33377

تحليل خطا در سيستم تعيين وضعيت مبتني بر سنسورهاي اينرسي با فيلترهاي بهينه

دكتري

مهندسي برق

1396

1403/12/8

سعيد عبادالهي

سهيل گنجه فر

برق

سامانه‌هاي تعيين وضعيت اينرسي تحت تأثير منابع خطاي متعددي قرار دارند كه بر صحت و دقت آن‌ها اثر مي‌گذارند. درك رفتار اين منابع خطا، نقشي كليدي در طراحي الگوريتم‌ها، تعيين مأموريت‌ها و انتخاب حسگرها دارد. بااين‌حال، بسياري از پژوهش‌هاي اين حوزه صرفاً به گزارش خطاي كلي سامانه پرداخته و نقش منابع خطا را به‌طور مستقل بررسي نكرده‌اند. در اين رساله، تأثير عوامل خطاي اندازه¬گيري حسگرها در يك سامانه تعيين وضعيت اينرسي شامل دو حسگر شتاب¬سنج و ژيروسكوپ مورد تحليل و بررسي قرار گرفته است. عوامل خطاي مورد مطالعه شامل ضريب مقياس و باياس ثابت (به‌عنوان خطاهاي قطعي) و نويز سفيد، نويز همبسته، ناپايداري باياس و گام تصادفي (به‌عنوان خطاهاي تصادفي) هستند. ابتدا اين خطاها مدل‌سازي شدند و براي ناپايداري باياس، يك مدل جديد ارائه شد. سپس تأثير آن‌ها بر ميانگين و واريانس خطاي وضعيت در سه روش انتگرالي، ايستا و تلفيق با فيلتر كالمن بررسي گرديد. نتايج نشان داد كه صحت تعيين وضعيت تحت تأثير خطاهاي قطعي و دقت آن تحت تأثير خطاهاي تصادفي قرار دارد. نويز سفيد، سهم عمده واريانس اندازه‌گيري در هر دو حسگر را تشكيل مي‌دهد، اما در صورت انتگرال‌گيري، واريانس به‌مرور افزايش يافته و سهم ساير عوامل خطا نيز قابل‌توجه خواهد شد، به‌طوري‌كه در بلندمدت، گام تصادفي به عامل غالب تبديل مي‌شود. در تلفيق اطلاعات با فيلتر كالمن، دقت نهايي تقريباً برابر با ميانگين هندسي دقت شتاب‌سنج و ژيروسكوپ است و عامل اصلي تعيين‌كننده، نويز سفيد خواهد بود؛ مگر در شرايطي كه داده‌هاي شتاب‌سنج براي اصلاح خطاي ژيروسكوپ در دسترس نباشد، كه در اين صورت، واريانس مطابق با نتايج تحليل خطاي روش انتگرالي افزايش مي‌يابد. تمامي تحليل‌ها با شبيه‌سازي صحت‌سنجي شده و با انجام آزمايش‌هاي عملي بر روي ماژول MPU-6050 اعتبارسنجي شده‌اند.

1404/02/13

Error Analysis in Inertial Sensor-Based Attitude Determination Systems Using Optimal Filters

1/1/1900 12:00:00 AM

Inertial attitude determination systems are affected by various error sources that influence their accuracy and precision. Understanding the behavior of these error sources plays a crucial role in algorithm design, mission planning, and sensor selection. However, many studies in this field have only reported the overall system error without independently analyzing the contributions of each source. This dissertation analyzes the impact of inertial sensor measurement errors in an attitude determination system consisting of an accelerometer and a gyroscope. The error sources considered include scale factor and constant bias (as deterministic errors), as well as white noise, correlated noise, bias instability, and random walk (as stochastic errors). First, these errors are modeled, and a new model is proposed for bias instability. Then, their effects on the mean and variance of attitude errors are investigated through three methods: integral, static, and Kalman filter fusion. The results show that attitude accuracy is influenced by deterministic errors, while precision is affected by stochastic errors. White noise contributes most to measurement variance in both sensors; however, under integration, the variance increases over time, making other error sources more significant. In the long term, random walk becomes the dominant factor. In Kalman filter-based fusion, the final precision is approximately equal to the geometric mean of the accelerometer and gyroscope precisions, with white noise being the primary determining factor—unless accelerometer data is unavailable to correct gyroscope errors, in which case the variance increases similarly to the integral method. All analyses are validated through simulations and experimental tests using the MPU-6050 module.

تحليل خطا , تعيين وضعيت , زواياي اويلر , حسگرهاي اينرسي , خطاي اندازه‌گيري

Error analysis , Attitude determination , Euler angles , Inertial sensors , Measurement error

Mojtaba Fazelinia

Saeed Ebadollahi