[論文レビュー] Attitude Estimation and Control Using Linear-Like Complementary Filters: Theory and Experiment

L. Benziane, A. El Hadri+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2015

Inertial Sensor and Navigation参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、慣性ベクトル測定値を用いた姿勢推定および制御のための高次元直接型およびパassing型線形的補完フィルタを提案する。これにより、ジャイロスコープのバイアス推定が統合され、安定でノイズに強い姿勢追従が可能となる。本手法は推定誤差のグローバル漸近的収束および制御におけるほぼグローバル漸近的安定性を保証し、APM2.6自動操縦装置を搭載した自作ドローンを用いた実験で検証された。

ABSTRACT

This paper proposes new algorithms for attitude estimation and control based on fused inertial vector measurements using linear complementary filters principle. First, n-order direct and passive complementary filters combined with TRIAD algorithm are proposed to give attitude estimation solutions. These solutions which are efficient with respect to noise include the gyro bias estimation. Thereafter, the same principle of data fusion is used to address the problem of attitude tracking based on inertial vector measurements. Thus, instead of using noisy raw measurements in the control law a new solution of control that includes a linear-like complementary filter to deal with the noise is proposed. The stability analysis of the tracking error dynamics based on LaSalle's invariance theorem proved that almost all trajectories converge asymptotically to the desired equilibrium. Experimental results, obtained with DIY Quad equipped with the APM2.6 auto-pilot, show the effectiveness and the performance of the proposed solutions.

研究の動機と目的

• 低コストシステムにおけるノイズが多くバイアスを含む慣性測定値の姿勢推定および制御の課題に対処すること。
• 補完フィルタリングの原則に基づき、カルマンフィルタの代替として決定論的で計算効率の高い姿勢推定手法を考案すること。
• 直接型およびパassing型の両形式に対して、n次元系における補完フィルタの安定性保証を拡張し、グローバル収束性を達成すること。
• 姿勢測定値の直接使用を避けるよう、フィルタリングされた慣性ベクトルを用いた新しい制御則を設計し、ほぼグローバル漸近的安定性を保証すること。
• APM2.6自動操縦装置を搭載した自作ドローンを用いた実世界実験を通じて、提案手法の有効性を実証すること。

提案手法

• ジャイロスコープおよび加速度計／磁力計測定値を融合するため、線形的フィルタリング原理に基づくn次元直接型およびパassing型補完フィルタを設計する。
• フィルタリング後にTRIADアルゴリズムを統合し、その決定論的性質を活かして耐障害性を高める。
• フィルタリングされた慣性ベクトル測定値と回転速度計データを用いた制御則を定式化し、姿勢推定値の直接使用を回避する。
• リャプノフ解析およびラサールの不変性定理を適用し、推定誤差のグローバル漸近的収束および追従誤差ダイナミクスのほぼグローバル漸近的安定性を証明する。
• 100Hzの制御ループと正規化されたベクトル測定値を用い、自作ドローンのAPM2.6自動操縦装置にフィルタおよび制御則を実装する。
• 安定性およびノイズ抑制を目的に、フィルタゲイン（α₁=6, α₂=10）と減衰（k=0.2621）を調整し、磁力計の品質が低いz軸に対してはゲインを低減した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高次元線形的補完フィルタは、慣性ベクトル測定値の姿勢推定においてグローバル漸近的収束を達成できるか？
• RQ2 ノイズ耐性および推定精度の観点で、パassing型形式は直接型形式よりも優れているか？
• RQ3 制御則における補完フィルタベースのデータ統合手法は、姿勢測定値に依存せずにほぼグローバル漸近的安定性を確保できるか？
• RQ4 実世界のノイズ環境において、標準カルマンフィルタや既存の観測器（例：MHP）と比較して、本手法はどの程度優れているか？
• RQ5 本手法のフレームワークは、低サンプリングレートの磁力計データをフィルタリングすることで効果的に処理でき、全体のシステム性能を向上させられるか？

主な発見

• n次元直接型およびパassing型補完フィルタは、リャプノフ解析により推定誤差のグローバル漸近的収束が証明された。
• 実験結果により、パassing型形式が直接型形式よりも優れたノイズ耐性を示した。
• フィルタリングされた慣性ベクトルを用いた提案された制御則は、追従誤差ダイナミクスのほぼグローバル漸近的安定性を保証した。
• 自作ドローンを用いた実験結果から、推定された姿勢は最小限のノイズで所望の軌道に滑らかに収束し、カルマンフィルタおよびMHP観測器のベンチマークを上回った。
• 両観測器ともジャイロスコープのバイアス推定が正確に捉えられ、提案手法と基準手法との結果が密接に一致した。
• フィルタリングされた測定値の使用により、高周波数ノイズのない滑らかな制御トルクが得られ、リアルタイム制御におけるフィルタリング戦略の有効性が確認された。