GNSS-denied navigácia: Dead-reckoning a nasadenie UWB kotiev pre interiérové misie

Prečo navigovať bez GNSS a čo to znamená pre UAV

GNSS (GPS/Galileo/GLONASS/BeiDou) je mimo interiéru a mestských kaňonov veľmi spoľahlivý, no v halách, tuneloch, pod strechou či v blízkosti rušenia signálu je nepoužiteľný. Pre autonómne UAV to znamená nutnosť kombinovať dead-reckoning (DR) z inerciálnych senzorov so relatívnym pozičným systémom, napríklad UWB kotvami. Cieľom je dosiahnuť kontinuálnu a stabilnú lokalizáciu s nízkym oneskorením, ktorá je odolná voči dočasným výpadkom jednotlivých senzorov.

Dead-reckoning: základný princíp, silné a slabé stránky

Dead-reckoning integruje zrýchlenie a uhlovú rýchlosť z IMU (akcelerometer + gyroskop) v čase. Výpočet polohy prebieha od známeho počiatočného stavu podľa:

• Attitude (orientácia): integrácia gyier → rotácia tela voči svetu.
• Rýchlosť: integrácia lineárnych zrýchlení po kompenzácii gravitácie.
• Poloha: integrácia rýchlosti.

Výhody: extrémne nízka latencia, funguje v tme aj bez externých referencií, vysoká dynamická odozva. Nevýhody: drift (biasy a šum IMU sa integráciou kumulujú), citlivosť na kalibráciu a vibrácie.

Inerciálne senzory a kalibrácia: IMU, magnetometer, barometer

• IMU: dôležitá je bias stabilita gyier a akcelerometrov, nízky šum a nezávislosť osi. Pred nasadením vykonajte statické/teplotné kalibrácie a určte skew/scale matice.
• Magnetometer: v interiéri často nepoužiteľný kvôli rušeniu (oceľ, káble). Hodí sa iba ako mäkké obmedzenie yaw pre pomalé driftovanie.
• Barometer: dobrý pre relatívnu výšku v uzavretom priestore, no citlivý na prúdenie vzduchu a termiku. Vhodný ako doplnková referencia v loiter/altitude hold.

UWB kotvy: princíp, architektúra a topológie

UWB (Ultra-Wideband) poskytuje presné meranie vzdialeností vo vnútri budov vďaka krátkym impulzom a širokému pásmu. Dve základné schémy:

• TWR (Two-Way Ranging): dron si vymieňa správy s jednou kotvou a priamo meria čas letu (ToF). Jednoduché, nepotrebuje presnú synchronizáciu hodín, no škáluje horšie pri viacerých kotvách.
• TDoA (Time Difference of Arrival): kotvy sú synchronizované, dron iba počúva čas príchodu a počíta rozdiely (hyperboly). Výborne škáluje a poskytuje vyššie update rate, no vyžaduje spoľahlivú synchronizáciu siete kotiev.

Odporúčaná topológia pre miestnosti a haly je minimálne 4–6 kotiev s dobrým geometrickým rozmiestnením (výška + rohy, nie v jednej rovine). Vysoké stropy riešte doplnením kotvy na tráme/stĺpe pre zlepšenie observability osi Z.

Geometria a „GDOP“ analógia pre UWB

Tak ako pri GNSS existuje GDOP/PDOP, aj v UWB platí, že geometria kotiev zásadne ovplyvňuje kovarianciu odhadu. Praktické pravidlá:

• Minimalizujte kolinearitu – vyhnite sa umiestneniu kotiev na jednej stene/čiare.
• Pokryte objem – aspoň jedna kotva by mala byť výrazne vyššie/nižšie pre zlepšenie výšky.
• Dbajte na line-of-sight a znižujte NLOS (sklo, kov, ľudské telo) – multipath zvyšuje bias v meraniach.

Synchronizácia siete kotiev a časovanie

Pre TDoA je kľúčová synchronizácia: buď káblová (PPS/clk) alebo bezdrôtová (TDMA/Blink protokol). Divergencia hodín spôsobuje systematické chyby v range. Pri bezdrôtovej synchronizácii kontrolujte drift a periodicky vykonávajte recalibration beacons.

Model chýb: NLOS, multipath a antény

• NLOS detekcia: heuristiky podľa tvaru impulzu, SNR a channel impulse response (CIR). Pri podozrení z NLOS zvýšte meraciu kovarianciu alebo meranie odmietnite.
• Multipath: v otvorených halách zvyčajne menší problém ako v úzkych chodbách. Zvoľte kanál (napr. 5/9) a dátové rýchlosti podľa lokálnych podmienok.
• Anténa: používajte izotropnejšie antény a dbajte na oddelenie od motoblokov/uhlíkových ramien. Kalibrujte antenna phase center voči telovej súradnici dronu.

