METODY KOREKCJI KĄTÓW OBROTU HEADING, PITCH, ROLL Z UŻYCIEM BEZZAŁOGOWEGO STATKU POWIETRZNEGO

Podobne dokumenty
Zastosowanie metod predykcji w określaniu współrzędnych Bezzałogowego Statku Powietrznego

Spis treści. Przedmowa... XI. Rozdział 1. Pomiar: jednostki miar Rozdział 2. Pomiar: liczby i obliczenia liczbowe... 16

Wykorzystanie techniki GPS do wyznaczenia kątów heading, pitch i roll część I

Koncepcja pomiaru i wyrównania przestrzennych ciągów tachimetrycznych w zastosowaniach geodezji zintegrowanej

Temat ćwiczenia: Wyznaczenie elementów orientacji zewnętrznej pojedynczego zdjęcia lotniczego

Wstęp do metod numerycznych Zadania numeryczne 2016/17 1

Aproksymacja funkcji a regresja symboliczna

METODY STATYSTYCZNE W BIOLOGII

ZAGADNIENIA PROGRAMOWE I WYMAGANIA EDUKACYJNE DO TESTU PRZYROSTU KOMPETENCJI Z MATEMATYKI DLA UCZNIA KLASY II

Filtracja pomiarów z głowic laserowych

Wstęp do teorii niepewności pomiaru. Danuta J. Michczyńska Adam Michczyński

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

SPOSOBY POMIARU KĄTÓW W PROGRAMIE AutoCAD

LABORATORIUM Z FIZYKI

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

Analiza Danych Sprawozdanie regresja Marek Lewandowski Inf 59817

Dopasowywanie modelu do danych

Pomiarowa baza badawcza na terenie PWSTE Measurement research base at the Higher School of Technology and Economics in Jarosław (PWSTE)

3. Modele tendencji czasowej w prognozowaniu

Metoda określania pozycji wodnicy statków na podstawie pomiarów odległości statku od głowic laserowych

Zastosowanie rachunku wyrównawczego do uwiarygodnienia wyników pomiarów w układzie cieplnym bloku energetycznego siłowni parowej

MODEL STANOWISKA DO BADANIA OPTYCZNEJ GŁOWICY ŚLEDZĄCEJ

WYZNACZANIE POŁOŻENIA GŁOWICY OPTOELEKTRONICZNEJ Z WYKORZYSTANIEM CZUJNIKÓW MEMS

Aerotriangulacja. 1. Aerotriangulacja z niezależnych wiązek. 2. Aerotriangulacja z niezależnych modeli

Komputerowa Analiza Danych Doświadczalnych

Trendy nauki światowej (1)

APARATURA BADAWCZA I DYDAKTYCZNA

Jolanta Pająk Wymagania edukacyjne matematyka w zakresie rozszerzonym w klasie 2f 2018/2019r.

Temat: SZACOWANIE NIEPEWNOŚCI POMIAROWYCH

Wyniki pomiarów okresu drgań dla wahadła o długości l = 1,215 m i l = 0,5 cm.

Spis treści PRZEDMOWA DO WYDANIA PIERWSZEGO...

Sterowanie napędów maszyn i robotów

( x) Równanie regresji liniowej ma postać. By obliczyć współczynniki a i b należy posłużyć się następującymi wzorami 1 : Gdzie:

Rozdział 8. Regresja. Definiowanie modelu

w analizie wyników badań eksperymentalnych, w problemach modelowania zjawisk fizycznych, w analizie obserwacji statystycznych.

Tutaj powinny znaleźć się wyniki pomiarów (tabelki) potwierdzone przez prowadzacego zajęcia laboratoryjne i podpis dyżurujacego pracownika obsługi

WYZNACZANIE NIEPEWNOŚCI POMIARU METODAMI SYMULACYJNYMI

Fuzja sygnałów i filtry bayesowskie

ROZKŁAD MATERIAŁU DO II KLASY LICEUM (ZAKRES ROZSZERZONY) A WYMAGANIA PODSTAWY PROGRAMOWEJ.

Przedmiotowy system oceniania wraz z określeniem wymagań edukacyjnych klasa druga zakres rozszerzony

Odchudzamy serię danych, czyli jak wykryć i usunąć wyniki obarczone błędami grubymi

Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki

TRANSFORMACJE I JAKOŚĆ DANYCH

x y

KADD Metoda najmniejszych kwadratów funkcje nieliniowe

Ćw. nr 1. Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła prostego

Mathcad c.d. - Macierze, wykresy 3D, rozwiązywanie równań, pochodne i całki, animacje

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności pomiarowych

SINGLE-IMAGE HIGH-RESOLUTION SATELLITE DATA FOR 3D INFORMATIONEXTRACTION

Ultra szybkie pozycjonowanie GNSS z zastosowaniem systemów GPS, GALILEO, EGNOS i WAAS

