Precision quaternion based one step strapdown attitude algorithm

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorLazarev, Yuriy
dc.contributor.authorAvrutov, Vadym
dc.contributor.authorMyronenko, Pavlo
dc.contributor.authorDavydenko, Sergiy
dc.contributor.authorSapegin, Oleksandr
dc.date.accessioned2021-04-23T11:39:25Z
dc.date.available2021-04-23T11:39:25Z
dc.date.issued2020
dc.description.abstractenIntroduction. Calculative algorithms of Strapdown inertial navigation systems (SINS) can be divided on navigation algorithms, which transform accelerometers output signals into local coordinates and attitude algorithms, which transform gyroscopes output signals into vehicle angular attitude [1]. Wherein, navigation task solution requires double integration of acceleration and attitude task – integration of kinematic attitude equation, related measured object angular velocity with attitude parameters. Paper considered of autonomous position determination methods based on vehicle angular velocity information without acceleration measurement. Thus, attitude algorithms are considered only. Paper researched the errors of algorithm based on quaternion attitude equation, moreover algorithm error drifts were accepted as a main accuracy characteristic The main part. Algorithm researched by imitation modeling of vehicle’s computer with SINS attitude algorithm. The main task of modeling is defining depends between algorithm drift and sensor’s call step in cases of different frequencies and amplitudes of base angular oscillations. It was researched four one-step algorithms: reverse, based on modified Euler method; Picard method with two successive approximations and the new author’s algorithm which combines formulas of first two algorithms. It was studied depends of algorithm drift and faze shift between two orthogonal axes oscillations. It was shown, the biggest drift values are obtained in case of base conning movement. It was made the modeling researches of algorithm drift amplitudes relatively to sensor sample steps and oscillation frequencies in dimensionless form. It was shown, substantial increase new algorithm accuracy compared to other researched. Conclusions. The algorithm drift accuracy of new algorithm in 2600 times exceeds the revers algorithm. Small modification of one-step algorithm allowed increase accuracy in few orders, almost without computing increase. Received results allows to expend attitude algorithms application area and prognose their accuracy with different base movement.uk
dc.description.abstractruВведение. Вычислительные алгоритмы бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) можно разделить на навигационные алгоритмы, которые преобразуют выходные сигналы акселерометров в искомые координаты местоположения объекта, и алгоритмы ориентации, которые преобразуют выходные сигналы гироскопов в углы ориентации подвижного объекта [1]. При этом для решения навигационной задачи необходимо дважды интегрировать ускорение, а для решения задач ориентации – интегрировать дифференциальные кинематические уравнения ориентации, связывающие измеренную угловую скорость объекта с параметрами ориентации. В работе речь идёт об автономных методах определения углового положения объекта на основе информации об угловой скорости его движения, поэтому далее рассматриваются вычислительные алгоритмы ориентации, составляющие важнейшую часть БИНС – бесплатформенную инерциальную систему ориентации (БИСО). В статье рассматриваются погрешности алгоритмов, построенных на использовании кватернионных уравнений ориентации, причём в качестве основной характеристики точности алгоритмов БИСО приняты дрейфы этих погрешностей. Основная часть. Исследование алгоритмов проводится путём моделирования работы бортового вычислителя в соответствии с рассматриваемыми алгоритмами. Конечным результатом компьютерного моделирования является установление зависимости дрейфов погрешностей численного интегрирования уравнения ориентации от шага опроса измерителей при различных значениях частоты и амплитуды угловых колебаний основания. Рассмотрены четыре одношаговых алгоритма – реверсивный, на основе модифицированного метода Эйлера, построенный методом Пикара двумя последовательными приближениями и авторский на основе комбинирования формул первых двух алгоритмов. Изучены зависимости дрейфов погрешностей от сдвигов фаз между колебаниями объекта вокруг двух его ортогональных осей. Показано, что наибольшие по величине дрейфы во всех случаях наблюдаются при коническом движении объекта. Проведены модельные исследования зависимостей амплитудных дрейфов от шагов опроса и частоты колебаний в безразмерной форме. Показано существенное увеличение точности у нового алгоритма по сравнению со всеми другими рассмотренными. Выводы. Точность по дрейфам предложенного алгоритма в 2600 раз превышает аналогичную точность используемого реверсивного алгоритма. Незначительным видоизменением формулы одношагового алгоритма удалось повысить точность на несколько порядков, практически не изменяя объем вычислений. Полученные результаты позволяют расширить область использования алгоритмов БИСО и прогнозировать их точность при различных движениях основания.uk
