Kim, Sung-Woo;Abdelrahman, Mohammad;Park, Sang-Young;Choi, Kyu-Hong
Journal of Astronomy and Space Sciences
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v.26
no.1
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pp.31-46
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2009
An Unscented Kalman Filter (UKF) for estimation of the attitude and rate of a spacecraft using only magnetometer vector measurement is developed. The attitude dynamics used in the estimation is the nonlinear Euler's rotational equation which is augmented with the quaternion kinematics to construct a process model. The filter is designed for small satellite in low Earth orbit, so the disturbance torques include gravity-gradient torque, magnetic disturbance torque, and aerodynamic drag torque. The magnetometer measurements are simulated based on time-varying position of the spacecraft. The filter has been tested not only in the standby mode but also in the detumbling mode. Two types of actuators have been modeled and applied in the simulation. The PD controller is used for the two types of actuators (reaction wheels and thrusters) to detumble the spacecraft. The estimation error converged to within 5 deg for attitude and 0.1 deg/s for rate respectively when the two types of actuators were used. A joint state parameter estimation has been tested and the effect of the process noise covariance on the parameter estimation has been indicated. Also, Monte-Carlo simulations have been performed to test the capability of the filter to converge with the initial conditions sampled from a uniform distribution. Finally, the UKF performance has been compared to that of the EKF and it demonstrates that UKF slightly outperforms EKF. The developed algorithm can be applied to any type of small satellites that are actuated by magnetic torquers, reaction wheels or thrusters with a capability of magnetometer vector measurements for attitude and rate estimation.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.47
no.11
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pp.795-802
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2019
This paper deals with position-attitude coupling motion during spacecraft relative operation, and suggests dual quaternion-based kinematics for the problem. The position-attitude coupling motion can occur when the target point is located at an arbitrary point on the satellite body, not the center of mass. This is especially apparent in close proximity operation case. The dual quaternion-based kinematics directly reflects the angular velocity state, so that the coupling motion in which the change of attitude affects the position can be concisely defined. In this study, a new dual quaternion-based kinematics is presented along with a conventional approach to solve the coupling problem. Numerical simulations show that the position error for the target point is generated by the coupling motion, and verify that the dual quaternion-based kinematics can solve this problem.
In this study, the generating of torque regarding the Control Moment Gyro (CMG) is proportional to the angular velocity of gimbal. This is the case because gimbal affects the attitude control of the satellite directly, and it is necessary to reduce the incidence of torque ripple of gimbal. In this paper, the cause of the torque ripple of gimbal is reviewed and mathematically modeled by assuming the friction imbalance of bearing, the magnetic field and the phase current imbalance of the motor. We are able to confidently estimate the modeling parameters of gimbal disturbance using a constant speed test, and then analyze the influence of applying feedforward control to our modeling. Additionally, the simulation results show that the torque ripple and angular velocity fluctuations are reduced when apply this modeling to the identified study parameters. Finally, we present the disturbance reduction technique using our disturbance modeling.
Precise positioning is an important problem facing motion control systems which usually use electric motor. A motor possesses a nonlinear property which degrades the positioning accuracy. Therefore, a compensator which linearizes the relationship between the angular velocity and input signal of the motor is required to enable precise positioning. In this paper, the design of a Model Reference Adaptive Control System (MRACS) for realizing the precise positioning for a system using a motor including the nonlinear property is described. The designed MRACS is applied to the attitude control problem on a satellite using a DC servomotor to drive its reaction wheel. Experimental results demonstrate the validity of a proposed control method for a positioning control system with an electric motor.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.22
no.9
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pp.723-732
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2016
This paper proposes an approach to fused navigation of an unmanned surface vehicle(USV) and to detection of the outlier or interference of global positioning system(GPS). The method fuses available sensor measurements through extended Kalman filter(EKF) to find the location and attitude of the USV. The method uses error covariance of EKF for detection of GPS outlier or interference. When outlier or interference of the GPS is detected, the method excludes GPS data from navigation process. The measurements to be fused for the navigation are GPS, acceleration, angular rate, magnetic field, linear velocity, range and bearing to acoustic beacons. The method is tested through simulated data and measurement data produced through ground navigation. The results show that the method detects GPS outlier or interference as well as the GPS recovery, which frees navigation from the problem of GPS abnormality.