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK SIŁOWNIKÓW UDAROWYCH Z NASTAWIANĄ OBJĘTOŚCIĄ KOMORY

Niepewności pomiarów

SATELITARNE TECHNIKI POMIAROWE WYKŁAD 5

Badanie widma fali akustycznej

Regresja wieloraka Ogólny problem obliczeniowy: dopasowanie linii prostej do zbioru punktów. Najprostszy przypadek - jedna zmienna zależna i jedna

BADANIE EFEKTU HALLA. Instrukcja wykonawcza

Ćwiczenie 5 PROGNOZOWANIE

TEMATYKA PRAC DYPLOMOWYCH MAGISTERSKICH STUDIA STACJONARNE DRUGIEGO STOPNIA ROK AKADEMICKI 2011/2012

DOPASOWYWANIE KRZYWYCH

Modele zapisane w przestrzeni stanów

Kurs fotogrametrii w zakresie modelowania rzeczywistości, tworzenia modeli 3D, numerycznego modelu terenu oraz cyfrowej true-fotomapy

Analiza współzależności zjawisk

KORELACJE I REGRESJA LINIOWA

Wybrane zastosowania bezzałogowych statków latających (BSL) w inżynierii środowiska. Rok akademicki: 2016/2017 Kod: DIS IK-n Punkty ECTS: 3

METODA MACIERZOWA OBLICZANIA OBWODÓW PRĄDU PRZEMIENNEGO

Wojskowa Akademia Techniczna Zakład Teledetekcji i Fotogrametrii ul. Kaliskiego Warszawa 49

Rozdział 1 PROGRAMOWANIE LINIOWE

Współczynnik korelacji. Współczynnik korelacji jest miernikiem zależności między dwiema cechami Oznaczenie: ϱ

Ćwiczenie 1 Metody pomiarowe i opracowywanie danych doświadczalnych.

KLUCZ PUNKTOWANIA ODPOWIEDZI

REGRESJA I KORELACJA MODEL REGRESJI LINIOWEJ MODEL REGRESJI WIELORAKIEJ. Analiza regresji i korelacji

PLAN WYNIKOWY DLA KLASY DRUGIEJ POZIOM PODSTAWOWY I ROZSZERZONY. I. Proste na płaszczyźnie (15 godz.)

5. Model sezonowości i autoregresji zmiennej prognozowanej

Jak poprawnie napisać sprawozdanie z ćwiczeń laboratoryjnych z fizyki?

FIZYKA LABORATORIUM prawo Ohma

Statystyka. Wykład 9. Magdalena Alama-Bućko. 24 kwietnia Magdalena Alama-Bućko Statystyka 24 kwietnia / 34

2) R stosuje w obliczeniach wzór na logarytm potęgi oraz wzór na zamianę podstawy logarytmu.

Temat Zasady projektowania naziemnego pomiaru fotogrametrycznego. 2. Terenowy rozmiar piksela. 3. Plan pomiaru fotogrametrycznego

DOKUMENTACJA SYSTEMU ZARZĄDZANIA LABORATORIUM. Procedura szacowania niepewności

JEDNORÓWNANIOWY LINIOWY MODEL EKONOMETRYCZNY

Teoria błędów. Wszystkie wartości wielkości fizycznych obarczone są pewnym błędem.

WYMAGANIA Z WIEDZY I UMIEJĘTNOŚCI NA POSZCZEGÓLNE STOPNIE SZKOLNE DLA KLASY CZWARTEJ H. zakres rozszerzony. Wiadomości i umiejętności

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

PDF created with FinePrint pdffactory Pro trial version

MATEMATYKA 8. Funkcje trygonometryczne kąta ostrego (α < 90 ). Stosunki długości boków trójkąta prostokątnego nazywamy funkcjami trygonometrycznymi.

Rozpoznawanie obrazów

Metody systemowe i decyzyjne w informatyce

Podstawy fotogrametrii i teledetekcji

Metoda eliminacji Gaussa. Autorzy: Michał Góra

Aplikacje Systemów. Nawigacja inercyjna. Gdańsk, 2016

WPŁYW METODY DOPASOWANIA NA WYNIKI POMIARÓW PIÓRA ŁOPATKI INFLUENCE OF BEST-FIT METHOD ON RESULTS OF COORDINATE MEASUREMENTS OF TURBINE BLADE

Próbny egzamin z matematyki dla uczniów klas II LO i III Technikum. w roku szkolnym 2012/2013

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

3. Interpolacja. Interpolacja w sensie Lagrange'a (3.1) Dana jest funkcja y= f x określona i ciągła w przedziale [a ;b], która

Propozycja szczegółowego rozkładu materiału dla 4-letniego technikum, zakres podstawowy i rozszerzony. Klasa I (90 h)

WYMAGANIA EDUKACYJNE NA POSZCZEGÓLNE OCENY MATEMATYKA STOSOWANA - KLASA II I. POWTÓRZENIE I UTRWALENIE WIADOMOŚCI Z ZAKRESU KLASY PIERWSZEJ

