Metody wyznaczania kątów z żyroskopów dla filtru komplementarnego na potrzeby określania orientacji IMU

• Autorzy: Grygiel R. , Bieda R. , Wojciechowski K.

Warianty tytułu

EN

Angles from gyroscope to complementary filter in IMU

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy zaprezentowano sposób estymacji orientacji obiektu w przestrzeni trójwymiarowej z wykorzystaniem filtru komplementarnego. Wykorzystano konstrukcję filtru komplementarnego dla każdego z trzech kątów Eulera. Fuzja danych w tej filtracji polega na poprawie kątów wyznaczonych z układu akcelerometrów i magnetometrów oraz kątów z żyroskopów, zakładając rozdzielność częstotliwościową zakłóceń w tych dwóch kanałach pomiarowych. Celem opracowania jest analiza metod wyznaczania kątów z żyroskopu na potrzeby filtru komplementarnego i ich wpływu na dokładność estymacji orientacji. Zaproponowano metodę niezależnego całkowania pomiarów z żyroskopów, całkowania prędkości kątowych po uprzednim przeliczeniu ich do układu nawigacyjnego oraz macierzowego całkowania równania rotacji. Analizę wykonano na danych z symulatora czujnika IMU oraz dla danych pomiarowych z rzeczywistego sensora IMU.

EN

In the paper complementary filter is presented for estimating 3D orientation. The main aim of this paper is to analyze methods of determining the angles from gyroscopes. Angles from gyro are calculated by integration measurements directly in sensor frame, by integration angles velocity after transformation to navigation frame and by strapdown integration. Analysis of the complementary filter is presented for data from real IMU sensor and for data from IMU signal simulator.

Słowa kluczowe

PL

orientacja 3D; IMU; filtr komplementarny; całkowanie żyroskopu; całkowanie bezkardanowe

EN

3D orientation; IMU; complementary filtering; gyroscope integration; strapdown integration

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 90, nr 9
• Strony: 217--224
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Grygiel R.

• Instytut Automatyki, Politechnika Śląska w Gliwicach ul. Akademicka 2A, 44-100 Gliwice

autor

Bieda R.

• Instytut Automatyki, Politechnika Śląska w Gliwicach ul. Akademicka 2A, 44-100 Gliwice

autor

Wojciechowski K.