This paper presents an Intelligent Balance Beam Controller(IBBC) which can estimate the inertia of load automatically. Balance Beam controller is a kind of construction tool which can control the attitude of the load hanging in the air such as a beam carried by crane. In our previous work, Balance Beam had been built to control the object in air using a mechanical gyro system having a position controllable gimbal structure. In field application the load inertia for operation is not easy to figure out because the weight and shape which determines the inertia, varies depending on the object to be carried. Therefore it is difficult for a worker to operate a Balance Beam and an accident could be caused occasionally. We designed an automatic load estimator to measure the inertia of arbitrary load by using an angular velocity sensor that is installed on the Balance Beam. Simulation results and current status for implementation are presented.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.40
no.9
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pp.807-817
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2012
An optical payload needs to be validated its image performance after launched into orbit. The image performance was validated by observing star because ground site contains uncertainties caused by atmosphere, time of the year, and weather. Time Delayed and Integration(TDI) technique, which is mostly used to observe the ground, is going to be used to observe the selected stars. A satellite attitude scenario was also developed to observe the selected stars. The scenario is created to enable TDI to operate. Rotation angles of optical payload are determined in order for the selected stars to properly be passed at a desired angular velocity about rotation axis. The result of this research can be utilized to validate the quality of optical payload of a satellite in orbit. In addition, a quaternion for pointing selected stars is calculated minimizing the path from a given arbitrary attitude of satellite.
This paper describes an unscented Kalman filter approach to estimate the bias in magnetic field measurements. A microelectromechanical systems attitude heading reference system (MEMS AHRS) was used to measure the magnetic field, together with the acceleration and angular rate. A magnetic field is usually used for yaw detection, while the acceleration serves to detect the roll and pitch. Magnetic field measurements are vulnerable to distortion due to hard-iron effect and soft-iron effect. The bias in the measurement accounts for the hard-iron effect, and this paper focuses on an approach to estimate this bias. The proposed method is compared with other methods through experiments that implement the navigation of an underwater robot using an AHRS and Doppler velocity log. The results verify that the compensation of the bias by the proposed method improves the navigation performance more than or comparable to the compensation by other methods.
Kim, Yun-Ki;Park, Jae-Hyun;Kwak, Hwy-Kuen;Park, Sang-Hoon;Lee, ChoonWoo;Lee, Jang-Myung
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.19
no.6
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pp.569-575
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2013
This paper proposes a method for PDR (Pedestrian Dead-Reckoning) using a low cost IMU. Generally, GPS has been widely used for localization of pedestrians. However, GPS is disabled in the indoor environment such as in buildings. To solve this problem, this research suggests the PDR scheme with an IMU attached to the pedestrian's waist. However, despite the fact many methods have been proposed to estimate the pedestrian's position, but their results are not sufficient. One of the most important factors to improve performance is, a new calibration method that has been proposed to obtain the reliable sensor data. In addition to this calibration, the PDR method is also proposed to detect steps, where estimation schemes of step length, attitude, and heading angles are developed. Peak and zero crossings are detected to count the steps from 3-axis acceleration values. For the estimation of step length, a nonlinear step model is adopted to take advantage of using one parameter. Complementary filter and zero angular velocity are utilized to estimate the attitude of the IMU module and to minimize the heading angle drift. To verify the effectiveness of this scheme, a real-time system is implemented and demonstrated. Experimental results show an accuracy of below 1% and below 3% in distance and position errors, respectively, which can be achievable using a high cost IMU.
Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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v.53
no.7
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pp.95-102
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2016
Geomagnetic sensors are widely utilized for sensing heading direction of quadrotors. However, measurement from a geomagnetic sensor is easily corrupted by environmental magnetic field interference and roll/pitch directional motion. In this paper, a measurement method of a quadrotor heading direction is proposed for application to yaw attitude control. In order to eliminate roll/pitch directional motion effect, the geomagnetic sensor data is compensated using the roll/pitch angles measured for stabilization control. In addition, yaw-directional angular velocity data from a gyroscope sensor is fused with the geomagnetic sensor data using a complementary filter which is a simple and intuitive sensor fusion method. The proposed method is applied to experiments, and the results are presented to prove validity and effectiveness of the proposed method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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