Program zajęć pozalekcyjnych z matematyki poziom rozszerzony- realizowanych w ramach projektu Przez naukę i praktykę na Politechnikę

Metody Numeryczne w Budowie Samolotów/Śmigłowców Wykład I

Transkrypt:

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2016 nr 58, ISSN 1896-771X MEODY KOREKCJI KĄÓW OBROU HEADING, PICH, ROLL Z UŻYCIEM BEZZAŁOGOWEGO SAKU POWIERZNEGO Damian Wierzbicki 1a, Kamil Krasuski 2b 1 Zakład Fotogrametrii i eledetekcji, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Wojskowa Akademia echniczna 2 Wydział Geodezji, Kartografii i Katastru Nieruchomości, Starostwo Powiatowe w Rykach a damian.wierzbicki@wat.edu.pl, b kk_deblin@wp.pl Streszczenie W pracy przedstawiono rezultaty korekcji kątów HPR (Heading, Pitch i Roll) z użyciem filtracji Kalmana, metody wielomianowej oraz metody trygonometrycznej. Eksperyment badawczy przeprowadzono z użyciem surowych wartości kątów Heading, Pitch i Roll, zarejestrowanych przez urządzenie rimble UX-5. W artykule przedstawiono algorytmy korekcji kątów HPR oraz opisano konfigurację parametrów wejściowych dla każdej metody badawczej. Kod źródłowy programu i obliczenia numeryczne zostały wykonane w edytorze Scilab 5.4.1. Słowa kluczowe: Heading, Pitch, Roll, BSP, odchylenie standardowe, filtr Kalmana, metoda wielomianowa, metoda trygonometryczna HE CORRECION MEHODS OF HEADING, PICH, ROLL ROAION ANGLES WIH USING UAV Summary In the paper, results of correction Heading, Pitch and Roll angles with using Kalman filtering method, polynomial method and trigonometric method were presented. he research test was realized using the raw data of Heading, Pitch and Roll angles, which are register by rimble UX-5 platform. In the paper, algorithms of correction Heading, Pitch and Roll angles were presented and configuration of initial parameters in each research method was described. he source code of program and numerical computations were executed in Scilab 5.4.1 software. Keywords: Heading, Pitch, Roll, UAV, standard deviation, Kalman Filter, polynomial method, trigonometric method 1. WSĘP Orientacja w przestrzeni Bezzałogowego Statku Powietrznego (BSP) odbywa się zazwyczaj z wykorzystaniem połączenia sensora GPS oraz systemu inercjalnego INS. Sensor GPS pozwala na wyznaczenie współrzędnych BSP względem środka Ziemi w układzie ECEF, natomiast sensor INS umożliwia określenie przyspieszenia i kątów obrotu HPR (Heading, Pitch, Roll) w układzie wewnętrznym statku powietrznego (tzw. body frame ) [1, 7]. Kąty HPR przyjęto definiować w polskiej nomenklaturze następująco: Heading- kurs, Pitch- kąt pochylenia, Roll- kąt obrotu [8]. Należy podkreślić, iż zarejestrowane przez jednostkę inercjalną IMU wartości kątów HPR mogą zawierać błędy grube i powinny zostać poddane dodatkowej obróbce wewnętrznej w celu detekcji i eliminacji pomiarów odstających. Nieprecyzyjne wyznaczone wartości kątów HPR przekładają się głównie na stabilność parametrów lotu i położenia platformy BSP [6]. Dopuszczalna dokładność określenia 132

