‫גוריון בנגב‬-‫אוניברסיטת בן‬ Ben-Gurion University of the Negev ‫הפקולטה למדעי ההנדסה‬ ‫המחלקה להנדסת חשמל ומחשבים‬ Faculty of Engineering Science Dept. of Electrical and Computer Engineering '‫נוהל פרויקט הנדסי שנה ד‬ Fourth Year Engineering Project Procedure PDR -‫ ו‬GPS ‫שיערוך מיקום וזווית של גוף קשיח ע"י‬ EKF ‫ בעזרת‬IMU Estimation of attitude and position of a QUADROTOR/UAV by IMU and an array of GPS, using EKF P-2012-117 : ‫מספר הפרויקט‬ :‫סטודנטים‬ Nadav Asraf Eliav Elul 39616172 039623418 Prof. Guterman Hugo Zohar Ilan :‫מנחים‬ :‫תאריך הגשה‬ ‫ תקציר‬.1 ,‫לאחרונה גובר בעולם השימוש בכלי טיס אוטונומיים לשימוש צבאי )מודיעין( ואזרחי )זיהוי שריפות‬ ‫ כלי הטייס עליו מושתת‬.‫ יתרון כלי טיס שכזה הוא הגודל הקטן וחסכון בטייס אנושי‬.(‫מעקב באזורי סיכון‬ ‫ ז"א כלי טייס בלתי מאוייש בעל ארבעה‬,MICRODRONES ‫ של חברת‬quadrotor ‫הפרויקט הוא‬ ,‫ שליטה נוחה ופשוטה יותר בתנועת כלי הטייס‬,‫ המראה ונחיתה אנכית‬:‫ היתרונות של כלי כזה הם‬.‫מנועים‬ ‫ יכולת ריחוף )שהייה ממושכת בנקודה‬,‫תחזוקה זולה ופשוטה יותר מבמסוק רגיל בעל רוטור מתכוונן‬ .‫אחת( וקוטר כללי קטן יותר מקוטר של רוטור מסוק‬ ,‫ ע"י שימוש בשלושה ג'יירוסקופים‬quadrotor ‫בפרויקט זה נתמקד בשיערוך המיקום והזווית של‬ ‫ המטרה העיקרית היא מציאת משערך‬.‫ מגנוטמטר וברומטר‬, GPS ‫ שלושה מכשירי‬,‫אקסלרומטר‬ EKF ‫ השיערוך יתבסס על מספר מסננים ומשערכים ובניהם‬.‫אידיאלי לשיערוך מצבו של כלי הטיס‬ .‫המאפשר שערוך לא לינארי של מערכת גוף קשיח‬ ‫ כאשר בפרויקט הראשון הוחלט להשתמש בשיטת ייצוג של "זוויות‬,‫פרויקט זה הוא פרויקט המשך‬ ‫ נבחרו אלגוריתמים בסיסיים לשיערוך )מסנן משלים בעל‬,‫אוילר" לייצוג המצב הזוויתי של כלי הטייס‬ .(‫מקדמים קבועים ומשתניים‬ 1. Abstract Recently the use of autonomous aircraft for military (intelligence) and civilian use (fire detection, tracking risk areas) is increased. The advantage of such aircraft is its small size and the saving of human pilots. The Aircraft, on which the project is based, is quadrotor, own by MICRODRONES Company, i.e. non-stuffed aircraft with four engines. Benefits of such an aircraft are: takeoff and landing vertically, convenient control and easy movement of aircraft, cheaper maintenance, hover capability (extended stay in one spot), and general diameter which is smaller than the diameter of a rotor helicopter. This project will focus on the estimation of the position and angle of the quadrotor by using three gyroscopes, an accelerometer, three GPS devices, magnometer and barometer. The main goal is to find an ideal estimator to evaluate the aircraft condition. The estimation will be based on several filters and estimators and among them an EKF, which will allow non-linear estimation of rigid body system. The project is a continuation project, when on the first project it was decided to use the method of representation of the "Euler angles" to represent the angular condition of the aircraft . On that project basic algorithms revaluation (complementary filter with constant and variables coefficients). ‫‪ .2‬דף מפרט‬ ‫שם הפרויקט‪:‬‬ ‫‪Estimation of attitude and position of a QUADROTOR/UAV by IMU and an array of‬‬ ‫‪GPS, using EKF.‬‬ ‫שערוך מיקום וזווית של ‪ QUADROTOR /UAV‬ע"י ‪ IMU‬ו‪ GPS‬באמצעות מסנן קלמן‬ ‫מורחב‪.‬‬ ‫‪ .2.1‬מהות התוצר‬ ‫מטרת הפרויקט היא שיערוך בצורה הטובה ביותר של מיקום‪ ,‬מהירות‪ ,‬זווית הגוף )נשתמש בזווית‬ ‫אוילר( ומהירות זוויתית של גוף קשיח במרחב‪.