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超小型航空機における 位置および姿勢の同定

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. 発表内容. 研究背景 問題提起 解法 構成 今後の予定 参考文献. 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 重量 重い サイズ 大きい 価格 高い. 問題提起. 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

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超小型航空機における 位置および姿勢の同定

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 発表内容 • 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

  3. 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 • 重量重い • サイズ大きい • 価格高い 鈴木・土屋研究室

  4. 問題提起 • 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 • 精度よく(誤差数m程度)位置・姿勢情報が取得可能 • 重量軽く(100g程度)、サイズ小さい(数cm程度) • 手軽に、すなわち安く(数万円程度) 鈴木・土屋研究室

  5. 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 • 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

  6. 要求2に対する解法 • [要求2]重量軽く、サイズが小さい • 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

  7. 要求3に対する解法 • [要求3]安く作成できること • 民生品の利用 • 部品点数を少なくする 鈴木・土屋研究室

  8. 構成 • 全体の構成 加速度計 ジャイロ マイコン (Kalman Filter) GPS 鈴木・土屋研究室

  9. 構成(詳細1)-座標系、機器配置 • 座標系と機器の配置 • i-Frame • 地面固定座標系(航法座標系) • b-Frame • 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

  10. 構成(詳細2)-変数 • Input • :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) • Output • : i-frameでの位置(3) • : i-frameでの速度(3) • :姿勢(4) 鈴木・土屋研究室

  11. 構成(詳細3)-Software • 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 鈴木・土屋研究室

  12. 構成(詳細3-1)-predict時 • GPSからデータの取得がないとき 鈴木・土屋研究室

  13. 構成(詳細3-2)-correct時 • GPSからのデータの取得があるとき 鈴木・土屋研究室

  14. 構成(詳細4)-Hardware • 機器一覧 • 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

  15. 構成(詳細4-1)-加速度センサ • 加速度センサ • STMicroelctonics製『LIS3L02AS』 • 3軸1パッケージ、±6G検出 鈴木・土屋研究室

  16. 構成(詳細4-2)-ジャイロ① • ジャイロ(ロール、ピッチ) • 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

  17. 構成(詳細4-3)-ジャイロ② • ジャイロ(ヨー) • 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

  18. 構成(詳細4-4)-GPS • GPS • 古野電気製『GH-80』 • 重さ10g、16衛星追尾 鈴木・土屋研究室

  19. 構成(詳細4-5)-CPUボード • CPUボード • 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

  20. 今後の予定(1) • 機器の製作 • センサの校正 • 特性の検出(ノイズ等) • 環境試験 • シミュレーション • 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

  21. 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 • エレベータ • ジェットコースター • 実機搭載試験 • 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

  22. 参考文献 • 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

  23. Appendix • ARLISS2004プロジェクト(缶サット) • 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 • 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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