Bir dönerkanadın UKF tabanlı durum kestirimi

Döner kanatlar, havada asılı kalabilme, dikey iniş kalkış yapabilme ve düşük hızlarda uçabilme özelliklerine sahip iyi bilinen bir insansız hava aracı türüdür. Fakat, döner kanatlar hatalı durum kestirimine yol açan modelleme ve sensör hatalarına maruz kalmaktadırlar. Kalman filtresi, Gauss dağılmış rassal gürültüye sahip doğrusal sistemler için eniyiliği kanıtlanmış bir filtredir. Bununla birlikte, durum değişkenleri arasındaki etkiler ve doğrusallıktan uzak denklemlerden dolayı döner kanatların doğrusal modellenmesi gerçeği yansıtmamaktadır. EKF bu sorunu çözmek için önerilen bir filtredir. Fakat, doğrusal olmayan sistemlerin birinci dereceden Taylor serisi ile yaklaşımı yetersiz kalabilmektedir. Bu sebeple, UT ye dayanan başka bir Kalman filtresi önerilmiştir. UKF, durum dağılımını Gauss rassal değişkeni olarak üçüncü dereceden herhangi doğrusal olmayan durum için modelleyebilmektedir. Bu çalışmada, doğrusal olmayan döner kanat durum dinamikleri için bahsedilen ölçüm ve modelleme hatalarına çözüm amaçlı UKF tabanlı kestirimci gerçeklenmiştir. İstatistiksel analiz sonuçlarına göre, yaklaşım gürültüleri kestirebilmekte ve MAE, RMSE hataları ile gürültü varyansını tüm durum değişkenleri için düşürebilmektedir. Bu çalışma Eskişehir Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonu tarafından kabul edilen 20ADP229 nolu proje kapsamında desteklenmiştir.

Unscented Kalman filter based attitude estimation of a quadrotor

Quadrotors are well - known unmanned aerial vehicle structures that have some advantages such as hovering, vertical take – off and landing, and low – speed flight. On the other hand, quadrotors are subjected to modeling and sensor uncertainties that lead to erroneous state estimation. Kalman filter has been proven to be the optimal estimator for the Gaussian distributed noise for linear processes. However, linear dynamical models of the quadrotors are not accurate representations of the systems due to nonlinearities, and coupling between the states. Extended Kalman filter (EKF) is proposed to solve the above issue. But, first order Taylor series approximation for the nonlinear state model may lead inefficiencies. For this reason, another Kalman filter framework is proposed that employs unscented transformation (UT). Unscented Kalman filter (UKF), can model the state distribution as Gaussian random variable to the third degree for arbitrary nonlinearities. So, in this study, unscented Kalman filter based estimation scheme is presented to overcome the sensor and model noises for nonlinear quadrotor attitude dynamics. According to the statistical analysis, the approach can estimate and reduce the mean absolute error, root mean square error and also variance of the noise for all attitude states. This study was supported by Eskişehir Technical University Scientific Research Projects Commission under the grant no: 20ADP229.

