Optymalizacja obliczeń rozszerzonego filtru Kalmana dla mikrokontrolera z rodziny ARM

• Autorzy: Maciaszczyk R. , Kruszko S.

Warianty tytułu

EN

Optimization calculations of an extended Kalman filter for the ARM microcontroller family

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule została zaprezentowana procedura optymalizująca liczbę operacji arytmetycznych dla rozszerzonego filtru Kalmana integrującego odczyty z czujników inercyjnych w systemie nawigacji bezwładnościowej. Orientacja pojazdu jest określana z wykorzystaniem reprezentacji kwaternionowej, dzięki czemu przy obrotach nie występuje osobliwość zwana "Gimbal lock" Dzięki znacznemu zmniejszeniu liczby operacji, możliwe stało się zaimplementowanie filtru EKF w mikrokontrolerze ARM AT91SAM7S256 uzyskując 30% obciążenie mikrokontrolera, przy częstotliwości pracy 55 MHz.

EN

One of the most important subsystems of an unmanned vehicle is the inertial measurement unit (IMU) which provides obtainment of data about orientation in space. Its work is conditioned by measurement equipment and a filtering algorithm for the input data. This paper describes implementation of an extended Kalman filter which is an important element in the IMU calculation procedures. As a result of optimization calculations, the quantity of arithmetic operations performed has signi?cantly been reduced, i.e. the number of additions has decreased by 84.57%, subtractions by 41.84%, multiplications by 78.3%, divides by 61.54%. Exponentiation operation and iteration variables have been completely eliminated. Moreover, the fourquadrant inverse tangent function has been replaced by polynomial approximation, calculated with use of Horner's scheme, so that the number of function calls from the library math.h decreased by 77.78%. This signi?cant simpli?cation of the algorithm has been obtained at the cost of execution an additional two square root operations and increasing number of variables used by 16.54%. Reduction in the number of operations has made it possible to implement an EKF filter on a microcontroller ARM AT91SAM7S256 obtaining the microcontroller load of 30% for the operating frequency equal to 55 MHz.

Słowa kluczowe

PL

fuzja danych; IMU; rozszerzony filtr Kalmana; kwaterniony

EN

data fusion; IMU; extended Kalman filter

• Wydawca: Wydawnictwo PAK
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Kontrola
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 57, nr 8
• Strony: 960--962
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Maciaszczyk R.

autor

Kruszko S.

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Informatyki, ul. Żołnierska 49, Szczecin,

Bibliografia

• [1] Kozłowski K., Dutkiewicz P., Wróblewski W.: Modelowanie i sterowanie robotów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2003.
• [2] Sierpiński W.: Arytmetyka teoretyczna. PWN, 1968.
• [3] Zieliński T.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2007.
• [4] Lyons Richard G.: Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności WKŁ, 2006.
• [5] Julier S. J., Uhlmann J. K.: Unscented filtering and nonlinear estimation. Proceedings of the IEEE:204 pp. 401-422.
• [6] Tongyue Gao, Zhenbang Gong, Jun Luo, Wei Ding and Wei Feng: An Attitude Determination System For A Small Unmanned Helicopter Using Low-Cost Sensors, Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, pp. 1203-1208.
• [7] Welch G. and Bishop G.: An introduction to the kalman filter. Technical Report 95-041, University of North Carolina, Department of Computer Science, 1995.