualquier metodología relacionada con las encuestas es el de la coherencia. Debido a la variedad de plataformas disponibles, esto significa que la calidad y la capacidad de los componentes utilizados en los sistemas de control de vuelo de dos plataformas UAV cualesquiera pueden ser muy diferentes entre sí. Las capacidades de navegación de un sistema de control de vuelo también se han diseñado a menudo para funcionar con diferentes grados de tolerancia espacial que las de un sistema que se ha diseñado para el control topográfico. Por ejemplo, los datos recogidos por un vehículo de recogida de datos geoespaciales en movimiento (por ejemplo, un vehículo aéreo no tripulado o un vehículo cartográfico móvil) normalmente deben posicionarse con una precisión de +/- 5 cm para que se consideren "de calidad topográfica". El sistema de piloto automático de un vehículo aéreo no tripulado octocóptero, que suele utilizarse en operaciones profesionales para transportar una carga útil de imágenes, suele tener una especificación de posicionamiento en vuelo estacionario de entre +/- 0,5 y 1,5 metros. Un sistema de navegación por satélite como el OXTS xNAV550 El sistema inercial+GNSS calcula la trayectoria espacial de una plataforma UAV con una precisión de +/- 2 cm.

En una época en la que los profesionales de los UAV necesitan poder combinar sus cargas útiles, es comprensible por qué los requisitos para transportar una carga útil para aplicaciones topográficas pueden ser diferentes de los de utilizar la misma plataforma UAV para otros fines. Sin embargo, el uso de un INS de calidad topográfica en proyectos que lo requieren significa que el profesional está utilizando una tecnología que le permite ser más productivo, pero también está empleando un método validado de posicionamiento de los datos que recopila que cumple con los niveles de tolerancia más finos requeridos por los proyectos relacionados con la topografía.