АЛГОРИТМ ФІЛЬТРАЦІЇ ВИМІРЮВАНЬ АКСЕЛЕРОМЕТРИЧНИХ ДАТЧИКІВ У БЕЗПЛАТФОРМЕНИХ ІНЕРЦІАЛЬНИХ СИСТЕМАХ НАВІГАЦІЇ БЕЗПІЛОТНИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ
DOI:
https://doi.org/10.46972/2076-1546.2024.27.04Ключові слова:
згладжувальний фільтр, оцінка, вимірювання, безпілотний літальний апарат, акселерометр, система навігації, алгоритм фільтраціїАнотація
У безпілотних літальних апаратах малої маси набули широкого застосування безплатформені інерціальні системи навігації, які реалізуються на базі акселерометрів та гіроскопів, виготовлених за технологією мікроелектромеханічних систем. Низька точність мікроелектромеханічних систем обумовлює застосування в системах навігації додаткових етапів оброблення навігаційних вимірювань. Для підвищення точності навігаційних визначень застосовують алгоритми стохастичної фільтрації, зокрема фільтр Калмана та різні його модифікації. Сучасні алгоритми фільтрації характеризуються високою обчислювальною складністю, а інженери стикаються з проблемою їх практичної реалізації через абстрактну форму подання, яка не відображає усіх деталей. Саме тому актуальним є завдання синтезу алгоритмів фільтрації, які будуть відповідати вимогам гарантованої збіжності процесу фільтрації та мінімальної обчислювальної складності щодо своєї реалізації. Остання вимога є надзвичайно важливою для навігаційних систем малих безпілотних літальних апаратів, оскільки їх бортове обладнання має бути дешевим та малоенергоємним. У зв’язку із цим статтю присвячено синтезу та дослідженню алгоритму поліноміальної фільтрації вимірювань акселерометричних датчиків у безплатформених інерціальних системах навігації безпілотних літальних апаратів. Синтез алгоритму виконано за методикою, що ґрунтується на поданні згладжувальних фільтрів як динамічних систем, що описуються дискретними передавальними функціями, які визначаються застосуванням третьої форми умов інваріантності. Відмінною рисою синтезованого алгоритму є урахування в процесі фільтрації не лише поточних, а й попередніх результатів вимірювань, які зважуються власними коефіцієнтами згладжування. Для розробленого алгоритму визначено умови збіжності процесу фільтрації. Завдяки скалярній формі реалізації йому притаманна низька обчислювальна складність. Ефективність алгоритму підтверджено результатами комп’ютерного моделювання за результатами реальних вимірів акселерометра ADXL345, що входить до складу Arduino UNO R3.
Посилання
Savchenko, Ya., Yahodzinskyi, S., Lytvynenko, L., & Sushynskyi, O. (2024). Aparatno-prohramne zabezpechennia ta zastosuvannia bezpilotnykh litalnykh aparativ [Hardware and Software Support and Application of Unmanned Aerial Vehicles]. Visnyk Khmelnytskoho nats.un-tu [Bulletin of Khmelnytsky National University], № 3, Iss. 2, 273–277. https://doi.org/10.31891/2307-5732-2024-337-3-41 [in Ukrainian].
Babii, Yu. O., Polishchuk, V. V., & Matsyshyn, M. O. et al. (2022). Rozvytok bezpilotnoi aviatsii u sviti ta Ukraini: analiz osoblyvostei ta tekhnichnykh kharakterystyk [Development of Unmanned Aviation in the World and Ukraine: Analysis of Features and Technical Characteristics]. Zb. nauk. prats Viisk. in-tu Kyivskoho nats. un-tu im. Tarasa Shevchenka [Collection of Scientific Works of the Military Institute of the Taras Shevchenko National University of Kyiv], 75, 5–14. https://doi.org/10.17721/2519-481X/2022/75-01 [in Ukrainian].
Servatiuk, V., Lysyi, M., & Mostovyi, A. (2024). Analiz naukovykh pidkhodiv shchodo rozvytku i zastosuvannia bezpilotnykh litalnykh aparativ u suchasnykh voiennykh konfliktakh [Analysis of scientific approaches to the development and use of unmanned aerial vehicles in modern military conflicts]. Zb. nauk. prats Nats. akademii Derzh. prykordonnoi sluzhby Ukrainy. Seriia: Viiskovi ta tekhnichni nauky [Collection of Scientific Works of the National Academy of the State Border Guard Service of Ukraine. Series: Military and Technical Sciences], 1 (94), 97–105. [in Ukrainian].
Kharchenko, V. P., Chepizhenko, V. I., Tunik, A. A., & Pavlova, S. V. (2012). Avionika bezpilotnykh litalnykh aparativ [Avionics of unmanned aerial vehicles]. Kyiv. ISBN: 978-966-1653-05-3 [in Ukrainian].
Zakharin, F. M., Syniehlazov, V. M., & Filiashkin, M. K. (2011). Alhorytmichne zabezpechennia inertsialno-suputnykovykh system navihatsii: monohrafiia [Algorithmic Support of Inertial-Satellite Navigation Systems: Monograph]. Kyiv. ISBN 978-966-598-675-1 [in Ukrainian].
