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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

23/04/19 鈴木・土屋研究室 2

発表内容1. 研究背景2. 問題提起3. 解法4. 構成5. 今後の予定6. 参考文献

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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

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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1. 精度よく ( 誤差数 m 程度 ) 位置・姿勢情

報が取得可能2. 重量軽く (100g 程度 ) 、サイズ小さい

( 数 cm 程度 )3. 手軽に、すなわち安く ( 数万円程度 )

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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

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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

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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

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構成 全体の構成

加速度計

ジャイロ

GPS

マイコン

(Kalman Filter)

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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

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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)

'bx

'b

'ix

'ix

'iv

iq

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構成 ( 詳細 3)-Software 加速度センサ、ジャイロのデータを 2

0Hz 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

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構成 ( 詳細 3-1)-predict 時 GPS からデータの取得がないとき

Tkk

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構成 ( 詳細 3-2)-correct 時 GPS からのデータの取得があるとき

1

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11

111

1

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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

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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

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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

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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

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構成 ( 詳細 4-4)-GPS GPS

古野電気製『 GH-80』 重さ 10g 、 16衛星追尾

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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、 RAM1

MB、 ROM2MB搭載、サイズ 49x 57[mm]

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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

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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 )

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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 Navi

gation Systems, Second Edition(Robert M.Rogers)

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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

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