Исаев Михаил Александрович, магистрант кафедры «Робототехника и мехатроника»
344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Isaev, Mikhail A., graduate student of the Robotics and Mechatronics Department
344000, Rostov-on-Don, Gagarin sq., 1
Исаев Александр Михайлович, аспирант Северокавказского государственного технического университета; руководитель отдела разработки беспилотных летательных аппаратов ООО «Стилсофт»
г. Ставрополь
Isaev, Alexander M., postgraduate student, North Caucasian State Technical University; air drone product development manager, “Stilsoft” LLC
Stavropol
Кудинов Никита Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»
344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Kudinov, Nikita V., Cand.Sci. (Eng.), associate professor of the Computer and Automated Systems Software Department
344000, Rostov-on-Don, Gagarin sq., 1
Мироненко Роман Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Робототехника и мехатроника»
344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Mironenko, Roman S., Cand.Sci. (Eng.), associate professor of the Computer and Automated Systems Software Department
344000, Rostov-on-Don, Gagarin sq., 1
Introduction. The correction time reduction for the spatial orientation evaluation of a solid under the orientation system initiation is considered. Solid spatial orientation is measured by the integrated values from three orthogonal angular speed sensors. Difference between the actual spatial orientation and the orientation estimated by sensors is adjusted due to the data obtained from other sensors, such as accelerometers and magnetometers. Major existing algorithms deduct data acquired from accelerometers and magnetometers from the evaluation of angular rate through the correction factor thus correcting the spatial orientation assessment error. The higher the solid inclination angle in relation to horizon when the orientation system is switched on, the greater the spatial orientation error is. The algorithm presented herein corrects the spatial orientation evaluation in quaternion components without angular rate sensors which allows minimizing the spatial orientation assessment error within shorter time in comparison with the existing algorithms.
Materials and Methods. To implement the correction algorithm, the MPU6050 sensor is used. It is made with microelectromechanical technology, and its body includes three orthogonally located angular velocity sensors and three orthogonally located accelerometers. The output data from MPU6050 sensor is processed by dsPIC33EP256MU806 microchip. The spatial orientation is calculated by the Rodrigues-Hamilton parameters in the quaternion components. The result is input to the Matlab software package which executes the program of visualizing the dependencies on the time of four quaternion components graphically.
Research Results. In existing algorithms that use the Rodrigues-Hamilton parameters, at the initial initialization of the orientation system, it is suggested to increase the correction factor, or to use the trigonometric formulas to find the Euler angles and translate them into the RodriguesHamilton parameters. In the first case, the initial initialization time remains sufficiently long, in the second case, due to the use of Euler angles, a phenomenon of “gimbal lock” can be observed. The proposed algorithm performs the initial initialization in a time equivalent to the initialization time in the Euler angles parameters, but it applies only the RodriguesHamilton parameters.
Discussion and Conclusions. Using the proposed algorithm will allow a minimum of 5-fold reduction in the initial initialization time of the spatial orientation quaternion. In consequence, the total time required for activating the system will be also reduced due to the fact that the initial initialization is necessary every time the orientation system is switched on. For the correct determination of the spatial orientation according to the proposed algorithm, the necessary condition is the absence of any acceleration on the body other than the gravitational acceleration because the initialization occurs only upon the accelerometer readings.
Введение. Настоящая работа посвящена уменьшению времени коррекции оценки пространственной ориентации твердого тела в момент включения системы ориентации. Для определения пространственной ориентации твердого тела используются интегрированные показания от трех ортогонально расположенных датчиков угловой скорости. Возникающая при интегрировании разница между реальной пространственной ориентацией и ориентацией, оцененной с помощью датчиков, корректируется за счет информации, получаемой от других датчиков, таких как акселерометры и магнитометры. В большинстве существующих методов информация, полученная от акселерометров и магнитометров и преобразованная с помощью алгоритма, умножается на коэффициент коррекции и вычитается из оценки угловой скорости, тем самым корректируя оценку пространственной ориентации. Чем больше угол наклона твердого тела относительно горизонта в момент включения системы ориентации, тем больше ошибка оценки пространственной ориентации. Предлагаемый в данной работе алгоритм корректирует оценку пространственной ориентации в компонентах кватерниона без использования датчиков угловой скорости, что позволяет за меньшее, по сравнению с существующими алгоритмами, время свести к минимуму ошибку оценки ориентации.
Материалы и методы. Для отработки алгоритма коррекции был использован датчик MPU6050, выполненный по микроэлектромеханической технологии и имеющий в одном корпусе три ортогонально расположенных измерителя угловой скорости и три ортогонально расположенных акселерометра. Информацию, поступающую с MPU6050, обрабатывает микроконтроллер dsPIC33EP256MU806. Пространственная ориентация вычисляется чере параметры Родрига-Гамильтона в компонентах кватерниона, результат вычислений передается в программный пакет Matlab, выполняющий программу для визуализации зависимостей от времени четырёх компонент кватерниона в виде графиков.
Результаты исследования. В существующих алгоритмах, использующих параметры Родрига-Гамильтона, при начальной инициализации системы ориентации авторами предложено увеличивать значение коэффициента коррекции на время инициализации, либо с помощью тригонометрических формул находить углы Эйлера и переводить их в параметры Родрига-Гамильтона. В первом случае время начальной инициализации остается достаточно большим, во втором случае, из-за использования углов Эйлера, может возникать такое явление как «шарнирный замок». Предложенный в данной работе алгоритм осуществляет начальную инициализацию за время, сравнимое со временем инициализации в углах Эйлера, но при этом использует только параметры Родрига-Гамильтона.
Обсуждение и заключения. Использование предложенного алгоритма позволит минимум в 5 раз сократить время начальной инициализации кватерниона пространственной ориентации и, как следствие, общее время, необходимое для приведения системы в рабочее состояние, за счет того, что начальная инициализация необходима при каждом включении системы ориентации. В силу того, что инициализация происходит только по показаниям акселерометра, то для корректного определения пространственной ориентации по предложенному алгоритму необходимым условием является отсутствие любых ускорений на тело кроме ускорения свободного падения.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.