Simulink を使用した IMU センサーフュージョン

この例では次を使用します。

Simulink Simulink

この例では、Simulink® を使用して IMU センサーデータを生成および融合する方法を説明します。加速度計、ジャイロスコープ、および磁力計の動作を正確にモデル化し、それらの出力を融合して向きを計算できます。

慣性計測ユニット

慣性計測ユニット (IMU) は、加速度を測定する加速度計と角速度を測定するジャイロスコープで構成されるセンサーのグループです。地球の磁場を測定する磁力計も含まれていることがよくあります。これら 3 つの各センサーで 3 軸の測定値が生成され、これら 3 つの測定値は 9 軸の測定値を構成します。

姿勢方位基準装置

姿勢方位基準装置 (AHRS) は、9 軸のセンサー読み取り値を受け取り、デバイスの向きを計算します。この向きは NED 座標系を基準に与えられます。ここで、N は磁北方向です。Simulink の AHRS ブロックは、間接的なカルマンフィルター構造を使用してこれを行います。

Simulink システム

IMU センサーデータを融合する Simulink モデルを開きます。

open_system('IMUFusionSimulinkModel');

入力とコンフィギュレーション

IMU ブロックへの入力は、デバイスの線形加速度、角速度、およびナビゲーション座標系を基準とした向きです。向きの形式は、四元数 (Simulink では 4 行 1 列のベクトル) またはナビゲーション座標系の数量をボディ座標系に対して回転する回転行列 (Simulink では 3 行 3 列の行列) です。このモデルでは、向きの入力を作成するために角速度が単に積分されています。角速度の単位は rad/s で、線形加速度の単位は m/s^2 です。AHRS の並進に関連する入力は 1 つのみであるため (加速度計の入力)、重力と線形加速度を区別できません。したがって、AHRS アルゴリズムでは、線形加速度は緩やかに変化するホワイトノイズ過程であると仮定されます。これは 9 軸のフュージョンアルゴリズムでは一般的な仮定です。

真北と磁北

IMU ブロックのダイアログボックスの磁場パラメーターはローカルの磁場値に設定できます。磁場値は NOAA の Web サイトで確認するか、Aerospace Toolbox の wrldmagm 関数を使用して確認できます。IMU ブロックのダイアログボックスの磁場値は、真北を向いている完全な磁力計の読み取り値に対応します。そのため、IMU ブロックへの向きの入力は NED 座標系を基準とします。ここで、N は真北方向です。ただし、AHRS フィルターは磁北に向かってナビゲートします。これはこのタイプのフィルターでは一般的です。したがって、IMU への向きの入力と AHRS の出力で推定される向きは、真北と磁北の間の偏角だけ異なります。

このシミュレーションは、緯度を $0^\circ$ 、経度を $0^\circ$ として設定されています。この位置の磁場は、IMU ブロックでは [27.5550, -2.4169, -16.0849] マイクロテスラとして設定されています。この位置の偏角は約 $4.7^\circ$ です。

シミュレーション

モデルのシミュレーションを実行します。IMU の入力の向きと AHRS の出力で推定される向きが四元数距離を使用して比較されます。これは、オイラー角の特異点を考慮すると、同等のオイラー角の差異計算と比較して推奨されます。

sim('IMUFusionSimulinkModel');

推定される向き

推定される向きと実際の向きの差はほぼ $4.7^\circ$ となります。これは、この緯度と経度における偏角です。

ジャイロスコープのバイアス

AHRS フィルターの 2 番目の出力は、バイアスを補正したジャイロスコープの読み取り値です。IMU ブロックでは、ジャイロスコープに 0.0545 rad/s または 3.125 deg/s のバイアスが与えられています。これは Gyroscope Bias Scope ブロックの定常状態値と一致する必要があります。

追加の演習

IMU のパラメーターを変化させると、AHRS の出力で向きが対応して変化することがわかります。実際の IMU データシートに合わせて IMU ブロックのパラメーターを設定し、要件を満たすように AHRS パラメーターを調整できます。

Simulink を使用した IMU センサー フュージョン