Plataforma Strapdown

Obter a atitude de drones, veículos subaquáticos e outros dispositivos com 6 graus de liberdade é uma das tarefas mais desafiadoras no projeto de sistemas de controle de navegação. Por este motivo, muitos projetos utilizam programas proprietários ou limitam-se á simulações. Neste trabalho é apresentado um sistema completo para determinação de atitude capaz de fornecer medidas calibradas e atitude estimada utilizando sensores MEMS, com microcontrolador de baixo custo e baixo consumo energético. Acelerômetro e magnetômetro são calibrados online no sistema embarcado como emprego do método dos mínimos quadrados sem auxílio de equipamentos externos. O estado estimado é computado com um rápido algorítimo algébrico de quatérnios consumindo menos de 1,5ms com emprego de um filtro aditivo de Kalman linear.

• Trabalho de graduação e publicação
  • Depedências
  • Instalação
  • Foco do programa:
  • Funcionalidade
  • Divisão das tarefas
  • Métodos de calibração
  • Estimador de atitude

Grupo de trabalho

Este trabalho faz parte de um projeto que visa o desenvolvimento de protótipo de veículos não tripulados. Para saber mais acesse: Navigation, Position and Time in Unmanned Aerial Vehicles in environments with no GPS/GNSS signal

Trabalho de graduação e publicação

Este projeto é resultado do Trabalho de Graduação de Engenharia Aeroespacial

Artigo publico no Congresso Brasileiro de Automática no ano 2020.

Depedências

Este projeto utiliza a biblioteca Eigen (por este motivo o #include "../eigen/Eigen/Dense") para computa das operações de álgebra linear. Para completar a transmissão da telemetria o projeto utiliza o API ESP-NOW da Espressif, portando, para receber os dados outro ESP-32 deve esta conectado a um pc e com o código de coleta de dados da telemetria carregado.

Instalação

Para instar esses bibliotecas basta executar o comando:

git clone https://github.com/roneydua/plataformastrapdown.git

Foco do programa:

O foco destas bibliotecas é de construção para uma plataforma strapdown de seis graus de liberdade tal que forneça:

• Dados de giroscópio, acelerômetro e magnetômetro da MPU9250 calibrados. Sendo que:

  • Os giroscópios são calibrados com a eliminação do erro sistemático com a função (IMU::calibraGyro()); que atualiza a variável _biasGyro que é um vetor 3x1.

  • O magnetometro é calibrado pelo método geométrico com a função int calibracaoGeometrica(MatrixXf &data, Matrix3f &sF, Vector3f &bias, float moduloCampo).

    Para utilizar este método é necessário coletar medidas rotacionando a plataforma. Durante a rotação estas medidas coletadas são armazenadas em uma matriz Nx3 &dados. Quando mais dados coletados, mais acurada costuma ser a calibração (500 medidas costumam apresentar bons resultados). &sF é um matriz 3x3 diagonal com os fatores de escala e &bias é um vetor 3x1 de bias. Quando o método falha, retorna um número negativo.

  • O acelerômetro é calibrado com a função int calibracaoAcelerometro(MatrixXf &X, MatrixXf data)

    A base desenvolvida possui o sensor preso como pode ser visto na figura abaixo:

    

    Depois de montada e fechada, o algoritmo de calibração do acelerômetro precisa da tomada de dados nas seis orientações para resolver o problema de mínimos quadrados. A base fechada como mostra a figura possibilita que essa tomada seja feita de forma simples.

    

Funcionalidade

O projeto fornece um vetor de dimensão 4+3+3+3+3+1 = 17 floats. Na seguinte sequência:

Componentes do quatérnio de atitude	Ângulos de Euler	Acelerômetro	Magnetômetro	Giroscópio	Intervalo de tempo
normalizado	graus	m/s	normalizado	rad/s	segundos

Divisão das tarefas

O ESP-32 possui dois núcleo como capacidade de realizar operações multitarefa. Um dos núcleos executa a função void estimadorCodigo(void *) e o outro a função void comunicacaoCodigo(void *), o primeiro executa o loop de estimação e o segundo comanda a telemetria.

Métodos de calibração

Os sensores são calibrados considerando:

• giroscópios
  • Only remove the systematic errors
• Acelerômetros
  • Kuncar, A., Sysel, M., & Urbanek, T. (2016). Calibration of triaxial accelerometer and triaxial magnetometer for tilt compensated electronic compass., 45–52. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-33389-2_5
• Magnetômetros
  • STMicroelectronics, (2010). Using LSM303DLH for a tilt compensated electronic compass.

Estimador de atitude

A estimação da atitude é feita com um filtro de Kalman linear e Quatérnios são utilizados para representar a atitude.