uBlox Neo M8 N GPS Modul

Für fast alle Multikopter-Piloten haben die GPS-basierten Flug-Modi der jeweils eingesetzten AutoPiloten (FC`s) eine elementare Bedeutung. Sei es der punktgenaue Schwebeflug, wichtige Failsafe-Funktionen wie Fence und RTH oder die möglichst genaue Abarbeitung von Flugplänen. Für all diese Funktionen ist das GPS-Modul notwendig.

Die Markteinführung der M8-Chips für GPS Empfänger der Firma uBlox gegen Ende 2014 deutete schon eine weitere Sprosse auf der Entwicklungsleiter für zivile UAVs bzw. SUAVs an. Nun sind erste Plug & Play uBlox Neo M8 N GPS Module verfügbar. Wir haben uns damit beschäftigt und bieten auf Grund erster positiver Tests diese auch im SYNOSYSTEMS UAV Shop an.

Die Zusammenhänge

Der AutoPilot (Flight-Control) eines Multikopter-Systems ist mit Sensorik bestückt, die eine stabile Fluglage ermöglicht. Ohne weiteres Zubehör muss der Multikopter vom RC-Piloten aber prinzipiell wie jedes andere RC-Fluggerät manuell im Raum navigiert und auf Position bzw. Kurs gehalten werden. Erst die „Verrechnung“ von Positionsdaten durch das Einschleifen eines GPS-Moduls erlauben die heutigen Funktionen sowie die einfache Handhabung eines Multikopters.

Das Signal der GPS-Sateliten ist jedoch niemals gleichmäßig auf der Erde ankommend. Zusätzlich tragen Umgebungsbedingungen sowie weitere Einflüsse entscheidend zur erfolgreichen GPS-gestützten Steuerung eines Multikopters bei. Auf ein einfaches Minimum reduziert:

  • Anzahl der empfangen GPS-Sateliten (Satcount)
  • Horizontale Abweichung (HDOP)

Die Aussage „je mehr empfangene GPS-Sateliten desto geringer die horizontale Abweichung“ trifft meistens zu ist aber nicht immer gültig. Für das Ergebnis der Positionierung ist der HDOP-Wert aber natürlich wichtiger. Eine Faustregel: Für ein halbwegs brauchbares, GPS-gestütztes, Positionierungsergebnis wird die Kreuzpeilung aus mindestens 6 Satelitensignalen benötigt. Dies wird allgemein als 3D-Fix bezeichnet. Sinngemäß die Position im dreidimensionalen Raum. Wichtig: Viele AutoPiloten/ FCs zeigen nur den Satcount an, nicht aber den wichtigeren, aktuellen HDOP-Wert! Ein plötzlicher Abfall des Satcounts / HDOP-Wertes wird als GPS-Glitch bezeichnet und kann von einfachen Ungenauigkeiten über Drifts bis hin zu unvorhersehbarem Flugverhalten führen.

uBlox Neo M8 Series basierte GPS-Empfänger

Während frühere GPS-Empfänger auf die SBAS Systeme (Navstar/ WAAS USA, EGNOS Europa, EMSAS und GAGAN)  beschränkt waren,  empfängt das uBlox Neo M8 N GPS Modul nun simultan auch GLONASS (Russland) und BaiDou (China). Beide GPS-Systeme sind mit dem amerikanischen Navstar-System gleichwertig. In Summe empfängt das uBlox Neo M8 N GPS Modul dadurch mehr GPS-Sateliten als frühere uBlox GPS Module. Wie sich das in der Praxis auswirkt, haben wir getestet.

Testaufbau 3DR Pixhawk mit GPS-Redundanz uBlox LEAH 6 GPS Modul und uBlox Neo M8 N GPS Modul

Das von uns vertriebene uBlox Neo M8 N GPS Modul wird steckfertig geliefert und funktioniert auch als single Installation da ein Kompass mit verbaut ist. In Verbindung mit dem 3DR Pixhawk Plug & Play – natürlich muss bei einem Umbau der Kompass wie gehabt kalibriert werden. Dies gilt auch für 3DR APM APs/ FCs, allerdings müssen die Stecker (im Lieferummfang) ausgetauscht werden.

GPS_MPSetup_Dual IMG_3030Im Dualbetrieb mit dem 3DR Pixhawk wird eines der beiden GPS-Module an den üblichen Steckplätzen angeschlossen, das 2. Modul wird am Port Serial 4/5 angeschlossen. Die I2C-Leitung des 2. Moduls bleibt ungenutzt (2. Kompass). In unserem Testaufbau ist das uBlox LEAH 6 GPS Modul konventionell angeschlossen und das uBlox Neo M8 N GPS Modul als Zusatzmodul für den redundaten GPS-Empfang. Im Setup des 3DR Pixhawk müssen 2 Parameter geändert werden, die zunächst den Dualbetrieb aktivieren und die Art des 2. GPS Moduls festlegen (Auto). Das GPS-Modul mit dem höheren Satcount wird vom AP verwendet, wobei zunächst Modul 1 ausgewählt wird. Ergibt sich im Betrieb ein Unterschied im Satcount von mindestens 2, wird automatisch auf das Modul mit dem höheren Satcount umgeschaltet.

Unser Test findet innerhalb eines Wohngebietes mit 2-3 Etagen hohen Häusern an einer Stelle statt, von der wir wissen das die Abschirmung des GPS-Signals durch die umliegende Bebauung hoch ist. Erst ab einer Flughöhe von ca. 10 m ist hier der GPS-Empfang ungehindert möglich. Wir testen am Boden und vergleichen.

5 Minuten Verlaufstest mit 3DR Pixhawk und uBlox LEAH 6 GPS Modul

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Die Bilder zeigen, dass trotz ungünstiger Startposition, das uBlox LEAH 6 GPS Modul schon nach ein paar Sekunden einen 3D-Fix (Satcount 6) empfängt, der HDOP Wert aber mit ca. 2,61 über 5 Minuten hinweg ungünstig bleibt. Empfehlung HDOP < 2.5 (Horizontale Abweichung von 2,5 Meter).

10 Minuten Verlaufstest im dualen Betrieb mit zusätzlichem uBlox Neo M8 N GPS Modul (als 2. Modul)

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Screenshot 2015-03-08 11.56.21

Fazit

Uns ist aufgefallen, dass im dualen Betrieb auch das uBlox LEAH 6 GPS Modul von Anfang an bessere Werte zeigt als im Test zuvor im Single-Betrieb. Wahrscheinlich ein Zufall. An dem Verlauf ist gut erkennbar wie während eines Fluges sich der Empfang des GPS-Signals verändern kann. Bei unserem Test schlägt sich das uBlox LEAH 6 Modul trotz eingeschränkter Empfangsbedingungen gut, das uBlox Neo M8 N GPS Modul aber deutlich besser. Ein technischer Fortschritt der GPS-gestützte Funktionen von Multikoptern präziser aber auch sicherer machen. Besonders erfreulich ist der gleichmäßigere HDOP-Wert.

-> Zum Produkt im SYNOSYSTEMS UAV Shop

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