An Attitude and Heading Reference System (AHRS) provides the attitude of a vehicle with a constant velocity using an Inertial Measurement Unit (IMU) and a magnetometer. In this case, in order to avoid the disadvantage of a gyroscope, an AHRS using a Gyro-Free IMU (GF-IMU) that is composed of only accelerometers may be considered instead of the gyroscopes. In this paper, a design method of an AHRS using a GF-IMU is proposed. The proposed AHRS consists of roll and pitch calculation, yaw calculation, angular acceleration and angular velocity calculation, attitude calculation, and a Kalman filter. In particular, since the angular velocity cannot be measured from a gyroscope, the angular acceleration is obtained from the accelerometer output, and the angular velocity is calculated by integrating it. In order to show the usefulness of the proposed method, a performance evaluation was carried out. The performance evaluation results show that the attitude estimation performance of the proposed AHRS is similar to that of the conventional AHRS.
Chaojun, Xin;Yuanwen, Cai;Yuan, Ren;Yahong, Fan;Yongzhi, Su
Journal of Magnetics
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제22권2호
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pp.315-325
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2017
Magnetically suspended sensitive gyroscopes (MSSGs) provide an interesting alternative for achieving precious attitude angular measurement. To effectively reduce the measurement error caused by the non-uniformity of the air-gap flux density in a MSSG, this paper proposes a novel compensation method based on measuring and modeling of the air-gap flux density. The angular velocity measurement principle and the structure of the MSSG are described, and then the characteristic of the air-gap flux density has been analyzed in detail. Next, to compensate the flux density distribution error and improve the measurement accuracy of the MSSG, a real-time compensation method based on the online measurement with hall probes is designed. The common issues caused by the non-uniformity of the air-gap flux density can be effectively resolved by the proposed method in high-precision magnetically suspended configurations. Comparative simulation results before and after compensation have verified the effectiveness and superiority of the proposed compensation method.
In this paper, we propose a triple nested PID control scheme for stable hovering of a quadrotor and propose a complementary filter based sensor fusion technique to improve the performance of attitude, altitude and velocity measurement. The triple nested controller has a structure in which a double nested attitude controller that has the angular velocity PD controller in inner loop and the angular PI controller in outer loop, is nested in a velocity control loop to enable stable hovering even in the case of disturbance. We also propose a sensor fusion technique by applying a complementary filter in order to reduce the noise and drift error included in the acceleration and gyro sensor and to measure the velocity by fusing image, gyro, and acceleration sensor. In order to verity the performance, we applied the proposed control and measurement scheme to hovering control of quadrotor.
Magnetically suspended sensitive gyroscopes (MSSGs) provide an interesting alternative for achieving precious attitude angular measurement. To effectively reduce the measurement error caused by dynamic imbalance, this paper proposes a novel compensation method based on analysis and modeling of the error for a MSSG. Firstly, the angular velocity measurement principle of the MSSG is described. Then the analytical model of dynamic imbalance error has been established by solving the complex coefficient differential dynamic equations of the rotor. The generation mechanism and changing regularity of the dynamic imbalance error have been revealed. Next, a compensation method is designed to compensate the dynamic imbalance error and improve the measurement accuracy of the MSSG. The common issues caused by dynamic imbalance can be effectively resolved by the proposed method in gyroscopes with a levitating rotor. Comparative simulation results before and after compensation have verified the effectiveness and superiority of the proposed compensation method.
The aim of this paper is to design a centrifugal deformation error compensation method with guaranteed performance that allows angular velocity measurement of the magnetically suspended sensitive gyroscopes (MSSGs). The angular velocity measurement principle and the structure of the MSSG are described, and the analytical model of errors caused by MSSG rotor centrifugal deformation is established. Then, an on-line rotor centrifugal deformation error compensation method based on measurement of rotor spinning speed in real-time has been designed. The common issues caused by centrifugal deformation of spinning rotors can be effectively resolved by the proposed method. Comparative experimental results before and after compensation demonstrate the validity and superiority of the error compensation method.