DAMIAN WIERZBICKI, KAMIL KRASUSKI kątów HPR dla urządzenia BSP, podczas wykonywania lotu, może wynosić nawet do 2 0. rzeba nadmienić, iż większość producentów BSP oferuje możliwość zapisu wartości kątów HPR dla BSP z precyzją do 2 miejsc po przecinku (tj. 0.01 0 ), co nie jest tożsame z uzyskiwaną dokładnością bezwzględną odczytu [4]. Zarejestrowane kąty HPR po wstępnej obróbce danych źródłowych są wykorzystywane w obszarze fotogrametrii do określenia elementów orientacji zewnętrznej dla pozyskanych zdjęć lotniczych z niskiego lub średniego pułapu wysokości [3]. W prezentowanej pracy przedstawiono i omówiono rezultaty korekcji danych HPR z użyciem filtru Kalmana, metody wielomianowej i trygonometrycznej. Całość artykułu podzielono na pięć części: wstęp, metodologia badań, opis eksperymentu badawczego, wyniki i dyskusja, wnioski końcowe. Algorytmy i modele matematyczne wykorzystane w korekcji danych źródłowych w postaci kątów HPR zostały opisane szczegółowo w rozdziale drugim. W rozdziale trzecim scharakteryzowano eksperyment badawczy i opisano konfigurację parametrów wejściowych w każdej metodzie badawczej. W rozdziale czwartym zaprezentowano uzyskane rezultaty z eksperymentu badawczego oraz dokonano ich porównania z surowymi odczytami kątów HPR z urządzenia rimble UX-5. Artykuł naukowy kończy rozdział z wnioskami oraz spis literatury. 2. MEODYKA BADAŃ W metodologii badań zaproponowano użycie trzech modeli matematycznych, mających na celu poprawę wartości kątów obrotu HPR. W analizie wykorzystano metodę filtracji Kalmana (rozwiązanie 1), metodę wielomianową (rozwiązanie 2), metodę trygonometryczną (rozwiązanie 3). Model matematyczny dla każdej z wyżej wymienionych metod badawczych został szczegółowo opisany w niniejszym artykule. 2.1 FILR KALMANA W pierwszej metodzie badawczej zastosowano algorytm dwuwymiarowego modelu systemu pomiarowego z użyciem filtracji Kalmana w przód. Parametrami wejściowymi dla algorytmu są wartości kątów HPR (Heading, Pitch, Roll), zarejestrowane przez BSP dla określonego interwału czasu. Podstawowe równanie modelu systemu pomiarowego dla kątów HPR przyjmie postać [2]: - dla kąta Heading: ( dψ ) ψ ( k) = ψ ( k 1) + wψ ( k 1) + dψ ( k 1) + w t (1) dψ ( k) = dψ ( k 1) + wd ψ - dla kąta Roll: ( dφ ) φ ( k) = φ( k 1) + wφ ( k 1) + dφ( k 1) + w t dφ( k) = dφ( k 1) + wdφ [ ( k), ( k), ( k) ] (3) ψ θ φ - skorygowane wartości kątów HPR na epokę k (epoka bieżąca), [ ψ ( k 1), θ( k 1), φ( k 1) ] - skorygowane wartości kątów HPR na epokę k-1 (epoka poprzednia), wψ, wθ, wφ - szum procesu pomiarowego dla kątów HPR na epokę k-1 (epoka poprzednia), [ dψ ( k 1), dθ ( k 1), dφ( k 1) ] - dryfty kątów HPR na epokę k-1 (epoka poprzednia), wdψ, wdθ, wdφ - szum procesu pomiarowego dla dryftów kątów HPR na epokę k-1 (epoka poprzednia), t - przyrost czasu pomiędzy epokami (k) oraz (k-1), [ d ( k), d ( k), d ( k) ] ψ θ φ - dryfty kątów HPR na epokę k (epoka bieżąca). Równania (1), (2) i (3) są ogólnymi równaniami modelu systemu pomiarowego, w którym dane wejściowe pochodzą tylko z jednego urządzenia pomiarowego, np. żyroskop laserowy. W przypadkach szczegółowych, gdy system pomiarowy składa się z kilku rządzeń mierniczych (np. akcelerometry, żyroskopy, inklinometry), należy zastosować trójwymiarowy model systemu, tzn. uwzględnić parametr prędkości kątowej. W równaniach (1), (2) i (3) zastosowano dwuwymiarowy model systemu pomiarowego, który zawiera informacje o wyznaczanych kątach HPR oraz ich dryfcie. Wartości kątów HPR są wyrażone w stopniach lub radianach, zaś dryfty kątów HPR odpowiednio w stopniach na sekundę lub radianach na sekundę. Równania systemu pomiarowego (1), (2) i (3) są wyznaczane z użyciem filtru Kalmana w procesie dwuetapowym, jak poniżej [11]: 1) I etap- proces predykcji : x( k 1) = A x( k 1) (4) P( k 1) = A P A + Q( k 1) (5) A - macierz współczynników, - dla kąta Pitch: ( ) θ ( k) = θ ( k 1) + wθ ( k 1) + dθ ( k 1) + wdθ t dθ ( k) = dθ ( k 1) + wdθ (2) 1 t A = 0 1, 133