Fúzia senzorov: EKF/UKF/ESKF a faktografický prístup

Fúzia IMU (vysoké Hz) + UWB (stredné Hz) prebieha v stavovom estimátore. Dva overené prístupy:

• ESKF (Error-State Kalman Filter): IMU integruje nominálny stav; UWB merania opravujú chybu stavu. Výhodné pre malé odchýlky a vysoké frekvencie.
• Faktografická optimalizácia (factor graph, napr. s iSAM2/GTSAM): okenná optimalizácia nad trajektóriou; výborné pre kombináciu s vizuálnymi/značkovacími uzlami a pre offline/near-real-time refine.

Stav tipicky obsahuje: pozíciu p, rýchlosť v, orientáciu q, biasy IMU (b_g, b_a) a prípadne časový offset. UWB range meranie má podobu z = ||p – p_kotva|| + n. Pri TDoA vstupuje rozdiel diaľok k dvojici kotiev.

Vizuálna asistencia: VIO a fiducialy v interiéri

Pre zníženie driftu DR a zvýšenie robustnosti voči krátkodobým výpadkom UWB sa bežne využíva vizuálno-inerciálna odometria (VIO). Vhodné doplnky:

• VIO (mono/stereo): poskytuje relatívny pohyb s nízkym driftom, citlivý na textúru a osvetlenie.
• Fiducialy (AprilTag/ArUco): presné body pre loop-closure a absolute pose; umiestnené na stenách/stĺpoch.
• Optický flow nadol + lidar/ToF výška: stabilný loiter vo výškach 0,2–5 m nad povrchom.

Rámce súradníc a zladenie referencií

Definujte jednoznačne:

• map/world: pevný rám interiéru (UWB kotvy, značky).
• odom: lokálne bezdriftové rozpätie od VIO/DR, občas re-referencované.
• base_link: rám dronu (IMU pôvod, UWB fáza antény).

Pri fúzii je kľúčová extrinsická kalibrácia (posun/rotácia medzi IMU, UWB anténou, kamerou). Chybná extrinsika sa prejaví osciláciami a systematickým offsetom.

Riadenie letu bez GNSS: režimy a prechody

• Position hold (interiér): vstup z fúzneho estimátora → horizont riadi optický flow/VIO/UWB, výšku baro+lidar.
• Trajectory tracking: časovaný Mellinger/jerk-minimal alebo MPC; predikcie berú do úvahy latenciu UWB.
• Failsafe prechod: strata UWB → dočasne VIO/OF stabilizácia; strata VIO → manuálny/alt-hold, pristátie.

Integrita a detekcia chýb (FDI/Fault flags)

• Innovation gating: sledujte normalizované rezíduá UWB/VIO; pri dlhšom prekročení prahu dočasne znížte váhu merania.
• Chi-square testy a SPRT: rýchla identifikácia NLOS outlierov.
• Redundantné kotvy: v pláne letu rátajte s výpadkom 1–2 kotiev bez straty stability.

Architektúra systému: od kotiev po autopilot

• UWB vrstva: kotvy (PoE/nabíjačky), synchronizácia, backend (TDoA solver) alebo onboard TWR driver.
• Estimácia: onboard ESKF (200–1 000 Hz IMU, 10–100 Hz UWB/VIO), zdieľanie stavu cez MAVLink/ROS 2.
• Riadenie: pozíciový/trajectorický regulátor (MPC/SE(3) geometric control).
• Supervízia: monitor KPI, FDI, logger (IMU raw, ranges, innovations).

Praktická inštalácia UWB: kroky a odporúčania

1. Mapovanie priestoru: rozmery, materiály, pravdepodobné NLOS zóny.
2. Návrh geometrie: 4–6 kotiev, rôzne výšky, kotva pri vstupe a v strede haly.
3. Vymedzenie súradníc: zameranie kotiev (laser/total station) alebo presná pásmová triangulácia; export do map frame.
4. Synchronizácia a kanály: zvoliť kanál (napr. 5/9), dátový profil, prípadné skoordinovanie s Wi-Fi/BLE.
5. Overenie linky: meranie CIR/SNR, test TDoA rezíduí, detekcia NLOS hotspotov.

Kalibrácie: čo musíte urobiť pred prvým letom

• IMU: statická/teplotná, určte bias a scale, validujte Allanovou deviacou.
• Extrinsika: odhad posunu UWB antény voči IMU (ručne/optimalizačne).
• Časové oneskorenia: odhad latency UWB/VIO; v ESKF modelujte time offset stavom alebo kompenzujte v predradení.
• Magnetické mapy (voliteľné): ak používate yaw pomocou magnetometra, vytvorte lokálnu mapu anomálií.

