چکیده:
اندازهگیری زوایای سهبعدی در تعداد زیادی از کاربردها از جمله سامانههای موقعیتیابی INS استفاده میشود. اندازهگیری زاویه در حسگر شتابسنج به دلیل اثر دیگر شتابها علاوه بر شتاب جاذبه با خطای زیادی همراه است. همچنین زاویه میتواند بهوسیله انتگرال گرفتن از خروجی ژیروسکوپ بهدست آید، اما در عمل به خاطر مشکل دریفت در ژیروسکوپ، زاویه اندازهگیری از مقدار واقعی دور است که این مقدار خطا در طول زمان افزایش مییابد. در این مقاله، با استفاده از ترکیب ویژگیهای شتابسنج و ژیروسکوپ بهوسیله یک فیلتر کالمن تطبیقی توانستهایم نقاط ضعف هر یک از این دو حسگر را بپوشانیم. بهمنظور تطبیقی کردن فیلتر مورد نظر از یک سامانه فازی استفاده شده است. در این سامانه فازی، ورودی خطای فرآیند است که اختلاف بین مقدار اندازهگیری و مقدار تخمین زده شده میباشد که باعث میگردد، فیلتر تطبیقی پیشنهاد شده، نسبت به نمونههای قبلی، خود را متناسب با شرایط استاتیکی و دینامیکی تنظیم کند تا بتواند اطلاعات خروجی حسگرها را به شکل مناسب ترکیب نماید. برای ارزیابی ساختار پیشنهاد شده، به صورت عملی آزمایشهای دینامیکی و استاتیکی بر روی یک IMU مبتنی بر فنّاوری MEMS انجام شده است. نتایج نشان میدهد که مقدار موثر خطای زاویه در طرح پیشنهادی نسبت به ساختار کالمن بدون تطبیق، دارای بهبودی در حدود 34٪ در حالت استاتیکی و حدود 3/34٪ و 8/29٪ بهترتیب در حالتهای دینامیکی چرخش حول محور Y و X است.
Three-dimensional angular measurements are used in a large number of applications, such as positioning systems, robotics, motion analysis, control analysis, and so on. The sensors used for this purpose are the accelerometer and the gyroscope. The angle measurement in the accelerometer sensor is based on the vector component of the gravitational acceleration on the sensor axes and the trigonometric relations. For this reason, only a quasi-static limit can be obtained from the almost precise angle. In dynamic mode, angle measurement using this sensor is accompanied by large errors, due to the effect of other accelerations, in addition to gravity acceleration. The angle can also be obtained by integrating the gyroscope output, but in practice due to the problem of gyroscope drift, the measurement angle is far from the actual value, with increasing error over time. In this paper, we have been able to cover the weaknesses of each of these sensors using a combination of accelerometer and gyroscope features by an adaptive Kalman filter. The proposed adaptive filter is able to adjust itself to the static and dynamic conditions, so that it can combine the output information of the sensors properly. To evaluate the proposed structure, dynamic and static experiments were conducted on an IMU based on MEMS technology. The results show that compared to ordinary Kalman filter, the RMS error of angle measurement in the proposed scheme has an improvement of 34% in the static mode and 34.3% and 29.8% in dynamic modes of pitch and roll, respectively.
خلاصه ماشینی:
همچنین زاویه میتواند بهوسیله انتگرال گرفتن از خروجی ژیروسکوپ بهدست آید، اما در عمل به خاطر مشکل دریفت در ژیروسکوپ، زاویه اندازهگیری از مقدار واقعی دور است که این مقدار خطا در طول زمان افزایش مییابد.
در این سامانه فازی، ورودی خطای فرآیند است که اختلاف بین مقدار اندازهگیری و مقدار تخمین زده شده میباشد که باعث میگردد، فیلتر تطبیقی پیشنهاد شده، نسبت به نمونههای قبلی، خود را متناسب با شرایط استاتیکی و دینامیکی تنظیم کند تا بتواند اطلاعات خروجی حسگرها را به شکل مناسب ترکیب نماید.
نتایج نشان میدهد که مقدار مؤثر خطای زاویه در طرح پیشنهادی نسبت به ساختار کالمن بدون تطبیق، دارای بهبودی در حدود 34٪ در حالت استاتیکی و حدود 3/34٪ و 8/29٪ بهترتیب در حالتهای دینامیکی چرخش حول محور Y و X است.
در مرجع [18]، برای تطبیقی کردن فیلتر کالمن، پارامترهای شتاب و سرعت زاویهای که به ترتیب خروجی-های شتابسنج و ژیروسکوپ میباشند، استفاده شده است.
در واقع در این سامانه، خروجیهای حسگر ژیروسکوپ به عنوان مدل سامانه و خروجیهای شتابسنج بهعنوان مدل اندازهگیری در نظر گرفته شدهاند و خطای بین مدل سامانه و اندازه-گیری بهعنوان ورودی پایدار برای سامانه فازی پیشنهاد شده است.
F ماتریس انتقال حالت است که k امین حالت خروجی مدل فرآیند را به k-1 امین حالت آن مربوط میسازد و برای حالتی که IMU دارای یک شتابسنج و ژیروسکوپ سه محوره است، به صورت رابطه (7) تعریف میشود.
(رجوع شود به تصوير صفحه)که در این معادله، منظور ازφ ̂_(k|k-1) زاویه تخمین زده شده در زمان k بر اساس زاویه محاسبه شده در زمانk-1 توسط مدل فرآیند سامانه میباشد.