MEODY KOREKCJI KĄÓW OBROU HEADING, PICH, ROLL (...) x - oszacowane wartości wyznaczanych parametrów a priori z kroku poprzedniego, P - oszacowane wartości macierzy kowariancji a priori z kroku poprzedniego, x - prognoza wartości stanu, P - prognozowane wartości macierzy kowariancji, Q - macierz kowariancji procesu szumu, qψ 0 Q( k 1) = 0 q, dψ ( qψ, qd ψ ) - wariancje szumu procesu pomiarowego dla pojedynczego kąta i jego dryftu (przykład podany dla kąta Heading). 2) II etap- proces korekcji : ( ) 1 K( k) = P H H P H + R (6) ( ) x( k) = x( k 1) + K ( k) z H x( k 1) (7) ( ) P( k) = I K ( k) H P( k 1) (8) R - macierz kowariancji pomiarów, H - macierz pochodnych cząstkowych, H = [ 1 0], K( k) - macierz wzmocnienia Kalmana, z - wektor wielkości pomierzonych, I - macierz jednostkowa, x( k) - wyznaczane parametry a posteriori, P( k) - macierz kowariancji wyznaczanych parametrów a posteriori. 2.2 MEODA WIELOMIANOWA Podstawowe równanie modelu matematycznego dla metody wielomianowej przyjmuje postać [5]: Y = a0 X +... + an X (9) Y - źródłowe dane parametru, pozyskane z określonego sensora, ( a0,..., an ) - wyznaczane współczynniki liniowe wielomianu, n - stopień wielomianu, X - argumenty funkcji wielomianowej (np. numery kolejnych epok lub interwał czasu). W zagadnieniu ogólnym, stosując metodę wielomianową, sprowadza się ją do wyznaczenia współczynników linio- a a w najlepszym dopasowaniu do konkret- wych ( ) 0,..., n nej reprezentacji zbioru liczbowego dla parametru Y. Należy dodać, że liczba danych parametru X musi być taka sama jak zbioru wejściowego Y. Stopień rozwinięcia wielomianu zależy w głównej mierze od liczby danych wejściowych zbioru liczbowego Y oraz trendu zmian parametru Y. Wysoki stopień wielomianu określa lepsze dopasowanie do danych źródłowych ze zbioru Y oraz umożliwia wygładzenie pomiarów odstających ze zbioru Y. W analizowanym przypadku zaproponowano zastosowanie wielomianu 9-ego stopnia, jak poniżej: (,...,, ) 0 1 8 9 Y = a X + a X +... + a X + a X (10) 0 1 8 9 a a a a - wyznaczane współczynniki wielomianu 9- ego stopnia (w sumie 10 współczynników liniowych). Równanie (10), przy założeniu iż liczba zbioru wejściowego Y jest znacznie większa od liczby wyznaczanych współczynników, jest rozwiązywane metodą najmniejszych kwadratów, jak poniżej [10]: -1 Qx = N L v = A Qx - dl [ vv] m0 = r s (11) Qx - wektor z wyznaczanymi współczynnikami liniowymi wielomianu, N = A A - układ równań normalnych, A - macierz współczynników, L = A dl, dl - wektor wyrazów wolnych, m0 - odchylenie standardowe poprawek, r - liczba obserwacji zbioru wejściowego, r > 10, s - liczba wyznaczanych współczynników, s = 10, v - wektor poprawek. 2.3 MEODA RYGONOMERYCZNA Metoda trygonometryczna umożliwia dopasowanie źródłowych danych wejściowych Y z wykorzystaniem funkcji parzystej cosinus lub funkcji nieparzystej sinus. W pracy zaproponowano zastosowanie funkcji parzystej cosinus do korekcji kątów HPR, jak poniżej [9]: 5 ( π ) ( π ) ( X π ) Y = c cos 0 X +... + c cos 6 X +... 0 3 + c cos 10 (12) 134

DAMIAN WIERZBICKI, KAMIL KRASUSKI ( c, c, c, c, c, c ) 0 1 2 3 4 5 - wyznaczane współczynniki funkcji trygonometrycznej (w sumie 6 współczynników). Funkcja trygonometryczna z równania (12) została określona poprzez użycie krotności funkcji bazowej cos( j X π), w której parametr j oznacza liczby całkowite z przedziału j = [0;2;4;6;8;10]. Równanie (12) jest rozwiązywane z zastosowaniem metody najmniejszych kwadratów (patrz równanie 11 w rozdziale 2.2), z tymże liczba wyznaczanych parametrów wynosi 6 ( s = 6 ) oraz minimalna liczba obserwacji źródłowych dla zbioru wejściowego Y wynosi powyżej 6 ( r > 6 ). 3. EKSPERYMEN BADAWCZY W części praktycznej eksperymentu badawczego dokonano korekcji wartości kątów HPR, które zostały zarejestrowane w trakcie przelotu testowego przez urządzenia rimble UX-5 (jeden z rodzajów BSP). Urządzenie rimble UX-5 rejestruje automatycznie kąty rotacji HPR i zapisuje je w pliku tekstowym (tzw. log ). Wysokość elipsoidalna lotu BSP wynosiła od 222.1 m do 235.9, przy średniej wartości około 230 m. - błąd pomiaru kąta Heading: - błąd pomiaru kąta Pitch: - błąd pomiaru kąta Roll: 0 m ψ = ± 1.5, 0 m θ = ± 1.5, 0 m φ = ± 2, - wartość początkowa macierzy kowariancji dla kąta i jego dryftu (macierz zastosowana dla wszystkich kątów 5 10 0 P( k = 1) = 2 0 10 HPR):, - wartości wariancji procesu pomiarowego (macierz zastosowana dla wszystkich kątów HPR): 0.1 0 Q( k = 1) = 0 0.01, - liczba epok pomiarowych: nk = 85 ; II metoda wielomianowa: - liczba wyznaczanych współczynników wynosi 10, - metoda obliczeń: metoda najmniejszych kwadratów, - liczba epok pomiarowych: nk = 85, - rząd macierzy współczynników A wynosi 10, - obliczenia numeryczne realizowane niezależnie dla każdego kąta obrotu HPR; III metoda trygonometryczna: - wyrażenie funkcji trygonometrycznej: krotność funkcji cosinus, - liczba wyznaczanych współczynników wynosi 6, - metoda obliczeń: metoda najmniejszych kwadratów, - liczba epok pomiarowych: nk = 85, - rząd macierzy współczynników A wynosi 6, - obliczenia numeryczne realizowane niezależnie dla każdego kąta obrotu HPR. 4. WYNIKI EKSPERYMENU BADAWCZEGO DYSKUSJA Rys. 1. rajektoria pozioma i pionowa BSP Modele matematyczne dla filtracji Kalmana, metody wielomianowej i metody trygonometrycznej zostały zaimplementowane do programu Scilab 5.4.1, w którym wykonano obliczenia korekcji kątów HPR. W trakcie przeprowadzania obliczeń numerycznych przyjęto następujące parametry konfiguracji dla parametrów wejściowych modelu: I metoda filtracji Kalmana: - okres próbkowania obserwacji: t = 1 sekunda, - wartość początkowa parametrów wektora stanu x( k = 1) = [0;0], W rozdziale czwartym prezentowanego artykułu przedstawiono i opisano rezultaty przeprowadzonych badań. W postaci graficznej zaprezentowano parametry finalne filtracji Kalmana (odchylenia standardowe kątów HPR oraz wartości dryftu kątów HPR), a ponadto porównano wartości kątów obrotu HPR po korekcji dla trzech metod badawczych. Na rys. 2 zaprezentowano wartości błędów średnich (odchylenia standardowe) dla kątów HPR po filtracji Kalmana. Wartość przeciętna dokładności kątów Heading i Pitch wynosi 0.92 0, przy rozrzucie wyników od 0.88 0 do 1.50 0. Wartość przeciętna dokładności kąta Roll wynosi 1.15 0, przy rozrzucie wyników od 1.09 0 do 2.00 0. Porównując błędy średnie pomiędzy poszczególnymi kątami HPR warto zauważyć, iż dokładność wyznaczenia kątów Heading i Pitch jest wyższa o około 20% względem dokładności kąta Roll. 135

