دوره 22، شماره 2 - ( مجله مهندسی برق و الکترونیک ایران - جلد 22 شماره 2 1404 )
جلد 22 شماره 2 صفحات 33-19 |
برگشت به فهرست نسخه ها
Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
Mirsadraei I, Nasrollahi S. Simultaneous Adaptive Estimation of the Attitude and Bias of Gyroscopes in Motion Using Accelerometer and GPS Data with Hardware Implementation. Journal of Iranian Association of Electrical and Electronics Engineers 2025; 22 (2) :19-33
URL: http://jiaeee.com/article-1-1589-fa.html
URL: http://jiaeee.com/article-1-1589-fa.html
میرصدرایی ایمان، نصرالهی سعید. تخمین تطبیقی همزمان وضعیت و بایاس ژیروسکوپها حین حرکت با استفاده از داده‌های شتابسنج و GPS به همراه پیاده‌سازی سخت افزاری. نشریه مهندسی برق و الکترونیک ایران. 1404; 22 (2) :19-33
مجتمع برق وکامپیوتر - دانشگاه صنعتی مالک اشتر
چکیده: (948 مشاهده)
در این مقاله روشی برای تعیین وضعیت (تخمین زوایای اویلر) یک جسم در حال حرکت ارائه می‌شود. یکی از چالش‌های اصلی در مسأله تعیین وضعیت، وجود خطاهای ذاتی در حسگرهای اینرسی و اغتشاشات حرکتی از جمله شتاب‌های وارد بر جسم در طی حرکت جسم می‌باشد که منجر به کاهش دقت تخمین زوایای اویلر می‌شود. در این مقاله در یک ساختار تلفیق تطبیقی آبشاری که در آن فیلترهای تخمین به صورت پشت سر هم استفاده می‌شوند، اطلاعات حسگرهای مختلف از جمله ژیروسکوپ، شتابسنج و داده‌های دریافتی از سامانه‌های ناوبری فضاپایه (گیرنده GNSS) ترکیب شده و بدین ترتیب تعیین وضعیت و همچنین تخمین بایاس حسگرها با دقت مناسب انجام می‌شود. از آنجا که حل چالش‌های مسأله تعیین وضعیت (بایاس حسگرها و جبران اغتشاشات حرکت جسم) نیازمند تنظیم دقیق پارامترهای تنظیم در فیلترها می‌باشد؛ بکارگیری فیلترهای تطبیقی به صورت پشت سرهم در این ساختار، منجر به سهولت در بهینه‌سازی عملکرد هر فیلتر و کاهش خطا می‌شود. ارزیابی ساختار پیشنهادی با دو روش استفاده از داده‌های مصنوعی تولید شده در یک سناریو شبیه‌سازی و همچنین با داده‌های واقعی جمع‌آوری شده در آزمون خودرویی انجام می‌شود و نتایج نشان می‌دهند که ساختار پیشنهادی در مقایسه با ساختارهای مشابه، به صورت قابل ملاحظه‌ای خطای تخمین زوایا و بایاس ژیروسکوپ را کاهش می‌دهد.
واژه‌های کلیدی: تخمین وضعیت، تخمین بایاس ژیروسکوپ حین حرکت، فیلتر کالمن تطبیقی، سیستم ناوبری جهانی فضاپایه، پیاده‌سازی سخت‌افزاری.
فهرست منابع
1. [1] Moradi M, Bolandi H, Abedi M. Federated Extended Kalman Filter for Sensor Fault Detection and Isolation. Journal of Iranian Association of Electrical and Electronics Engineers 2017; 13 (4) :71-79
2. [2] Sadeghzadeh Nokhodberiz N, Soltani B, Pasand M, Radmanesh H. Additive Multi-rate Delayed Extended Kalman Filter Attitude Estimation Fusing Gyroscope and Star Tracker Sensors. Journal of Iranian Association of Electrical and Electronics Engineers 2023; 20 (3) :149-158. [DOI:10.52547/jiaeee.20.3.149]
3. [3] W. Li and J. Wang, "Effective adaptive kalman filter for MEMS-IMU/magnetometers integrated attitude and heading reference systems", J. Navig., vol. 66, no. 1, pp. 99-113, 2013, doi: 10.1017/S0373463312000331. [DOI:10.1017/S0373463312000331]
4. [4] T. S. Yoo, S. K. Hong, H. M. Yoon, and S. Park, "Gain-scheduled complementary filter design for a MEMS based attitude and heading reference system", Sensors, vol. 11, no. 4, pp. 3816-3830, 2011, doi: 10.3390/s110403816. [DOI:10.3390/s110403816]
5. [5] M. S. Roh and B. S. Kang, "Dynamic Accuracy Improvement of a MEMS AHRS for Small UAVs", Int. J. Precis. Eng. Manuf., vol. 19, no. 10, pp. 1457-1466, 2018, doi: 10.1007/s12541-018-0172-2. [DOI:10.1007/s12541-018-0172-2]
6. [6] R. G. Valenti, I. Dryanovski, and J. Xiao, "Keeping a good attitude: A quaternion-based orientation filter for IMUs and MARGs", Sensors (Switzerland), vol. 15, no. 8, pp. 19302-19330, 2015, doi: 10.3390/s150819302. [DOI:10.3390/s150819302]
7. [7] H. Rehbinder and X. Hu, "Drift-free attitude estimation for accelerated rigid bodies", Automatica, vol. 40, no. 4, pp. 653-659, 2004. [DOI:10.1016/j.automatica.2003.11.002]
8. [8] W. Chou, B. Fang, L. Ding, X. Ma, and X. Guo, "Two-step optimal filter design for the low-cost attitude and heading reference systems", IET Sci. Meas. & Technol., vol. 7, no. 4, pp. 240-248, 2013. [DOI:10.1049/iet-smt.2012.0100]