Meranie výkonu: metriky a testovací plán

Metrika	Definícia	Cieľ
ATE/RMSE (absolútna chyba trajektórie)	Priemerná odchýlka voči referencii (motion capture/laser)	< 10–20 cm v hale, < 30–50 cm v zložitom NLOS
NEES/Consistency	Súlad medzi odhadovanou kovarianciou a skutočnou chybou	Bez systematického pod/over confidence
Latency	Oneskorenie estimátu voči reálnemu pohybu	< 50 ms pre plynulé riadenie
Availability	% času so spoľahlivou polohou	> 99 % v pracovnom objeme
Robustnosť pri výpadku	Držanie polohy pri strate 1–2 kotiev alebo VIO	Stabilné, bez divergovania > 5 s

Bezpečnosť a prevádzkové postupy v interiéri

• Definujte bezpečné koridory a zóny bez letu (nad ľuďmi, pri dverách).
• Pripravte núdzové pristátia a fail-safe na stratu polohy (alt-hold + klesanie).
• Obmedzte max. rýchlosť a zrýchlenie podľa priestoru a latencie lokalizácie.
• Vždy majte spottera pri testoch a vizuálne potvrdenie správania.

Interferencia a regulačné aspekty UWB

UWB pracuje v licenčne voľných pásmach s obmedzeným výkonom. Rešpektujte lokálne normy (masky vyžarovania, duty-cycle) a minimalizujte interferenciu s inými technológiami vo fabrike (priemyselná Wi-Fi, RTLS v 2,4/5 GHz – spravidla koexistujú, no pozor na harmonické a vedené emisie).

Príklady integračných vzorov (ROS 2 / autopilot)

• Onboard ESKF: IMU (1 kHz) → ESKF → /odom; UWB ranges (30–100 Hz) a VIO (20–60 Hz) ako korekcie.
• MAVLink integrácia: publikujte VISION_POSITION_ESTIMATE alebo ODOMETRY do FCU; pre ultra-nízke latencie posielajte LOCAL_POSITION_NED.
• Hybrid: TDoA solver mimo dron (edge PC) → posielanie polohy cez Ethernet/Wi-Fi; dron používa onboard IMU pre vyhladenie a vysokofrekvenčné riadenie.

Testovanie a validácia: krok za krokom

1. Statika: dron na stojane; validujte šum/kovariancie, latenciu UWB, konzistenciu ESKF.
2. Krátky vis (1–2 m): sledujte oscilácie, drift bez VIO, reakciu na vypnutie 1 kotvy.
3. Trajektória v tvare L/štvorec: porovnajte ATE s referenciou (napr. z laserového sledovania alebo presných fiducialov).
4. Stres test: rýchle manévre, zmena výšky, zámerné NLOS (prekrytie kotvy človekom) – sledujte FDI a recovery.

Typické poruchové scenáre a nápravy

• „Gumé“ ovládanie/oneskorenie: vysoká latency v UWB pipeline → predikčný krok v riadení, extrapolácia stavu.
• Klopkanie v yaw: konflikt magnetometra s VIO/UWB → znížiť váhu magnetometra alebo vypnúť v interiéri.
• Skoky v polohe: NLOS outliery → robustný odhad (Huber/Cauchy), gating, blacklist problémových kotiev.
• Divergencia pri prudkom stúpaní: zlá observácia osi Z → pridajte hornú kotvu alebo lidar-altimeter.

Výkonnostné ciele pre priemyselný interiér

• Absolútna presnosť 10–30 cm v pracovnom objeme 30×30×10 m.
• Stabilné position hold s driftom < 5 cm/s bez vizuálnych podnetov.
• Obnova polohy do 0,5 s po krátkej strate 2 kotiev.
• MTBF bez neplánovaného pristátia > 100 h v štandardnom nasadení.

Checklist pred nasadením v novej hale

• Plán geometrie kotiev + zameranie súradníc s exportom do map frame.
• Kalibrácia IMU/Extrinsika/Latency; uloženie parametrov do verzovaného profilu.
• Test NLOS a meranie CIR; vytvorenie mapy rizikových zón.
• Validácia ESKF konzistencie (NEES), nastavenie gating prahov.
• Definícia failsafe a tréning operátorov (procedúry a abort kritériá).

Zhrnutie a odporúčaný „stack“ pre UAV bez GNSS

Robustná navigácia v interiéri stojí na IMU-centric dead-reckoningu s kvalitnou kalibráciou, ktorý je korigovaný presnými, no občas nespoľahlivými meraniami z UWB (TWR/TDoA) a doplnený o VIO/flow/lidar pre zvýšenie observability. Fúzia v ESKF alebo faktorovej optimalizácii, správna geometria kotiev, spoľahlivá synchronizácia a prísne FDI tvoria základ bezpečnej a plynulej prevádzky. S týmto prístupom dosiahnete centimetrové až decimetrové presnosti s latenciou vhodnou pre riadenie aj v zložitých interiéroch, kde GNSS nepomôže.