• Polsko-Japońska Wyższa Szkoła Technik Komputerowych

Bibliografia

• [1] Higgins W.T., jr., A comparison of complementary and Kalman filtering, IEEE Tranactions On Aerospace And Electronic Systems Vol. AES-1 1, NO. 3 MAY 1975
• [2] Scapellato S., Cavallo F., Martelloni Ch., Sabatini A.M., In-use calibration of body-mounted gyroscopes for applications in gait analysis, Sensors and Actuators A: Physical, 123–124 (2005) 418–422
• [3] Mahony R., Hamel T., Pflimlin J.-M., Nonlinear Complementary Filters on the Special Orthogonal Group, IEEE Transactions On Automatic Control, VOL.53,NO.5, June 2008
• [4] Euston E., Coote P., Mahony R., Kim J., and Hamel T., A complementary filter for attitude estimation of a fixed-wing uav, 2008 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, France, Sept, 22-26, 2008.
• [5] Yoo T.S., Hong S.K., Yoon H.M. and Park S., Gain-Scheduled Complementary Filter Design for a MEMS Based Attitude and Heading Reference System, Sensors 2011, 11, 3816-3830
• [6] Theodoridis S., Koutroumbas K., Pattern Recognition, 3rd edition, Academic Press, Elsevier, (2006)
• [7] Koronacki J., Ćwik J., Statystyczne systemy uczące się, wydanie drugie, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, (2008)
• [8] Ayub S., Bahraminisaab A., Honary B., A sensor fusion method for smart phone orientation estimation, The 13th Annual PostGraduate Symposium on The Convergence of Telecommunications, Networking and Broadcasting, 25th June 2012
• [9] Roetenberg D., Inertial and Magnetic Sensing of Human Motion, PhD Thesis, University of Twente, (2006)
• [10] Roetenberg D., Henk J. Luinge H.J., Chris T.M. Baten Ch.T.M, Veltink P.H, Compensation of Magnetic Disturbances Improves Inertial and Magnetic Sensing of Human Body Segment Orientation, IEEE Transactions On Neural Systems And Rehabilitation Engineering, 13, (2005), 3, 305-405
• [11] Luinge H.J., Veltink P.H., Baten C.T.M., Ambulatory measurement of arm orientation, Journal of Biomechanics 40 (2007) 78–85,
• [12] Wendel J., Meister O., Schlaile Ch., Trommer G.F., An integrated GPS/MEMS-IMU navigation system for an autonomous helicopter, Aerospace Science and Technology 10 (2006) 527–533
• [13] Hyo-Sung Ahn, Chang-Hee Won, DGPS/IMU integrationbased geolocation system: Airborne experimental test Results, Aerospace Science and Technology 13 (2009) 316–324
• [14] Hang Guo, Min Yu, Chengwu Zou, Wenwen Huang, Kalman filtering for GPS/magnetometer integrated navigation system, Advances in Space Research 45 (2010) 1350–1357
• [15] K. King, S.W. Yoon, N.C. Perkins, K. Najafi, Wireless MEMS inertial sensor system for golf swing dynamics, Sensors and Actuators A 141 (2008) 619–630
• [16] E. Foxlin, Inertial head-tracker sensor fusion by a complementary separate-bias kalman filter, In Proc. Virtual Reality Annual International Symposium the IEEE 1996, str 185-194, 267, March 30 - April 3, 1996.
• [17] Yun X., Bachmann E.R., Design, Implementation, and Experimental Results of a Quaternion-Based Kalman Filter for Human Body Motion Tracking, IEEE Transactions on Robotics, vol.22, no.6, pp.1216-1227, (2006)
• [18] Sabatini A.M., Quaternion-Based Extended Kalman Filter for Determining Orientation by Inertial and Magnetic Sensing, IEEE Tran. Biomedical Eng., VOL. 53, NO. 7, 2006, 1346-1356.
• [19] Bieda R., Grygiel R., Wyznaczanie orientacji obiektu w przestrzeni z wykorzystaniem naiwnego filtru Kalmana, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 90 NR 1, (2014), str. 34-41
• [20] Titterton D.H., Weston J.L., Strapdown Inertial Navigation Technology - 2nd Ed., The Institution of Electrical Engineers, (2004)
• [21] Pusa J., Strapdown inertial navigation system aiding with nonholonomic constraints using indirect Kalman filtering, MSc Thesis, Tampere University of Technology, (2009)
• [22] Grewal M.S., Weill L.R., Andrews A.P, Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration, John Wiley & Sons, (2001)
• [23] J.S. Medith, Estymacja i sterowanie statystycznie optymalne w układach liniowych, WNT, Warszawa 1975.
• [24] Fux S., Development of a planar low cost Inertial Measurement Unit for UAVs and MAVs, MSc Thesis, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, (2008)
• [25] Bieda R., Wyznaczanie orientacji IMU w przestrzeni 3D z wykorzystaniem macierzy tensora rotacji oraz niestacjonarnego filtru Kalmana, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 89 NR 12, (2013), str. 68-78
• [26] LaValle S.M, Planning algorithms, Cambridge University Press, (2006)
• [27] Pedley M., Tilt Sensing Using a Three-Axis Accelerometer, Freescale Semiconductor Application Note, (2013), n.AN3461, rev.5
• [28] Gucma M., Montewka J., Podstawy morskiej nawigacji inercyjnej, Akademia Morska w Szczecinie, Szczecin (2006)
• [29] Ozyagcilar T., Implementing a Tilt-Compensated eCompass using Accelerometer and Magnetometer Sensors, Freescale Semiconductor Application Note, (2012), n.AN4248, rev.3
• [30] Kim K., Park C.G., A New Initial Alignment Algorithm for Strapdown Inertial Navigation System Using Sensor Output, Proceedings of the 17th World Congress The International Federation of Automatic Control (IFAC), (2008), 13034-13039
• [31] Kim J., Autonomous Navigation for Airborne Applications, PhD Thesis, Department of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering, The University of Sydney, (2004)
• [32] Bachmann E.R., Inertial And Magnetic Angle Tracking Of Limb Segments For Inserting Humans Into Synthetic Environments, PhD Thesis, Naval Postgraduate School Monterey, California, (2000)
• [33] Quoc Phuong N.H., Kang H.-J., Suh Y.S., Ro Y.-S., A DCM Based Orientation Estimation Algorithm with an Inertial Measurement Unit and a Magnetic Compass, Journal of Universal Computer Science, vol. 15, no. 4 (2009), 859-876
• [34] Sadłowski P., Parametryzacje rotacji i algorytmy rozwiązywania równań dynamiki z rotacyjnymi stopniami swobody, Praca doktorska, Polska Akademia Nauk, (2007)
• [35] Woodman O.J., An introduction to inertial navigation, Technical Report 696, University of Cambridge, (2007)