dc.description.abstractukВступ. Обчислювальні алгоритми безплатформних інерційних навігаційних систем (БІНС) можна розділити на навігаційні алгоритми, які перетворюють вихідні сигнали акселерометрів у шукані координати місця розташування об'єкта та алгоритми орієнтації, які перетворюють вихідні сигнали гіроскопів у кути орієнтації рухомого об'єкта [1]. При цьому для вирішення навігаційної задачі необхідно двічі інтегрувати прискорення, а для вирішення завдання орієнтації – інтегрувати диференціальні кінематичні рівняння орієнтації, що зв'язують виміряну кутову швидкість об'єкту з параметрами орієнтації. У роботі йде мова про автономні методи позиціонування на основі інформації про кутову швидкість руху об'єкта без використання інформації про лінійне прискорення, тому далі розглядаються обчислювальні алгоритми орієнтації, що складають найважливішу частину БИНС – безплатформову інерціальну систему орієнтації (БІСО). У статті розглядаються похибки алгоритмів, побудованих на використанні кватерніонних рівнянь орієнтації, при чому у якості основної характеристики точності алгоритмів БІСО прийнято дрейфи цих похибок. Основна частина. Дослідження алгоритмів проводиться шляхом моделювання роботи бортового обчислювача відповідно до розглянутих алгоритмів. Кінцевим результатом комп'ютерного моделювання є встановлення залежності дрейфів похибок чисельного інтегрування рівняння орієнтації від кроку опитування датчиків при різних значеннях частоти і амплітуди кутових коливань основи. Розглянуто чотири однокрокових алгоритми - реверсивний, на основі модифікованого методу Ейлера, побудований методом Пікара двома послідовними наближеннями і авторський на основі комбінування формул перших двох алгоритмів. Досліджено залежності дрейфів похибок від різниці фаз між коливаннями об'єкта навколо двох його ортогональних осей. Показано, що найбільші за величиною дрейфи в усіх випадках спостерігаються при конічному русі об'єкта. Проведено модельні дослідження залежностей амплітудних дрейфів від кроків опитування і частоти коливань у безрозмірній формі. Показано суттєве збільшення точності у нового алгоритму порівняно з усіма іншими розглянутими. Висновки. Точність за дрейфами похибок запропонованого алгоритму в 2600 разів перевищує аналогічну точність використовуваного реверсивного алгоритму. Незначною видозміною формули однокрокового алгоритму вдалося підвищити точність на кілька порядків, практично не змінюючи обсяг обчислень. Отримані результати дозволяють розширити область використання алгоритмів БІСО і прогнозувати їх точність при різних рухах основи.uk
dc.format.pagerangePp. 5-15uk
dc.identifier.citationPrecision quaternion based one step strapdown attitude algorithm / Yuriy Lazarev, Vadym Avrutov, Pavlo Myronenko, Sergiy Davydenko, Oleksandr Sapegin // Вісник КПІ. Серія Приладобудування : збірник наукових праць. – 2020. – Вип. 60(2). – С. 5–15. – Бібліогр.: 33 назви.uk
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/1970.60(2).2020.221274
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/40759
dc.language.isoenuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.relation.ispartofВісник КПІ. Серія Приладобудування : збірник наукових праць, 2020, Вип. 60(2)uk
dc.subjectstrapdown inertial navigation systemuk
dc.subjectattitude algorithmuk
dc.subjectone-step algorithmuk
dc.subjectalgorithm driftuk
dc.subjectбезплатформна інерціальна система орієнтаціїuk
dc.subjectоднокроковий алгоритмuk
dc.subjectдрейф похибкиuk
dc.subjectбесплатформенная инерциальная система ориентацииuk
dc.subjectодношаговый алгоритмuk
dc.subjectдрейф погрешностиuk
dc.subject.udc629.051uk
dc.titlePrecision quaternion based one step strapdown attitude algorithmuk
dc.title.alternativeОднокроковий алгоритм БІСО підвищеної точності на основі кватерніонного рівняння орієнтації і вимірювань кутової швидкостіuk
dc.title.alternativeОдношаговый алгоритм БИСО повышенной точности на основе кватернионного уравнения ориентации и измерений угловой скоростиuk
dc.typeArticleuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
VKPI-SPr_2020-60_p5-15.pdf
Розмір:
3.92 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.01 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Вісник КПІ. Серія Приладобудування: збірник наукових праць, Вип. 60(2)