9. [9] S. Lee and S. Hong, "Velocity-Aided Attitude Estimation for Helicopter Aircraft Using Microelectromechanical System Inertial-Measurement Units", Sensors, vol. 16, no. 12, p. 2102, 2016, doi: 10.3390/s16122102. [DOI:10.3390/s16122102]
10. [10] J. K. Lee, E. J. Park, and S. N. Robinovitch, "Estimation of Attitude and External Acceleration Using Inertial Sensor Measurement During Various Dynamic Conditions", IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 61, no. 8, pp. 2262-2273, 2012. [DOI:10.1109/TIM.2012.2187245]
11. [11] M. A. Javed, M. Tahir, and K. Ali, "Cascaded Kalman Filtering-Based Attitude and Gyro Bias Estimation with Efficient Compensation of External Accelerations", IEEE Access, vol. 8, pp. 50022-50035, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.2980016. [DOI:10.1109/ACCESS.2020.2980016]
12. [12] B. Candan and H. E. Soken, "Estimation of Attitude Using Robust Adaptive Kalman Filter", in 2021 IEEE 8th International Workshop on Metrology for AeroSpace (MetroAeroSpace), 2021, pp. 159-163, doi: 10.1109/MetroAeroSpace51421.2021.9511658. [DOI:10.1109/MetroAeroSpace51421.2021.9511658]
13. [13] S. Zihajehzadeh, D. Loh, T. J. Lee, R. Hoskinson, and E. J. Park, "A cascaded Kalman filter-based GPS/MEMS-IMU integration for sports applications", Measurement, vol. 73, pp. 200-210, Sep. 2015, doi: 10.1016/j.measurement.2015.05.023. [DOI:10.1016/j.measurement.2015.05.023]
14. [14] M. Sabet, H. Mohammadi Daniali, A. Fathi, and E. Alizadeh, "Design and experimental comparison of a new attitude estimation algorithm for accelerated rigid body", J. Control, vol. 12, no. 4, 2019, doi: 10.29252/joc.12.4.35. [DOI:10.29252/joc.12.4.35]
15. [15] K. L. Lai, J. L. Crassidis, and R. R. Harman, "Real-time attitude-independent gyro calibration from three-axis magnetometer measurements", Collect. Tech. Pap. - AIAA/AAS Astrodyn. Spec. Conf., vol. 1, no. August 2004, pp. 282-292, 2004, doi: 10.2514/6.2004-4855. [DOI:10.2514/6.2004-4855]
16. [16] H. E. Söken and C. Hajiyev, "UKF based in-flight calibration of magnetometers and rate gyros for pico satellite attitude determination", Asian J. Control, vol. 14, no. 3, pp. 707-715, May 2012, doi: 10.1002/asjc.368. [DOI:10.1002/asjc.368]
17. [17] M. H. Afzal, V. Renaudin, and G. Lachapelle, "System and method for gyroscope error estimation", World Intellectual Property Organization, vol. US 2012/02. Google Patents, 2012.
18. [18] Y. Yang, C. Zhang, J. Lu, and H. Zhang, "In-Flight Calibration of Gyros and Star Sensor With Observability Analysis for SINS / CNS Integration", vol. 17, no. 21, pp. 7131-7142, 2017. [DOI:10.1109/JSEN.2017.2754464]
19. [19] C. J. Gioia and J. A. Christian, "Gyro bias estimation using interior star angles for manual attitude determination", J. Spacecr. Rockets, vol. 54, no. 2, pp. 511-520, 2017, doi: 10.2514/1.A33672. [DOI:10.2514/1.A33672]
20. [20] M. E. Pittelkau, "Autonomous on-Board Calibration of Attitude Sensors and Gyros", Symp. A Q. J. Mod. Foreign Lit., no. September, pp. 24-28, 2007.
21. [21] H. Gu, B. Zhao, H. Zhou, X. Liu, and W. Su, "MEMS gyroscope bias drift self-calibration based on noise-suppressed mode reversal", Micromachines, vol. 10, no. 12, 2019, doi: 10.3390/mi10120823. [DOI:10.3390/mi10120823]
22. [22] P. Zhang, J. Gu, E. E. Milios, and P. Huynh, "Navigation with IMU/GPS/digital compass with unscented Kalman filter", IEEE Int. Conf. Mechatronics Autom. ICMA 2005, no. July, pp. 1497-1502, 2005, doi: 10.1109/icma.2005.1626777. [DOI:10.1109/ICMA.2005.1626777]
23. [23] K. Gade, "The Seven Ways to Find Heading", J. Navig., vol. 69, no. 5, pp. 955-970, 2016, doi: 10.1017/S0373463316000096. [DOI:10.1017/S0373463316000096]
ارسال پیام به نویسنده مسئول
| بازنشر اطلاعات | |
 |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY NC 4.0) قابل بازنشر است. |
