[논문 리뷰] Nonlinear Attitude Filtering: A Comparison Study

Mohammad Zamani, Jochen Trumpf외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 13.

Inertial Sensor and Navigation참고 문헌 34인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 일관된 이산화된 단위 퀼레르니언 구현을 사용하여 로봇 및 항공우주 애플리케이션을 위한 최신 비선형 자세 필터를 비교한다. 제안된 2차 최적 최소에너지 필터(GAME)가 MEKF 및 USQUE와 같은 기존 방법보다 일시적 응답과 渐近 수렴에서 뛰어난 성능을 보임을 입증한다. 특히 자이로스코프 비스를 온라인으로 추정할 경우 더욱 두드러진다.

ABSTRACT

This paper contains a concise comparison of a number of nonlinear attitude filtering methods that have attracted attention in the robotics and aviation literature. With the help of previously published surveys and comparison studies, the vast literature on the subject is narrowed down to a small pool of competitive attitude filters. Amongst these filters is a second-order optimal minimum-energy filter recently proposed by the authors. Easily comparable discretized unit quaternion implementations of the selected filters are provided. We conduct a simulation study and compare the transient behaviour and asymptotic convergence of these filters in two scenarios with different initialization and measurement errors inspired by applications in unmanned aerial robotics and space flight. The second-order optimal minimum-energy filter is shown to have the best performance of all filters, including the industry standard multiplicative extended Kalman filter (MEKF).

연구 동기 및 목표

• 로봇 및 항공 분야에서 사용되는 현대적 순환 연속시간 자세 필터의 일관되고 공정한 비교를 제공하기 위해.
• 필터 간 표기법, 표현 방식, 튜닝 방식의 다양성으로 인해 표준화된 벤치마킹이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 최근 제안된 2차 최적 최소에너지 필터(GAME)가 MEKF 및 USQUE와 같은 기존 방법과의 성능을 평가하기 위해.
• 온라인 자이로스코프 비스 추정이 상대적 필터 성능을 결정하는 데 미치는 핵심적인 역할을 조사하기 위해.
• 재현성과 직접 비교를 위해 모든 필터의 통합 MATLAB 구현을 제공하기 위해.

제안 방법

• 연구는 비순환, H∞, 이산 갱신, 동역학 기반 필터를 제외한 연속시간 순환 필터에 집중한다.
• 일致한 비교를 위해 단위 퀼레르니언을 사용하며, 각 필터에 대해 명시적인 이산화 세부 사항을 제공한다.
• 시뮬레이션은 UAV 파rameter 기반 시나리오와 위성 자세 추정 기반 시나리오 두 가지를 사용한다.
• 몬테카를로 연구를 통해 초기화 오차와 측정 오차가 다양한 조건에서 일시적 거동과 점근 수렴을 평가한다.
• 모든 필터는 온라인 자이로스코프 비스 추정 기능을 확장하여, 이가 성능 차이를 결정짓는 데 필수적임을 입증한다.
• 원래 제안된 RIEKF의 표현을 수정하여 종이에 기록된 오타(특히 A행렬과 이득 스케일링에서 발생)를 수정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차 최적 최소에너지 필터(GAME)의 성능은 MEKF 및 USQUE와 같은 기존 필터와 비교해 일시적 응답과 정상 상태 정확도 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ2 온라인 자이로스코프 비스 추정을 포함할 경우 다양한 자세 필터의 상대적 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 비스 추정이 제외된 경우 많은 고급 필터들이 유사한 성능을 보이며, 이는 실용적 유용성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 특히 일정 이득 관측기의 튜닝 선택이 변수 이득 최적 필터와 비교할 때 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 수학적 표현 및 표기 방식의 차이가 최신 자세 필터 알고리즘 간 공정한 비교를 방해하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• GAME 필터는 MEKF와 같은 산업 표준 필터를 포함한 모든 다른 필터보다 뛰어난 일시적 응답과 점근 수렴 성능을 달성한다.
• 자이로스코프 비스를 온라인으로 추정하지 않을 경우 대부분의 고급 필터들이 유사한 성능를 보이며, 이는 비스 추정이 실제 성능에서 핵심적인 차별 요소임을 시사한다.
• 일정 이득 관측기(CGO)는 낮은 계산 비용과 안정된 성능를 보이지만, 고정된 이득으로 인해 일시적 수렴 속도가 느린 단점이 있다.
• 원래 논문에 제시된 RIEKF 표현에는 이득 스케일링과 A행렬에서 오타가 존재하여 수치적 불안정을 유발할 수 있으며, 수정된 버전이 제공된다.
• USQUE 및 GMEKF(RIEKF)는 뛰어난 성능를 보이지만, 두 시뮬레이션 시나리오 모두에서 GAME에 뒤지지 않는다.
• 연구는 변수 이득 최적 필터가 동적 환경에서 고정 이득 관측기보다 본질적인 이점을 제공함을 확인한다.