MEODY KOREKCJI KĄÓW OBROU HEADING, PICH, ROLL (...) Rys. 2. Dokładność kątów HPR po filtracji Kalmana Na rys. 3 zaprezentowano wartości dryftu dla wszystkich kątów HPR w funkcji epoki pomiarowej. Przeciętna wartość dryftu dla kąta Heading wynosi -0,04 [ 0 /s 2 ], dla przedziału wyników od -6,60 [ 0 /s 2 ] do 1,09 [ 0 /s 2 ]. Przeciętna wartość dryftu dla kąta Pitch wynosi 0,14 [ 0 /s 2 ], dla przedziału wyników od -0,67 [ 0 /s 2 ] do 1,99 [ 0 /s 2 ]. Przeciętna wartość dryftu dla kąta Roll wynosi - 0,07 [ 0 /s 2 ], dla przedziału wyników od -1,93 [ 0 /s 2 ] do 0,32 [ 0 /s 2 ]. Rys. 3. Wartości dryftu dla kątów HPR Na rys. 4 zaprezentowano wartości kąta Heading na podstawie danych źródłowych oraz metod korekcji w funkcji epoki pomiarowej. Średnia wartość kąta Heading na podstawie surowych odczytów wynosi 175.77 0 z odchyleniem standardowym 4.52 0. W przypadku filtracji Kalmana, średnia wartość kąta Heading wynosi 175.74 0 z odchyleniem standardowym 2.34 0. W metodzie wielomianowej i trygonometrycznej, średnia wartość kąta Heading wynosi 175.77 0, jednakże odchylenia standardowe wynoszą odpowiednio dla danej metody 1.63 0 oraz 1.36 0. Należy nadmienić, iż w każdej metodzie badawczej odchylenie standardowe dla wartości średniej kąta Heading jest znacznie mniejsze od 4.52 0. Dla filtracji Kalmana, metody wielomianowej, metody trygonometrycznej odchylenia standardowe wartości średniej kąta Heading zostały zredukowane odpowiednio o 47%, 64% oraz 70%. Różnica wyników kąta Heading pomiędzy filtracją Kalmana a danymi źródłowymi z sensora rimble UX-5 wynoszą od -13.49 0 do +9.02 0. Różnica wyników kąta Heading pomiędzy metodą wielomianową a danymi źródłowymi z sensora rimble UX-5 wynoszą od -17.52 0 do +12.10 0. Różnica wyników kąta Heading pomiędzy metodą trygonometryczną a danymi źródłowymi z sensora rimble UX-5 wynoszą od -16.93 0 do +12.59 0. Należy zauważyć, że dyspersja rezultatów porównania wartości kąta Heading z surowych odczytów i poszczególnej metody korekcji jest najmniejsza dla metody filtracji Kalmana Dla każdej metody badawczej określono również odchylenie standardowe dla różnicy kąta Heading z danych źródłowych i metody korekcji. Wartość odchylenia standardowego dla różnicy wartości kąta Heading przed i po filtracji Kalmana wynosi 3.34 0. Z kolei dla metody wielomianowej i trygonometrycznej, wartość odchylenia standardowego dla różnicy wartości kąta Heading przed i po korekcji wynosi odpowiednio 4.21 0 oraz 4.31 0. Na rys. 5 zaprezentowano wartości kąta Pitch na podstawie danych źródłowych oraz metod korekcji w funkcji epoki pomiarowej. Średnia wartość kąta Pitch na podstawie surowych odczytów wynosi 4.74 0 z odchyleniem standardowym 3.38 0. W przypadku filtracji Kalmana, średnia wartość kąta Pitch wynosi 4.75 0 z odchyleniem standardowym 2.51 0. W metodzie wielomianowej i trygonometrycznej, średnia wartość kąta Pitch wynosi 4.74 0, jednakże odchylenia standardowe wynoszą odpowiednio dla danej metody 1.30 0 oraz 1.06 0. rzeba nadmienić, iż w każdej metodzie badawczej odchylenie standardowe dla wartości średniej kąta Pitch jest znacznie mniejsze od 3.38 0. Dla filtracji Kalmana, metody wielomianowej, metody trygonometrycznej odchylenia standardowe wartości średniej kąta Pitch zostały zredukowane odpowiednio o 26%, 62% oraz 67%. Różnica wyników kąta Pitch pomiędzy filtracją Kalmana a danymi źródłowymi z sensora rimble UX-5 wynoszą od -6.48 0 do +4.78 0. Rys. 4. Wartości kąta Heading na podstawie danych źródłowych i metod korekcji 136

