手順 - Fenrir`s BLog

超小型航空機における
位置および姿勢の同定
鈴木・土屋研究室
航空宇宙工学科学部4年
成岡優
1
発表内容
1.
2.
3.
4.
5.
6.
2015/9/28
研究背景
問題提起
解法
構成
今後の予定
参考文献
鈴木・土屋研究室
2
研究背景
超小型航空機においても通常の航空機と同様、
精度よく位置・姿勢情報を取得したい
航空機用の慣性航法装置(Inertial Navigation
System)は存在するが、超小型航空機で利用
することは不可能





2015/9/28
重量重い
サイズ大きい
価格高い
鈴木・土屋研究室
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問題提起


2015/9/28
一般の航空機と同様に、超小型航空機でも精
度よく手軽に位置・姿勢情報を取得することが
できないだろうか
要求
1.
精度よく(誤差数m程度)位置・姿勢情報が
取得可能
2.
重量軽く(100g程度)、サイズ小さい(数cm程
度)
3.
手軽に、すなわち安く(数万円程度)
鈴木・土屋研究室
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要求1に対する解法
[要求1]精度よく位置・姿勢情報が取得
可能であること


複数のセンサで状態量を観測する




2015/9/28
加速度センサ
ジャイロ(角速度センサ)
GPS
それらで得られた情報に対し、Kalman
Filterを適用することで誤差修正を行う
鈴木・土屋研究室
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要求2に対する解法
[要求2]重量軽く、サイズが小さい




2015/9/28
機械的な機構が必要でないStrap-Down方
式を採用(⇔Gimbal方式)
MEMS(Micro Electro-Mechanical System)
技術を用いた軽量・小型センサの利用
高性能マイコンの利用
鈴木・土屋研究室
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要求3に対する解法
[要求3]安く作成できること



2015/9/28
民生品の利用
部品点数を少なくする
鈴木・土屋研究室
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構成

全体の構成
加速度計
ジャイロ
マイコン
(Kalman Filter)
GPS
2015/9/28
鈴木・土屋研究室
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構成(詳細1)-座標系、機器配置
座標系と機器の配置


i-Frame


b-Frame


2015/9/28
地面固定座標系(航法座標系)
航空機固定座標系
センサはこの座標軸に一致するよう配置
鈴木・土屋研究室
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構成(詳細2)-変数
Input


xb '

b '

xi '
Output


xi '

vi '

qi

2015/9/28
:b-frameでの加速度、加速度センサ(3)
:ジャイロ(3)
:i-frameでの位置、GPS(3)
: i-frameでの位置(3)
: i-frameでの速度(3)
:姿勢(4)
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構成(詳細3)-Software



2015/9/28
加速度センサ、ジャイロのデータを20Hz
で取得し積分、状態量更新
GPS(reference)は1Hzで取得し誤差修正
運動方程式は非線形であるので、偏差
に対して線形化を行い、その上で離散化
したKalman Filterを適用する
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構成(詳細3-1)-predict時
GPSからデータの取得がないとき

0

 xi k '  xi k 1 '  0 1  xi k 1 '  




v '  v '   0 0 vi k 1 ' ( D.C.M .)k 1 ' ab k 1 ' D
 i k   i k 1  

1
 qk '   qk 1 '  
Qk 1 ' k 1 '

2


Pk  M k
M k   k 1 Pk 1 k 1T  k 1Qk 1T
2015/9/28
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構成(詳細3-2)-correct時

GPSからのデータの取得があるとき
0

 xi k '  xi k 1 '  0 1  xi k 1 '  




v '  v '   0 0 vi k 1 ' ( D.C.M .)k 1 ' ab k 1 ' D  K z
k k
 i k   i k 1  

1
 qk '   qk 1 '  
Qk 1 ' k 1 '

2


Pk  M k  M k H k T ( H k M k H k T  R) 1 H k M k
M k   k 1 Pk 1 k 1T  k 1Qk 1T
K k  Pk H k T R 1
2015/9/28
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構成(詳細4)-Hardware
機器一覧






2015/9/28
加速度センサ
ジャイロ(ロール、ピッチ)
ジャイロ(ヨー)
GPS
CPUボード
鈴木・土屋研究室
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構成(詳細4-1)-加速度センサ
加速度センサ



2015/9/28
STMicroelctonics製『LIS3L02AS』
3軸1パッケージ、±6G検出
鈴木・土屋研究室
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構成(詳細4-2)-ジャイロ①
ジャイロ(ロール、ピッチ)



2015/9/28
マイクロストーン製『MG2-01Ba』
2軸1パッケージ、±90[degree/s]検出
鈴木・土屋研究室
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構成(詳細4-3)-ジャイロ②
ジャイロ(ヨー)



2015/9/28
STL Japan製『司21(HS-EG3)』
1軸1パッケージ、±60[degree/s]検出
鈴木・土屋研究室
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構成(詳細4-4)-GPS
GPS



2015/9/28
古野電気製『GH-80』
重さ10g、16衛星追尾
鈴木・土屋研究室
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構成(詳細4-5)-CPUボード
CPUボード



2015/9/28
BestTechnology製『BTC080』
ルネサスSH7145(50MHz)搭載、RAM1MB、
ROM2MB搭載、サイズ49x 57[mm]
鈴木・土屋研究室
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今後の予定(1)
機器の製作
センサの校正




シミュレーション



2015/9/28
特性の検出(ノイズ等)
環境試験
誤差モデルの作成
フィルタアルゴリズムの検証
鈴木・土屋研究室
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今後の予定(2)
リファレンス試験



ある程度運動がわかっているもので試験
ターゲットの例としては


実機搭載試験



2015/9/28
エレベータ
ジェットコースター
模型飛行機に搭載し、実際にデータを取得
取得データの検証(ステレオ視など)
鈴木・土屋研究室
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参考文献


2015/9/28
最適制御入門-レギュレータとカルマン・
フィルタ(加藤寛一郎)
Applied Mathematics in Integrated
Navigation Systems, Second
Edition(Robert M.Rogers)
鈴木・土屋研究室
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Appendix
ARLISS2004プロジェクト(缶サット)
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


中須賀研B4+B3+成岡
空缶サイズの衛星
ミッションは位置および姿勢推定



2015/9/28
搭載機器は加速度センサ、ジャイロ、GPS、磁気
センサ
7/14、板倉というところで落としてきました
9月後半、アメリカでロケットから落とします
鈴木・土屋研究室
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