Complementary filter for determining the orientation of the UAV

Abstract

The latest developments in autonomous vehicle technology have made unmanned aerial vehicles (UAVs) a highly desirable option for modern military and civilian applications. These include aerial photography, pipeline and power line inspection, disaster assessment, remote sensing and cruise missile deployment. In order to operate unmanned aerial vehicles (UAVs), whether manually or with computer assistance, it is crucial to have knowledge of their orientation, velocity, and position. However, when cost or weight limitations is an issue, the use of high-precision inertial navigation systems becomes impractical. As a result, low-cost alternatives have gained popularity, employing inertial sensors based on microelectromechanical systems (MEMS). These MEMS-based systems offer a cost-effective solution but come with certain limitations. They are inclined to increased sensor noise, drift, and impulse accelerations, which can result in potential errors in reporting roll, pitch, and yaw angles. Despite these drawbacks, inertial navigation system remains a critical component for ensuring the safe and reliable flight of UAVs, providing essential information about their orientation in three-dimensional space. Inertial Navigation Systems (INS) performed as the fundamental on-board navigation equipment for different vehicles [6,7]. They provide comprehensive information regarding the present orientation, motion characteristics, and position of a moving object. INS incorporates sensors that measure linear acceleration and angular velocity. These sensors aid in determining the discrepancy between the coordinate system of the instrument body and the Earth coordinate system, thereby providing orientation angles such as roll, pitch, and yaw. By integrating the readings from the accelerometer, the INS enables the calculation of the positional deviation in terms of latitude, longitude, and altitude.The key feature of a non-platform Inertial Navigation System (INS) is the rigid attachment of the inertial sensor block to the object's axes within the body. In this case, the geographic coordinate system is not physically modeled by a gimballed platform, but is calculated analytically, requiring higher accuracy inertial sensors than platform-based systems regardless of their type.

Останні розробки в технології автономних транспортних засобів зробили безпілотні літальні апарати (БПЛА) дуже бажаним варіантом для сучасних військових і цивільних застосувань. Це включає аерофотозйомку, інспекцію трубопроводів і ліній електропередач, оцінку катастроф, дистанційне зондування та розгортання крилатих ракет. Щоб керувати безпілотними літальними апаратами (БПЛА) вручну чи за допомогою комп’ютера, дуже важливо знати їх орієнтацію, швидкість і положення. Однак, коли проблема обмеження вартості або ваги, використання високоточних інерціальних навігаційних систем стає недоцільним. У результаті набули популярності недорогі альтернативи, які використовують інерційні датчики на основі мікроелектромеханічних систем (MEMS). Ці системи на основі MEMS пропонують економічно ефективне рішення, але мають певні обмеження. Вони схильні до підвищеного шуму датчика, дрейфу та імпульсних прискорень, що може призвести до потенційних помилок у звітах про кути крену, тангажу та повороту. Незважаючи на ці недоліки, інерціальна навігаційна система залишається критично важливим компонентом для забезпечення безпечного та надійного польоту БПЛА, надаючи важливу інформацію про їх орієнтацію в тривимірному просторі. Інерціальні навігаційні системи (ІНС) виступають основним бортовим навігаційним обладнанням різних транспортних засобів [6,7]. Вони надають вичерпну інформацію щодо поточної орієнтації, характеристик руху та положення рухомого об’єкта. INS містить датчики, які вимірюють лінійне прискорення та кутову швидкість. Ці датчики допомагають визначити розбіжності між системою координат корпусу приладу та системою координат Землі, таким чином забезпечуючи кути орієнтації, такі як крен, тангаж і поворот. Інтегруючи показання акселерометра, INS дозволяє розрахувати позиційне відхилення в термінах широти, довготи та висоти. Ключовою особливістю неплатформної інерціальної навігаційної системи (INS) є жорстке кріплення блоку інерційних датчиків. до осей об’єкта всередині тіла. У цьому випадку географічна система координат не моделюється фізично за допомогою платформи з шарнірним шарніром, а розраховується аналітично, що вимагає більш високої точності інерційних датчиків, ніж системи на основі платформи, незалежно від їх типу.