DAMIAN WIERZBICKI, KAMIL KRASUSKI Rys. 5. Wartości kąta Pitch na podstawie danych źródłowych i metod korekcji Różnica wyników kąta Pitch pomiędzy metodą wielomianową a danymi źródłowymi z sensora rimble UX-5 wynoszą od -7.08 0 do +6.23 0. Różnica wyników kąta Pitch pomiędzy metodą trygonometryczną a danymi źródłowymi z sensora rimble UX-5 wynoszą od -7.38 0 do +6.09 0. Należy zauważyć, że dyspersja rezultatów porównania wartości kąta Pitch z surowych odczytów i poszczególnej metody korekcji jest najmniejsza dla metody filtracji Kalmana. Dla każdej metody badawczej określono również odchylenie standardowe dla różnicy kąta Pitch z danych źródłowych i metody korekcji. Wartość odchylenia standardowego dla różnicy wartości kąta Pitch przed i po filtracji Kalmana wynosi 2.40 0. Z kolei dla metody wielomianowej i trygonometrycznej, wartość odchylenia standardowego dla różnicy wartości kąta Pitch przed i po korekcji wynosi odpowiednio 3.12 0 oraz 3.21 0. trygonometrycznej, średnia wartość kąta Roll wynosi 0.16 0, jednakże odchylenia standardowe wynoszą odpowiednio dla danej metody 0.59 0 oraz 0.62 0. Zaobserwowano, iż w każdej metodzie badawczej odchylenie standardowe dla wartości średniej kąta Roll jest znacznie mniejsze od 2.70 0. Dla filtracji Kalmana, metody wielomianowej, metody trygonometrycznej odchylenia standardowe wartości średniej kąta Roll zostały zredukowane odpowiednio o 55%, 78% oraz 77%. Różnica wyników kąta Roll pomiędzy filtracją Kalmana a danymi źródłowymi z sensora rimble UX-5 wynoszą od -4.99 0 do +5.09 0. Różnica wyników kąta Roll pomiędzy metodą wielomianową a danymi źródłowymi z sensora rimble UX-5 wynoszą od -6.02 0 do +7.26 0. Różnica wyników kąta Roll pomiędzy metodą trygonometryczną a danymi źródłowymi z sensora rimble UX-5 wynoszą od -6.96 0 do +6.65 0. Należy zauważyć, iż dyspersja rezultatów porównania wartości kąta Roll z surowych odczytów i poszczególnej metody korekcji jest najmniejsza dla metody filtracji Kalmana. Dla każdej metody badawczej określono również odchylenie standardowe dla różnicy kąta Roll z danych źródłowych i metody korekcji. Wartość odchylenia standardowego dla różnicy wartości kąta Roll przed i po filtracji Kalmana wynosi 2.14 0. Z kolei dla metody wielomianowej i trygonometrycznej, wartość odchylenia standardowego dla różnicy wartości kąta Roll przed i po korekcji wynosi odpowiednio 2.64 0 oraz 2.63 0. 5. WNIOSKI W artykule opisano i zaprezentowano rezultaty korekcji kątów HPR dla BSP z użyciem algorytmu filtracji Kalmana, metody wielomianowej i trygonometrycznej. Obliczenia numeryczne wykonano na danych źródłowych HPR, zarejestrowanych przez urządzenie rimble UX-5. Kod źródłowy programu obliczeniowego został napisany w programie Scilab 5.4.1. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń i eksperymentów badawczych wyciągnięto następujące wnioski: - zastosowanie filtru Kalmana pozwala zmniejszyć błędy średnie (odchylenia standardowe) wyznaczonych kątów rotacji HPR odpowiednio: z poziomu 2 0 na 1.15 0 dla kąta Roll oraz z poziomu 1.5 0 do 0.92 0 dla kątów Heading i Pitch; Rys. 6. Wartości kąta Roll na podstawie danych źródłowych i metod korekcji Na rys. 6 zaprezentowano wartości kąta Roll na podstawie danych źródłowych oraz metod korekcji w funkcji epoki pomiarowej. Średnia wartość kąta Roll na podstawie surowych odczytów wynosi 0.16 0 z odchyleniem standardowym 2.70 0. W przypadku filtracji Kalmana, średnia wartość kąta Roll wynosi 0.22 0 z odchyleniem standardowym 1.22 0. W metodzie wielomianowej i - zastosowanie dwuwymiarowego modelu systemu pomiarowego dla algorytmu filtru Kalmana pozwala na wyznaczenie dryftu kątów obrotu HPR; - wartość odchylenia standardowego dla różnicy wyników pomiędzy surowymi odczytami kąta Heading oraz rezultatami korekcji filtracji Kalmana, metody wielomianowej, metody trygonometrycznej wynosi odpowiednio 3.34 0, 4.21 0 i 4.31 0 ; - wartość odchylenia standardowego dla różnicy wyników pomiędzy surowymi odczytami kąta Pitch oraz rezultatami korekcji filtracji Kalmana, metody wielo- 137