‬‬ ‫אנו נבצע זאת ע"י "היתוך" המידע המתקבל מ‪ IMU -‬ו‪ ,GPS -‬את השיערוך נבצע ע"י שימוש במסנן‬ ‫קלמן ו ‪.Complementary filter‬‬ ‫זווית אוילר‬ ‫מגדירות מעבר ממערכת קואורדינטות אחת למערכת קואורדינטות קרטזית אחרת על ידי ‪ 3‬סיבובים‬ ‫בסדר מסוים‪.‬‬ ‫אנו נשתמש בזווית אויילר ע"מ לעבור בין המערכת צירים הקבועה במרחב למערכת הצירים של הגוף‬ ‫קשיח‪ .‬שיטה זו עובדת על פי עקרון של סיבוב מערכת הצירים הקבועה סביב ציר מסוים‪ ,‬אח"כ סביב ציר‬ ‫אחר אך במיקומו החדש‪ ,‬ובסוף סביב ציר נוסף )ייתכן שאותו ציר סביבו המערכת נסובה בפעם‬ ‫הראשונה – רק במיקומו החדש(‪.‬‬ ‫‪ .2.2‬מאפייני מערכת‬ ‫המערכת מקבלת נתונים מ ‪ GPS‬ומכרטיס ‪: IMU‬‬ ‫‪(Inertial Measurement Unit ) IMU‬‬ ‫כרטיס המודד תאוצה ומהירות זוויתית של גוף קשיח בכל אחד משלושת הצירים באמצעות שילוב של‬ ‫מדי תאוצה וג'ירוסקופ‪.‬‬ ‫במערכת שלנו יש מד גובה המודד לחץ ברומטרי ושינוי בלחץ הברומטרי‪ .‬בנוסף יש מגנומטר המודד את‬ ‫עוצמת השדה המגנטי‪.‬‬ ‫‪(Global Positioning System)GPS‬‬ ‫מערכת המזהה מיקום ומהירות של גוף במרחב באמצעות חיתוך אות המגיע ממספר לוויינים‪.‬‬ ‫ה‪ GPS‬מודד את מיקום ומהירות הגוף במרחב‪.‬‬ ‫‪ .2.3‬נתוני הכרטיס‬ ‫חומרה‪:‬‬ ‫‪‬‬ ‫ערוצי כניסה אנלוגיים‪ 3 :‬חישני ג'ירוסקופ ‪ 3 +‬תאוצה ‪ +‬מד גובה ‪ +‬טמפ'‪.‬‬ ‫תדר דגימת המדידים ‪.10KHZ -‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪ : SPI‬מגנומטר קצב דגימה ‪.1KHZ‬‬ ‫‪‬‬ ‫כניסה טורית ‪ RS232‬ל ‪ GPS‬קצב של ‪5-10. HZ‬‬ ‫‪‬‬ ‫קצב המעבד‪.72MHZ -‬‬ ‫‪‬‬ ‫תדר העבודה של ה‪ Filters -‬הינו ‪.1KHZ‬‬ ‫תוכנה‪:‬‬ ‫‪‬‬ ‫סימולציות השערוך תתבצע תחילה באמצעות תוכנת ‪. MATLAB‬‬ ‫‪‬‬ ‫השערוך יתבצע ע"י קוד בשפת ‪ C‬המממש את האלגוריתם לשערוך המיקום והזווית‪.‬‬ ‫מתחי עבודה‪:‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪3.3V‬‬ ‫טווח טמפרטורה‪:‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪0 ºC to +50 ºC‬‬ ‫‪ .2.4‬טכנולוגיה‬ ‫הכרטיס מיושם בטכנולוגית ‪Micro-Electro-Mechanical Systems - MEMS‬‬ ‫זוהי טכנולוגיה של התקנים מכניים קטנים מאוד המיושמים אלקטרונית ‪,‬מכאנית ואופטית‪.‬‬ ‫טכנולוגיה זו מאפשרת מגוון רחב מאוד של יישומים מתקדמים וחדשניים‪.‬‬ :‫ בבליוגרפיה‬.3  Autonomous Navigation and Exploration of a Quadrotor Helicopter in GPSdenied Indoor Environments Markus Achtelik , Abraham Bachrach , Ruijie He , Samuel Prentice and Nicholas Roy Technische Universit¨at M¨unchen, Germany Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA  A high integrity IMU/GPS navigation loop for autonomous land vehicle applicationsSukkarieh, S.; Nebot, E.M.; Durrant-Whyte, H.F.; Sydney Univ., NSW  Navigation with IMU/GPS/digital compass with unscented Kalman filterP. Zhang; J. Gu; E.E. Milios; P. Huynh; Fac. of Comput. Sci., Dalhousie Univ., Halifax, NS, Canada  Improvement of MEMS-IMU/GPS performance using fuzzy modelingW. Abdel-Hamid, T. Abdelazim, N. El-Sheimy and G. Lachapelle  Kalman, R. E. 1960. “A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems,” Transaction of the ASME—Journal of Basic Engineering, pp. 3545 (March 1960)  An Introduction to the Kalman FilterBy Greg Welch and Gary BishopDepartment of Computer Science University of North Carolina at Chapel Hill  Real-time integration of a tactical-grade IMU and GPS for high-accuracy positioning and navigation Petovello, Mark G. ProQuest Dissertations And Theses; Thesis (Ph.D.)--University of Calgary (Canada), 2003.;