18151

18151

افزايش دقت سامانه تعيين وضعيت ارزان قيمت با تخمين باياس سنسورهاي اينرسي با استفاده از فيلتر كالمن

كارشناسي ارشد

كنترل

شهريور ماه 1396

دكتر سعيد عباداللهي

دكتر حسين بلندي

برق

يكي از خطاهاي سنسورهاي اينرسي، خطاي باياس است كه در صورت برطرف نكردن موجب خطاي قابل توجهي در تعيين وضعيت مي شود. در اين پژوهش سه روش براي برطرف كردن باياس سنسورهاي مورد استفاده يعني ژيروسكوپ، شتاب سنج و مغناطيس سنج، طراحي شده است. در هر سه روش باياس ها به عنوان حالتهاي سيستم در نظر گرفته شده اند. در روش اول از زواياي اويلر به دست آمده از قطبنما و ترازسنج و در روش دوم به طور مستقيم مقادير اندازه گيري شده شتاب و ميدان مغناطيسي به عنوان مشاهدات كالمن قرار گرفتند. در اين دو روش وضعيت نيز به طور همزمان تخمين زده مي شود. در روش سوم از رابطه ديناميكي حاصل از ضرب خارجي سرعت زاويه اي با بردار شتاب و بردار ميدان مغناطيسي استفاده شده و بردارهاي شتاب و ميدان مغناطيسي به عنوان مشاهدات كالمن در نظر گرفته شده است. در اين روش، وضعيت تخمين زده نمي شود. با هر سه روش، هم براي تخمين مجزاي باياس ها و هم تخمين توامان آنها، فيلتر كالمن توسعه يافته و بي اثر طراحي و شبيه سازي شد. براساس نتايج شبيه سازي تمام الگوريتم ها در صورت اعمال اندكي حركت وضعي مي توانند باياس ها را تخمين بزنند. سپس الگوريتم ها بر اساس دو معيار خطاي تخمين و زمان محاسبات مقايسه شدند؛ در اين ميان در تخمين باياس، الگوريتمي كه هر سه باياس را با استفاده از روش ضرب خارجي تخمين مي زند بر اساس هر دو معيار بهترين بوده و در تخمين وضعيت نيز دو الگوريتمي كه يا تنها باياس ژيروسكوپ را تخمين مي زند يا هيچ يك از باياس ها را تخمين نمي زند بهترين ها بودند. بر اين اساس الگوريتمهاي برتر در تخمين باياس و وضعيت به طور سري قرار داده شدند؛ به اين صورت كه ابتدا باياس سنسورها توسط الگوريتم تخمين هر سه باياس با روش سوم، تخمين زده شده و سپس از مقادير اندازه گيري سنسورها كسر شده و بعد مقادير اصلاح شده سنسورها براي تعيين وضعيت به الگوريتم منتخب تعيين وضعيت داده مي شود. در نهايت، نتايج شبيه سازي، دقت 0.08 درجه را براي تعيين وضعيت به روش پيشنهادشده نشان داد. اين خطا تقريبا برابر با خطاي تخمين در حالتي است كه سنسورها بدون باياس باشند و اين يعني اينكه روش پيشنهادي به خوبي توانسته اثر باياسها را حذف كند.

1396/09/21

12/12/2017 12:00:00 AM

Bias is one of the inertial sensors errors, which, if not resolved, causes a significant error in determining the attitude. In this research, three methods have been designed to eliminate the bias of the used sensors consist of gyroscope, accelerometer and magnetometer. In all three methods, biases are considered as system states. In the first method, the Euler angles obtained from the compass and the tiltmeter and in the second method directly measured acceleration and magnetic field were considered as Kalman observations. In both methods, the attitude is also simultaneously estimated. Third method used the dynamical relation obtained from cross product of angular velocity with the acceleration vector and the magnetic field vector. In this method, the attitude is not estimated. In all three methods, the Kalman filter has been designed and simulated to estimate biases separately and togetherly. Based on the simulation results, all algorithms can estimate biases after a small amount of motion. Then the algorithms were compared on the basis of two criteria of estimation error and calculation time; among them, for bias estimation, an algorithm that estimates all three biases using the cross product method is best based on both of the two criteria, and for attitude estimation, two algorithms, either the only gyroscope bias Estimates or does not estimate any bias are the best. Accordingly, the best algorithms in attitude estimation and bias estimation were placed in series; first, sensors biases are estimated and eliminated by the estimation algorithm of all three bias with the third method, then corrected measurements are given to the attitude algorithm. Finally, the simulation results showed a precision of 0.08 degrees for attitude estimation by proposed method. This error is almost the same as the estimation error in the sense that the sensors are unbiased; so the proposed method can well eliminate the effect of biases.