___

  • [1] I. Yazar, "Observer and neural network based fault tolerant control application on aircraft longitudinal flight control," Journal of Aeronautics And Space Technologies, vol. 10, no. 2, pp. 61 - 70, 2017.
  • [2] R. E. Kalman, "A new approach to linear filtering and prediction problems," ASME Journal of Basic Engineering, vol. 82, pp. 35-45, 1960.
  • [3] F. Caliskan, R. Aykan and C. Hajiyev, "Aircraft icing detection, identification and reconfigurable control based on Kalman filtering and neural networks," ASCE Journal of Aerospace, vol. 21, pp. 51 - 60, April 2008.
  • [4] A. Kaba, A. Ermeydan and E. Kıyak, "Model derivation, attitude control and Kalman filter estimation of a quadcopter," in 4th. International Conference on Electrical and Electronic Engineering, IEEE 2017, Ankara, Turkey, April 8-10, 2017, pp. 210-214.
  • [5] Z. Tan, Y. Wu and J. Zhang, "Fused attitude estimation algorithm based on explicit complementary filter and Kalman filter for an indoor quadrotor UAV," in 30th Chinese Control and Decision Conference, Shenyang, China, June 9-11, 2018.
  • [6] J.-J. Xiong and E.-H. Zheng, "Optimal Kalman Filter for state estimation of a quadrotor UAV," Optik, vol. 126, no. 21, pp. 2862-2868, 2015.
  • [7] A. Kaba and E. Kıyak, "Artificial bee colony– based Kalman filter hybridization for three– dimensional position estimation of a quadrotor," Aircraft Engineering and Aerospace Technology, vol. 92, no. 10, pp. 1523-1532, 2020.
  • [8] S. Zeghlache, D. Saigaa, K. Kara and A. Bouguerra, "State vector estimation using extended filter kalman for the sliding mode controlled quadrotor helicopter in vertical flight," in 8th International Conference on Electrical and Electronics Engineering, Bursa, Turkey, 2013.
  • [9] F. A. Goodarzi and T. Lee, "Extended Kalman filter on SE(3) for geometric control of a quadrotor UAV," in International Conference on Unmanned Aircraft Systems, Arlington, VA, USA, June 7-10, 2016.
  • [10] A. Kaba and E. Kıyak, "Optimizing a Kalman filter with an evolutionary algorithm for nonlinear quadrotor attitude dynamics," Journal of Computational Science, vol. 39, 2020.
  • [11] W. Janusz and M. Niezabitowski, "Joint state and parameter estimation of quadrotor based on extended Kalman filter and complementary filter," in 17th International Carpathian Control Conference, ICCC 2016, Tatranska Lomnica, Slovakia, May 29-June 1, 2016.
  • [12] M. Sarim, A. Nemati, M. Kumar and K. Cohen, "Extended Kalman filter based quadrotor state estimation based on asynchronous multisensor data," in Proceedings of the ASME 2015 Dynamic Systems and Control Conference, Columbus, Ohio, USA, October 28-30, 2015.
  • [13] A. A. A. Alawsi, B. H. Jasim and S. M. Raafat, "Nonlinear estimation of quadcopter states using unscented Kalman filter," Periodicals of Engineering and Natural Sciences, vol. 7, no. 4, pp. 1626-1637, 2019.
  • [14] J. Goslinski, W. Giernacki and S. Gardecki, "Unscented Kalman Filter for an orientation module of a quadrotor mathematical model," in 9th Asian Control Conference, ASCC 2013, Istanbul, Turkey, June 23-26, 2013.
  • [15] H. B. Khamseh, S. Ghorbani and F. Janabi- Sharifi, "Unscented Kalman filter state estimation for manipulating unmanned aerial vehicles," Aerospace Science and Technology, vol. 92, pp. 446-463, 2019.
  • [16] H. E. Soken and C. Hajiyev, "Pico satellite attitude estimation via Robust Unscented Kalman Filter in the presence of measurement faults," ISA Transactions, vol. 49, pp. 249-256, 2010.
  • [17] A. Onat, "A novel and computationally efficient joint unscented Kalman filtering scheme for parameter estimation of a class of nonlinear systems," IEEE Access, vol. 7, pp. 31634-31655, 2019.
  • [18] L. Yin, Z. Deng, B. Huo, Y. Xia and C. Li, "Robust Derivative Unscented Kalman Filter Under Non-Gaussian Noise," IEEE Access, vol. 6, pp. 33129 - 33136, 2018.
  • [19] A. Kaba, "New approaches to improve estimator performance for quadrotors," Ph.D. Dissertation, Eskişehir Technical University, Eskişehir, Turkey, 2019.
  • [20] E. A. Wan and R. v. d. Merwe, "The Unscented Kalman Filter," in Kalman Filtering and Neural Networks, John Wiley & Sons, 2002.
  • [21] E. A. Wan and R. V. D. Merwe, "The unscented Kalman filter for nonlinear estimation," Proceedings of the IEEE 2000 Adaptive Systems for Signal Processing, Communications, and Control Symposium, Lake Louise, Alberta, Canada, October 4- 4, 2000.
  • [22] X. Yuan, S. Yu, S. Zhang, G. Wang and S. Liu, "Quaternion-based unscented Kalman Filter for accurate indoor heading estimation using wearable multi-sensor system," Sensors, vol. 15, pp. 10872- 10890, 2015.
Havacılık ve Uzay Teknolojileri Dergisi-Cover
  • ISSN: 1304-0448
  • Yayın Aralığı: Yılda 2 Sayı
  • Başlangıç: 2003
  • Yayıncı: Dr. Öğr. Üyesi Fatma Kutlu Gündoğdu
Sayıdaki Diğer Makaleler

Açık Hava Koşulları Altında Güneş Tutulması Etkileri: 11 Ağustos 1999, Türkiye İncelemesi

Emine Ceren KALAFATOĞLU EYİGÜLER, Zerefşan KAYMAZ

Havacılık Endüstrisinde Yakıt Taşımacılığının Makine Öğrenmesi Algoritmaları ile Tahmini

Elif KARTAL, Zeki ÖZEN, Sevinç GÜLSEÇEN, İlker Güven YILMAZ

Tekerlek Kümesindeki Arıza Durumunda Uzay Aracı Yönelim Kontrol Sisteminin Sürdürülebilirlik Kabiliyetinin Sağlanması

Sergey SOMOV, Tatyana SOMOVA

Denge Konumundan Uzak Akışlar İçin Açık Kaynak Kodlu Hipersonik Bir Çözücü

Davut VATANSEVER, Bayram ÇELİK

Gerçek Zamanlı Derin Öğrenme Yaklaşımı ile Şüpheli Geçişlerin Otomatik Tespiti

Ömer ÇETİN, Melek TURSUN

Tabakalı Kompozit Malzemelerin Gerilme Analizleri için Peridinamik ve Timoşenko Kiriş Teorisinin Birleştirilmesi

Mehmet DÖRDÜNCÜ

GSM Frekans Bantlarının Kalkanlama Uygulamaları için Çift Bantlı Frekans Seçici Yüzey Tasarımı

Bora DÖKEN, İhsan Güney KOÇ, Ali Berkay KOÇ, Mikail ALTAN

Bir Naca Kanat Profilinin Etrafındaki Akış Alanının OpenFoam ve Fluent CFD Yazılımları ile Araştırılması

Yusuf IŞIKER, Zeynel Abidin FIRATOĞLU, Yusuf İLHAN, Hakkı KESKİN

Bir dönerkanadın UKF tabanlı durum kestirimi

Aziz KABA

Uçak Kabin Ünitelerinin Yapısal Elemanlarında Kullanılan Bal Peteği Kompozit Panellerinin Birleştirme Yöntemlerinin İncelenmesi

Şeyma KORKMAZ, M. Hüseyin ÇETİN, Aslan Kahraman ERHAL, Sena KABAVE KILINÇARSLAN