Melnyk, M., Vynarovych, R., Hasiuk, Yu., & Shvarts, M. (2024). Udoskonalennia navihatsiinoi systemy prystroiu defektoskopii pidzemnykh trub [Improvement of the Navigation System of the Underground Pipe Flaw Detection Device]. Komp’iuterni systemy proiektuvannia. Teoriia i praktyka [Computer Design Systems. Theory and Practice], Iss. 6, № 1, 117–126. https://doi.org/10.23939/cds2024.01.117 [in Ukrainian].
Rudyk, A. V. (2017). Akselerometrychni inertsialni mikrosystemy oriientatsii [Accelerometric Inertial Orientation Microsystems]. In Vymiriuvalna ta obchysliuvalna tekhnika v tekhnolohichnykh protsesakh : Materialy XVII Mizhnar. nauk.-tekhn. konf. [Measuring and Computing Equipment in Technological Processes: Proceedings of the XVII International Scientific-Technical Conference]. Odesa, June 8–13, 2017. (pp. 103–105). Odesa; Khmelnytskyi [in Ukrainian].
Shuliak, M. L. (2020). Analiz isnuiuchykh system filtratsii danykh pry eksperymentalnomu doslidzhenni transportnoho zasobu [Analysis of Existing Data Filtering Systems During Experimental Research of a Vehicle]. Tekhnichnyi servis ahropromyslovoho, lisovoho ta transportnoho kompleksiv [Technical Service of Agro-Industrial, Forestry and Transport Complexes], 21, 175–184. https://doi.org/10.37700/ts.2020.21.175-184 [in Ukrainian].
Drevetskyi, V. V., Vasylets, S. V., & Rudyk, A. V. et al. (2020). Rozroblennia ta doslidzhennia suchasnykh system elektroenerhetyky ta avtomatyzatsii: Monohrafiia [Development and Research of Modern Power and Automation Systems: Monograph]. Rivne [in Ukrainian].
Stepanov, О. А. (2016). Optimal and Sub-Optimal Filtering in Integrated Navigation Systems. Aerospace Navigation Systems, 244–298. Chichester, UK. https://doi.org/10.1002/9781119163060.ch8
Afshari, H. H., Gadsden, S. A., & Habibi, S. (2017). Gaussian Filters for Parameter and State Estimation: A General Review of Theory and Recent Trends. Signal Processing, 135, 218–238. https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2017.01.001
Guoqiang Mao, Sam Drake, Brian D. O. Anderson. (2007). Design of an Extended Kalman Filter for UAV Localization. In Conference: Information, Decision and Control. IEEE. (pp. 224–229). https://doi.org/10.1109/IDC.2007.374554
Yang Meng, Shesheng Gao, & Yongmin Zhong et al. (2016). Covariance Matching Based Adaptive Unscented Kalman Filter for Direct Filtering in INS/GNSS Integration. Acta Astronautica, 120, 171–181. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2015.12.014
Crassidis, J. L. (2006). Sigma-Point Kalman Filtering for Integrated GPS and Inertial Navigation. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 42, Iss. 2, 750–756. https://doi.org/10.1109/taes.2006.1642588
Fesenko, O. D. (2018). Vdoskonalenyi metod oriientatsii bezpilotnoho litalnoho aparata v tryvymirnomu prostori za dopomohoiu mikroelektromekhanichnykh system inertsialnoi systemy navihatsii na osnovi filtra Madzhvika [Improved Method of Orientation of Unmanned Aerial Vehicle in Three-Dimensional Space Using Microelectromechanical Systems and Inertial Navigation System Based on the Madzhwick Filter]. Aviatsiina ta raketno-kosmichna tekhnika [Aviation, Rocket and Space Engineering], 29 (68), Iss. 1, № 3, 35–42. Retrieved from http://nbuv.gov.ua/UJRN/sntuts_2018_29_3%281%29__9 [in Ukrainian].
Buhaiov, D. V., Avrutov, V. V., & Nesterenko, O. I. (2020). Eksperymentalne porivniannia alhorytmiv vyznachennia oriientatsii na bazi komplimentarnoho filtra ta filtra Madzhvika [Experimental Comparison of Orientation Determination Algorithms Based on a Complementary Filter and a Madzhwick Filter]. Avtomatyzatsiia tekhnolohichnykh i biznes-protsesiv [Automation of Technological and Business Processes], Vol. 12, Iss. 3, 9–18. https://doi.org/10.15673/atbp.v12i3.1855 [in Ukrainian].
Zimchuk, I. V., Shapar, T. M., & Kovba, M. V. (2024). Syntez alhorytmiv filtratsii rezultativ vymiriuvan u systemakh navihatsii bezpilotnykh litalnykh aparativ [Synthesis of Algorithms for Filtering Measurement Results in Navigation Systems of Unmanned Aerial Vehicles]. Visnyk NTUU "KPI". Seriia Radiotekhnika, Radioaparatobuduvannia [Bulletin of NTUU "KPI". Series Radio Engineering, Radio Equipment Manufacturing], 96, 21–27. https://doi.org/10.20535/RADAP.2024.96.21-27 [in Ukrainian].
Kozheshkurt, V. I., & Yuzefovych, V. V. (2010). Doslidzhennia skhem filtratsii alhorytmiv trasovoi obrobky [Research of Filtering Schemes of Route Processing Algorithms]. Reiestratsiia, zberihannia i obrobka danykh [Registration, Storage and Processing of Data], Vol. 12, № 4, 3–12. Retrieved from http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/50481/01-Kozheshkurt.pdf?sequence=1 [in Ukrainian].
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