An improved transfer alignment method for a strap-down inertial navigation system (SDINS) is presented here. The alignment accuracy in conventional method is vulnerable to the data latency of a Master INS (MINS) in high maneuverable platforms. We propose a time delay compensation equation considering higher-order terms in the attitude measurement equation of the Kalman filter. The equation incorporates additional information including angular rate, angular acceleration and linear acceleration from the MINS. Simulation results show that the transfer alignment accuracy is significantly improved in the high dynamic environment by incorporating the latency compensation technique.
항공기용, 함정용 레이더에 비해 비교적 정적인 지상 레이더의 운용 환경을 고려하면 정적인 환경에서 경사면을 측정하는 경사계 등에 사용되는 가속도계로 레이더의 정적인 자세각을 측정할 수 있지만, 바람 및 돌풍 또는 회전하는 안테나의 원심력 등에 의해 동적인 움직임이 발생하게 되는 경우 각가속도가 발생하여 자세각 측정에 오차가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 위와 같이 발생한 자세각 측정 오차와 표적 위치에 따른 추적 오차에 대해 분석하고, 가속도계만을 사용한 동적 자세각 측정방법을 제시하고 이에 따라 개선된 추적오차를 시뮬레이션을 통해 결과를 나타내었다.
IEIE Transactions on Smart Processing and Computing
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제6권1호
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pp.1-9
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2017
This paper proposes to improve the performance of a strap down inertial navigation system using a foot-mounted low-cost inertial measurement unit/magnetometer by configuring an attitude and heading reference system. To track position accurately and for attitude estimations, considering different dynamic constraints, magnetic measurement and a zero velocity update technique is used. A conventional strap down method based on integrating angular rate to determine attitude will inevitably induce long-term drift, while magnetometers are subject to short-term orientation errors. To eliminate this accumulative error, and thus, use the navigation system for a long-duration mission, a hybrid configuration by integrating a miniature micro electromechanical system (MEMS)-based attitude and heading detector with the conventional navigation system is proposed in this paper. The attitude and heading detector is composed of three-axis MEMS accelerometers and three-axis MEMS magnetometers. With an absolute algorithm based on gravity and Earth's magnetic field, rather than an integral algorithm, the attitude detector can obtain an absolute attitude and heading estimation without drift errors, so it can be used to adjust the attitude and orientation of the strap down system. Finally, we verify (by both formula analysis and from test results) that the accumulative errors are effectively eliminated via this hybrid scheme.
This article focuses on a hemispherical resonator gyro driven by the Coriolis effect. A hemispherical shell, called a resonator, is maintained in the resonance state by amplitude control and phase locking control. Parametric excitation has been used to control the amplitude. For rate measurement mode or FTR mode, nodal points have been kept to an amplitude of zero. Angular rate measurement has been demonstrated by rotating a resonator. Frequency mismatch between two stiffness principal axes is a major cause of low performance: vibrating pattern drift and reduced control effectiveness. This mismatch has been reduced significantly by the addition of small mass. A negative spring effect, which lowers resonance frequencies, has been verified experimentally.
In this paper, we develop an input device equipped with accelerometers and gyroscopes. The installed sensors measure the inertial measurements i.e., accelerations and angular rates produced by the movement of the system when a user is writing on the plane surface or in the three dimensional space. The gyroscope measurement are integrated once to give the attitude of the system and consequently used to remove the gravity included in the acceleration measurements. The compensated accelerations bin doubly integrated to yield the position of the system. Due to the integration processes involved in recovering the users'motions, the accuracy of the position estimation significantly deteriorates with time. Among various error sources of the system incorrect estimation of attitude causes the largest portion of the positioning error since the gravity is not fully cancelled. In order to solve this problem, we propose a Kalman filler-based attitude estimation algorithm which fuses measurement data from accelerometers and gyroscopes by fuzzy logic approach. In addition, the online calibration of the gyroscope biases are performed in parallel with the attitude estimation to give more accurate attitude estimation. The effectiveness and the feasibility of the presented system is demonstrated through computer simulations and actual experiments.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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