MEODY KOREKCJI KĄÓW OBROU HEADING, PICH, ROLL (...) mianowej, metody trygonometrycznej wynosi odpowied- nio 2.40 0, 3.12 0 i 3.21 0 ; - wartość odchylenia standardowego dla różnicy wynikąta Roll oraz ków pomiędzy surowymi odczytami rezultatami korekcji filtracji Kalmana, metody wielowynosi odpowied- mianowej, metody trygonometrycznej nio 2.14 0, 2.64 0 i 2.63 0. Literatura 1. Bieda R., Grygiel R.: Wyznaczanie orientacji obiektu w przestrzeni z wykorzystaniem naiwnego filtru Kalmana. Przegląd Elektrotechniczny 2014, R. 90, nr 1, s. 34-41. 2. Kędzierski J.: Filtr Kalmana - zastosowania w prostych układach sensorycznych. W: Kołoo Naukowe Robotyków Konar 2007, s. 24-30. 3. Kędzierski M., Wierzbicki D., Wilińska M., Fryśkowska A.: Analiza możliwości wykonaniaa aerotriangulacji zdjęć cyfrowych pozyskanych kamerą niemetryczną zamontowaną na pokładzie bezzałogowegoo statku latającego bez systemu GPS/INS. Biuletyn WA 2013, vol. LXII, nr 4, s. 241-252. 4. Kędzierski M., Fryśkowska A., Wierzbicki D.: Opracowania fotogrametryczne z niskiego pułapu. Warszawa: WA, 2014., s. 34-36. ISBN 978-83-7938-047-3. 5. Kiusalaas J.: Numerical methods in engineering with MALAB. 2th ed. Published in the United States of America by Cambridge University Press, New York, 2009, p. 128-130. ISBN-13 978-0-511-64033-9. 6. Kolecki J., Prochaska M., Piątek P., Baranowski J., Kurczyński Z.: Stabilizacja systemu pomiarowego dla wiatrakowca w aspekcie jakości LIDAR. Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i eledetekcji 2015, vol. 27, s. 71-82, 2015. DOI: 10.14681/afkit.2015.005.. 7. Krasuski K., Wierzbicki D.: Wyznaczenie kursu bezzałogowego statku powietrznego na podstawie danych GPS i INS. Pomiary Automatyka Robotyka 2015, R. 19, nr 4/2015, s. 63 68. DOI: 10.14313/PAR_218/63. 8. Nowak A., Naus K.: Badanie możliwości określania parametrów ruchu statku za pomocą systemu EGNOS. Logistyka 2014, nr 6, s. 7923-7932. 9. Ratajczak.: Metody numeryczne: przykłady i zadania. Gdańsk: Wyd. Pol. Gd., 2006, s. 120-121. 10. Subirana J.S., Zornoza J. M.J., Hernández-Pajares M.: GNSS data processing. Vol. I: Fundamentals and algorithms. ESA Communications, ESEC, Noordwijk, Netherlands, 2013, p. 141-141. ISBN: 978-92-9221-886-7. 11. Yi Y.: On improving the accuracy and reliability of GPS/INS-based direct sensor georeferencing. Ph. D. hesis, 2007. Ohio State University, p. 37-40. en artykuł dostępny jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska. Pewne prawa zastrzeżone na rzecz autorów. reść licencji jest dostępna na stronie http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ /pl/ 138