Pamukkale Univ Muh Bilim Derg. Ahead of Print: PAJES-38959 | DOI: 10.5505/pajes.2023.38959

A New fuzzy logic-based adaptive complementary filter algorithm for UAV attitude estimation

Ömer KARAL¹, Hasan Kazdal^2
1Department of Electrical and Electronics Engineering, Ankara Yildirim Beyazit University, Ankara, Türkiye
²TÜBÝTAK BÝLGEM, Kocaeli, Türkiye

Micro Electro-Mechanical System (MEMS) Based Inertial Measurement Units (IMU) are widely used for attitude estimation in unmanned aerial vehicle (UAV) systems owing to their small, light weight and cost effectiveness. On the other hand, it has some disadvantages that influence performance, such as noisy output, low sensitivity, poor accuracy, and bias stability. Also, MEMS-based IMU sensors (accelerometers and magnetometers and gyroscopes) cannot provide adequate navigation solutions as a standalone system. Different sensor fusion techniques have been proposed in the literature to obtain reliable attitude estimation. However, most of these fail in situations such as nonlinear measurement models, nonlinear process dynamics, and long-range navigation. This article presents a new fuzzy rule-based complementary filter (CF) that combines magnetic field, angular velocity and acceleration measurements from low-cost MEMS-based IMU sensors to achieve a more robust attitude prediction in a UAV under dynamic motion. The proposed approach adjusts the cut-off frequency of the CF to the optimum value according to the variable dynamic motion of the system. Thus, the problem of constant cut-off frequency is eliminated and a more robust attitude prediction is achieved even with the varying movements of the system. Both real experiments and numerical simulations confirm the validity of the presented method.

Keywords: Attitude estimation, Inertial measurement unit, Fuzzy Logic, Complementary filter, Real time experiments

---

ÝHA tutum tahmini için yeni bir bulanýk mantýk tabanlý uyarlanabilir tamamlayýcý filtre algoritmasý

Ömer KARAL¹, Hasan Kazdal^2
1Ankara Yýldýrým Beyazýt Üniversitesi, Elektrik Elektronik Mühendisliði Bölümü, Ankara, Türkiye
²TÜBÝTAK BÝLGEM, Kocaeli, Türkiye

Mikro Elektro-Mekanik Sistem (MEMS) Tabanlý Atalet Ölçüm Birimleri (IMU), küçük, hafif ve maliyet etkinliði nedeniyle insansýz hava aracý (ÝHA) sistemlerinde tutum tahmini için yaygýn olarak kullanýlmaktadýr. Öte yandan, gürültülü çýkýþ, düþük hassasiyet, zayýf doðruluk ve önyargý kararlýlýðý gibi performansý etkileyen bazý dezavantajlarý vardýr. Ayrýca, MEMS tabanlý IMU sensörleri (ivmeölçerler ve manyetometreler ve jiroskoplar) baðýmsýz bir sistem olarak yeterli navigasyon çözümleri saðlayamaz. Güvenilir tutum tahmini elde etmek için literatürde farklý sensör füzyon teknikleri önerilmiþtir. Ancak bunlarýn çoðu, doðrusal olmayan ölçüm modelleri, doðrusal olmayan süreç dinamikleri ve uzun menzilli gezinme gibi durumlarda baþarýsýz olur. Bu çalýþma, dinamik hareket altýndaki bir ÝHA'da daha gürbüz bir tutum tahmini baþarmak için düþük maliyetli MEMS tabanlý IMU sensörlerinden alýnan manyetik alan, açýsal hýz ve ivme ölçümlerini birleþtiren yeni bir bulanýk kural tabanlý tamamlayýcý filtre sunmaktadýr. Önerilen yaklaþým, sistemin deðiþken dinamik hareketine göre tamamlayýcý filtrenin kesme frekansýný optimum deðere ayarlar. Böylece sabit kesme frekansý sorunu ortadan kaldýrýlýr ve sistemin deðiþen hareketlerinde bile daha saðlam bir tutum tahmini elde edilir. Hem gerçek deneyler hem de sayýsal simülasyonlar, sunulan yöntemin geçerliliðini doðrulamaktadýr.

Anahtar Kelimeler: Tutum tahmini Atalet ölçüm birimi, Bulanýk Mantýk,, Tamamlayýcý filtre, Gerçek zamanlý deneyler.

---