[논문 리뷰] Attitude Estimation and Control Using Linear-Like Complementary Filters: Theory and Experiment

L. Benziane, A. El Hadri외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 09.

Inertial Sensor and Navigation참고 문헌 20인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 관성 벡터 측정치를 사용하여 자세 추정 및 제어를 위한 고차수 직접형 및 수동형 선형 유사 보정 필터를 제안한다. 이는 기립계수 추정을 통합하고 안정적이고 노이즈에 강건한 자세 추적을 가능하게 한다. 이 방법은 추정 오차의 전역 점근적 수렴과 제어에서 거의 전역 점근적 안정성을 보장하며, APM2.6 자동조종기 탑재 DIY 헬리코프터에서 실험적으로 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 저비용 시스템에서 노이즈가 많고 왜곡된 관성 측정치의 문제를 해결하기 위해 자세 추정 및 제어를 수행한다.
• 보정 필터링 원리를 기반으로 한 칼만 필터의 결정론적이고 계산 효율적인 대안을 개발한다.
• 직접형 및 수동형 필터 형태에 대해 전역 수렴 보장을 확장하여 n차수 시스템에 적용한다.
• 자세 측정치를 직접 사용하지 않고 필터링된 관성 벡터를 사용하는 새로운 제어 법칙을 설계하여 거의 전역 점근적 안정성을 확보한다.
• APM2.6 자동조종기 탑재 DIY 헬리코프터를 활용한 실세계 실험을 통해 제안된 방법의 효과성을 입증한다.

제안 방법

• 자이로스코프 및 가속도계/자석계 측정치를 융합하기 위해 선형 유사 필터링 원리를 기반으로 한 n차수 직접형 및 수동형 보정 필터를 설계한다.
• 필터링 이후 TRIAD 알고리즘을 적용하여 자세 결정을 수행하며, 결정론적 성질을 활용해 강건성을 확보한다.
• 필터링된 관성 벡터 측정치와 회전률 기록 데이터를 사용하는 제어 법칙을 수립하여 자세 추정치의 직접적 사용을 피한다.
• 리아푸노프 분석과 라살의 불변성 정리를 적용하여 추정 오차의 전역 점근적 수렴성과 추적 오차 동역학의 거의 전역 점근적 안정성을 증명한다.
• 100Hz 제어 루프와 정규화된 벡터 측정치를 사용하여 DIY 헬리코프터에 필터와 제어 법칙을 구현한다.
• 안정성과 노이즈 억제를 위해 필터 이득(α₁=6, α₂=10)과 감쇠 계수(k=0.2621)를 조정하였으며, 자석계의 열악한 품질로 인해 z축에는 이득을 감소시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고차수 선형 유사 보정 필터는 관성 벡터 측정치에 대해 자세 추정에서 전역 점근적 수렴을 달성할 수 있는가?
• RQ2 노이즈에 대한 저항성과 추정 정확도 측면에서 수동형 필터 형태는 직접형 필터 형태보다 어떻게 비교되는가?
• RQ3 제어 법칙 내에서 보정 필터 기반 데이터 융합 접근법이 자세 측정치에 의존하지 않고 거의 전역 점근적 안정성을 확보할 수 있는가?
• RQ4 실세계의 노이즈가 많은 환경에서 제안된 방법이 표준 칼만 필터링 또는 기존 관측기(MHP 등)보다 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 필터링을 통해 저샘플링 주기의 자석계 데이터를 효과적으로 처리할 수 있으며, 전체 시스템 성능 향상에 기여하는가?

주요 결과

• n차수 직접형 및 수동형 보정 필터는 리아푸노프 분석을 통해 추정 오차의 전역 점근적 수렴을 달성한다.
• 실험 결과에 의해 수동형 필터 형태가 직접형 필터 형태보다 뛰어난 노이즈 저항성을 보였다.
• 필터링된 관성 벡터를 사용하는 제안된 제어 법칙은 추적 오차 동역학의 거의 전역 점근적 안정성을 보장한다.
• DIY 헬리코프터에서의 실험 결과, 추정된 자세가 소음이 최소화된 상태에서 목표 궤적으로 매끄럽게 수렴하며, 칼만 필터 및 MHP 관측기 기준 성능을 뛰어넘었다.
• 기립계수 추정이 두 관측기 모두에서 정확하게 캡처되었으며, 제안된 방법과 기준 방법 간 결과가 유사하게 일치하였다.
• 필터링된 측정치의 사용으로 고주파수 노이즈 없이 매끄러운 제어 토크가 발생하여, 실시간 제어에서 필터링 전략의 효과성을 확인하였다.