Attitude estimation de véhicules aériens accélérés utilisant GPS/IMU

Attitude estimation of accelerated aerial vehicles using IMU/GPS

• Auteur / Autrice : Iftikhar Ahmad
• Direction : Abdelaziz Benallegue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Versailles-St Quentin en Yvelines

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convergence (mathématiques)

Gravité

Robots mobiles

Résumé

Ce travail de recherche porte sur l’estimation de l’attitude d’un corps rigide se déplaçant dans l’espace 3D avec une accélération qui n’est ni constante, ni négligeable par rapport à la gravité. Les capteurs utilisés sont une centrale inertielle (IMU) et un GPS qui fournissent respectivement les mesures de vecteurs accélération linéaire, champ magnétique terrestre et vitesse angulaire (données IMU) et la vitesse linéaire absolue (données GPS) du corps en mouvement. Nous avons proposé, dans un premier temps, un observateur par mode glissant d’ordre deux assurant la convergence exponentielle, capable d’estimer d’une manière exacte une entrée inconnue supposée bornée et variant dans le temps d’un système dynamique non linéaire. Cet observateur utilise la mesure de tout son état. Celui-ci a ensuite été appliqué à l’estimation de l’accélération linéaire inconnue dans le repère inertiel nécessaire dans la plupart des algorithmes d’estimation d’attitude connus (méthode algébrique ou dynamique). A partir de ce résultat, un observateur à deux étapes a été proposé pour estimer l’attitude du corps rigide en mouvement accéléré, où l’estimation de l’accélération linéaire constitue la première étape, tandis que la deuxième étape se résume à l’utilisation de cette accélération dans un algorithme d’estimation dynamique. En utilisant, le principe de séparation, nous arrivons à montrer la convergence asymptotique presque globale (almost global) de l’erreur d’estimation. Afin de prendre en compte les imperfections des capteurs de la centrale inertielle telles que le bruit et les biais, et par conséquent améliorer l’estimation de l’attitude, un filtre complémentaire non linéaire a été proposé.

This research work addresses the problems of attitude estimation of rigid bodies moving in 3D-space with an acceleration which is neither constant, nor negligible as compared to the gravity, using IMU and GPS. We propose an observer based on proportional-integral type second order sliding mode to estimate unknown bounded time-varying input to a nonlinear dynamical system. Exponential convergence on the observed is demonstrated using Lyapunov theory in a general case. This observer has been applied to estimate the unknown linear acceleration in the inertial frame from the equations of rigid bodies translational dynamics. We then propose a two-step observer for which the estimation of linear acceleration is the first step which is then used in the equations of rigid bodies rotational dynamics at second step. The exponentially convergence at first step is sufficient excuse to study the convergence analysis of the rigid bodies rotational dynamics separately. The combined system is found to be almost global asymptotic convergent by using separation principle. We also propose a complementary filter to filter raw measurements of two non-collinear vectors in the body frame, for which we get global asymptotic convergence. Note that we get global exponential convergence if gyro-bias is not considered. After filtering these directions, the doors of attitude estimation through using some algebraic algorithm, are open. The performance of the proposed observers is illustrated by simulation results as well.