Hardware-in-the-loop Simulation Testbed for Geomagnetic Navigation

要約

地磁気ナビゲーションは、GPS サービスや事前に保存された地理地図に依存せずに、ユビキタスな地球の磁気信号を利用してミッションをナビゲートします。
ますます注目を集めており、特に未踏の領域への長距離航行に期待されています。
現在の地磁気航法研究はまだシミュレーションと計算による検証の初期段階にあり、開発されたアプローチの展開と実験分析を可能にするコストに優しいテストプラットフォームを開発するための具体的な取り組みは行われていない。
この論文では、地磁気航法実験をサポートするハードウェアインザループ シミュレーション テストベッドを紹介します。
私たちのテストベッドは、ナビゲーションのための地磁気環境の合成に特化しています。
私たちは、ナビゲーション環境のダイナミクスをシミュレートするためにテストベッドでソフトウェアを開発し、シミュレートされた環境に追従して調整する物理的な磁場を生成するハードウェアを構築します。
このテストベッドは、実験室で地磁気ナビゲーションの実験に使用できる制御可能な磁場を提供することを目的としており、これにより、ナビゲーションのプロトタイプを検証するために、海洋などでの実際の高価なナビゲーション実験を回避できます。
コストを削減するために、シールドされていない環境で既製のハードウェアを使用してテストベッドを構築します。
また、高品質の磁場を生成するための磁場生成制御とハードウェア パラメーターの最適化も開発します。
私たちは、テストベッドによる磁場の生成の品質を示すために詳細な性能解析を実施し、精度、均一性、安定性、生成された磁場の目標地磁気環境への収束などの性能指標に関する実験結果を報告します。

要約(オリジナル)

Geomagnetic navigation leverages the ubiquitous Earth’s magnetic signals to navigate missions, without dependence on GPS services or pre-stored geographic maps. It has drawn increasing attention and is promising particularly for long-range navigation into unexplored areas. Current geomagnetic navigation studies are still in the early stages with simulations and computational validations, without concrete efforts to develop cost-friendly test platforms that can empower deployment and experimental analysis of the developed approaches. This paper presents a hardware-in-the-loop simulation testbed to support geomagnetic navigation experimentation. Our testbed is dedicated to synthesizing geomagnetic field environment for the navigation. We develop the software in the testbed to simulate the dynamics of the navigation environment, and we build the hardware to generate the physical magnetic field, which follows and aligns with the simulated environment. The testbed aims to provide controllable magnetic field that can be used to experiment with geomagnetic navigation in labs, thus avoiding real and expensive navigation experiments, e.g., in the ocean, for validating navigation prototypes. We build the testbed with off-the-shelf hardware in an unshielded environment to reduce cost. We also develop the field generation control and hardware parameter optimization for quality magnetic field generation. We conduct a detailed performance analysis to show the quality of the field generation by the testbed, and we report the experimental results on performance indicators, including accuracy, uniformity, stability, and convergence of the generated field towards the target geomagnetic environment.

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