Estratégias de estabilização do canal vertical em sistemas de navegação inercial via integração barométrica

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Vieira, Leonardo Alves
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFLA
Texto Completo: http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/48382
Resumo: Inertial Navigation Systems (INS) are navigation systems composed of accelerometers and rategyros. From these sensors’ measurements, the knowledge of initial conditions, one is able to obtain values of position, velocity, and attitude. After its initialization, an INS has the advantage of being independent on external signals for its continuous operation, as well as having its navigation solution uniquely determined from inertial sensors data, and from a gravity model. However, in the long term, the INS vertical channel, that is, its altitude and vertical velocity, is unstable, accumulating large errors in a relatively short time period. To solve this problem, the integration of the INS with a barometer has been widely used, since the latter presents a non-drifty altitude solution in the long term. This work investigates the INS vertical channel instability issue, and presents different methods of integrating the barometer with the INS aiming at stabilizing this channel. As the main contribution of the work, comparisons are established between integration methods (referred to as mechanizations) traditionally used in the literature (mostly based on empirical tuning of control loops), and new integration strategies based on optimal control and minimization of performance indices, namely, the Linear Quadratic Regulator (LQR), and the Integral Absolute Error (IAE), Integral Squared Error (ISE), Integral of Time Multiplied Absolute Error (ITAE), and Integral of Time Multiplied Squared Error (ITSE) criteria. Simulated and experimental results are presented to highlight the performance of the investigated integration methods. As main conclusions, one verifies that the optimal control-tuned mechanizations presented more stable results, with smaller oscillations. In particular, the tuning obtained via minimization of ITAE criterion presented the best result, with the most stable solution and with the smallest values of Root Mean Square Errors (RMSE) in altitude and vertical velocity.
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However, in the long term, the INS vertical channel, that is, its altitude and vertical velocity, is unstable, accumulating large errors in a relatively short time period. To solve this problem, the integration of the INS with a barometer has been widely used, since the latter presents a non-drifty altitude solution in the long term. This work investigates the INS vertical channel instability issue, and presents different methods of integrating the barometer with the INS aiming at stabilizing this channel. As the main contribution of the work, comparisons are established between integration methods (referred to as mechanizations) traditionally used in the literature (mostly based on empirical tuning of control loops), and new integration strategies based on optimal control and minimization of performance indices, namely, the Linear Quadratic Regulator (LQR), and the Integral Absolute Error (IAE), Integral Squared Error (ISE), Integral of Time Multiplied Absolute Error (ITAE), and Integral of Time Multiplied Squared Error (ITSE) criteria. Simulated and experimental results are presented to highlight the performance of the investigated integration methods. As main conclusions, one verifies that the optimal control-tuned mechanizations presented more stable results, with smaller oscillations. In particular, the tuning obtained via minimization of ITAE criterion presented the best result, with the most stable solution and with the smallest values of Root Mean Square Errors (RMSE) in altitude and vertical velocity.Sistemas de Navegação Inercial (INS) são sistemas de navegação compostos por acelerômetros e girômetros. A partir de medições desses sensores, e do conhecimento de suas condições iniciais, é possível obter valores de posição, velocidade e atitude. Após sua inicialização, um INS não necessita de sinais externos para continuidade de sua operação, sendo a solução de navegação calculada unicamente a partir de dados obtidos dos sensores inerciais e de um modelo gravitacional. No entanto, no longo prazo, o canal vertical de um INS, isto é, onde se encontram sua altitude e velocidade vertical, se mostra instável, acumulando grandes erros em um intervalo de tempo relativamente curto. Para resolver esse problema, a integração do INS com um barômetro é bastante utilizada, pois este sensor fornece uma solução de altitude não divergente no longo prazo. Este trabalho investiga o problema da instabilidade do canal vertical em INS e apresenta diferentes métodos de integração do barômetro com o INS para a estabilização desse canal. Como principal contribuição do trabalho, comparações são estabelecidas entre métodos de integração (referidos como mecanizações), tradicionalmente empregados na literatura (em sua maioria baseados em sintonias empíricas de malhas de controle), e novas estratégias de integração baseadas em controle ótimo e na minimização de índices de desempenho a saber: o Regulador Quadrático Linear (LQR), e os critérios Integral do Erro Absoluto (IAE), Integral do Erro Quadrático (ISE), Integral do Erro Absoluto multiplicado pelo Tempo (ITAE), e Integral do Erro Quadrático multiplicado pelo Tempo (ITSE). Resultados simulados e experimentais são apresentados, evidenciando o desempenho dos métodos de integração investigados. Como principais conclusões, verifica-se que as mecanizações sintonizadas via técnicas de controle ótimo apresentaram resultados mais estáveis, com menores oscilações. Em particular, a sintonia obtida via minimização do critério ITAE apresentou o melhor resultado, com solução mais estável e com menores valores da Raiz dos Erros Médios Quadráticos (RMSE) em altitude e velocidade vertical.Universidade Federal de LavrasPrograma de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas e AutomaçãoUFLAbrasilDepartamento de EngenhariaSilva, Felipe Oliveira eSilva, Felipe Oliveira eLima, Danilo Alves deFerreira, Luís Henrique de CarvalhoVieira, Leonardo Alves2021-10-19T19:21:26Z2021-10-19T19:21:26Z2021-10-192021-08-20info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfVIEIRA, L. A. Estratégias de estabilização do canal vertical em sistemas de navegação inercial via integração barométrica. 2021. 119 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Sistemas e Automação) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2021.http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/48382porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFLAinstname:Universidade Federal de Lavras (UFLA)instacron:UFLA2023-05-02T12:40:08Zoai:localhost:1/48382Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufla.br/oai/requestnivaldo@ufla.br || repositorio.biblioteca@ufla.bropendoar:2023-05-02T12:40:08Repositório Institucional da UFLA - Universidade Federal de Lavras (UFLA)false
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