Bộ lọc Dual-Stage Quaternion Estimator: Một phương pháp ước lượng định hướng và động học góc tiên tiến dựa trên tổng hợp dữ liệu IMU

Tóm tắt

Trong các ứng dụng định hướng và điều khiển hiện đại như robot, phương tiện không người lái, hoặc hệ thống ổn định pan-tilt, việc ước lượng chính xác các góc định hướng, vận tốc góc và gia tốc góc từ dữ liệu cảm biến quán tính (IMU) là một thách thức lớn do nhiễu, sai lệch con quay hồi chuyển và tính phi tuyến của hệ thống. Các giải pháp xây dựng các bộ lọc EKF đã thể hiện được nhiều ưu điểm khi cải thiện đáng kể chất lượng “lọc”, tuy nhiên, hầu hết chỉ tập trung vào các góc định hướng và vận tốc góc, bỏ qua gia tốc góc – một đại lượng quan trọng trong các điều kiện chuyển động phức tạp. Bài báo này đề xuất một bộ lọc cải tiến "Dual-Stage Quaternion Estimator" (DSQE), sử dụng cấu trúc hai giai đoạn với giai đoạn 1 áp dụng Unscented Kalman Filter (UKF) dựa trên quaternion và giai đoạn 2 sử dụng bộ lọc Kalman tuyến tính để ước lượng động học góc, bao gồm cả độ giật góc. Phương pháp này cải thiện độ chính xác trong ước lượng định hướng nhờ khai triển Taylor bậc hai và khả năng xử lý phi tuyến của UKF, đồng thời cung cấp các góc định hướng chính xác trong các điều kiện chuyển động phức tạp. Kết quả mô phỏng cho thấy DSQE với UKF vượt trội so với các phương pháp truyền thống, đặc biệt trong các kịch bản rung lắc mạnh hoặc gia tốc lớn.