Сохраняя правильную ориентацию: кватернионный фильтр ориентации для IMU и MARG

Оценка ориентации с помощью недорогих датчиков является важной задачей для микро-летательных аппаратов (MAV), поскольку позволяет получать эффективную обратную связь для управления пространственной ориентацией. Сложности обусловлены низкой точностью и зашумленностью технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), лежащей в основе современных миниатюрных инерциальных датчиков. В статье описан новый подход к оценке ориентации в форме кватерниона по наблюдениям гравитационного и магнитного полей. Предлагаемый подход дает оценку кватерниона как алгебраическое решение системы, построенной на основе инерциальных и магнитных наблюдений. Задачи определения кватерниона «наклона» и кватерниона курса разделяются на две подсистемы. Эта процедура позволяет избежать влияния магнитных возмущений на компоненты ориентации, соответствующие крену и тангажу, когда датчик подвергается воздействию нежелательного магнитного потока. Сначала мы аналитически, а затем эмпирически, используя смоделированные данные, демонстрируем корректность предложенного метода. Мы предлагаем новый комплементарный фильтр для MAV, объединяющий данные гироскопа с показаниями акселерометра и магнитного поля. Корректирующая составляющая фильтра основана на описанном выше методе и работает как с датчиками IMU (инерциальный измерительный блок), так и с датчиками MARG (магнитное поле, угловая скорость и гравитация). Мы оцениваем эффективность фильтра и показываем, что он значительно превосходит другие распространенные методы, используя общедоступные наборы данных с эталонными значениями, записанными во время реального летного эксперимента с микровертолетом квадрокоптерного типа.