慣性計測と気圧計を用いた姿勢推定

高加速飛行やGNSS信号が利用できない状況において、自律走行車両の正確でロバストな姿勢推定は重要な課題です。慣性計測ユニット（IMU）だけでは重力加速度と慣性加速度の区別が曖昧なため、傾斜角の信頼性の高い推定には不十分です。GNSS、ピトー管、ドップラーレーダー、ビジュアル慣性オドメトリなどの補助速度センサーが一般的に使用されますが、それらは利用不可、断続的、または高コストである可能性があります。本論文では、気圧高度計測を活用して車両の垂直運動に関する補完情報を提供し、SO(3)上の非線形観測器内での姿勢推定を強化する気圧計支援型姿勢推定アーキテクチャを紹介します。

貢献は2つあります。第一に、一様可観測性条件下でほぼ大域漸近安定性を保証し、姿勢ダイナミクスの幾何学的構造を維持する、相補フィルタとカスケード接続された決定論的リッカチ観測器を設計します。第二に、IMU計測を入力、気圧計と磁力計計測を出力として統合し、緩和された一様可観測性条件下で局所指数安定性を保証する、SO(3)×R2上で動作する非線形観測器を提案します。提案手法はシミュレーションおよび実飛行データを用いて検証されました。結果は、気圧計支援推定が最小センシング構成において軽量で信頼性が高く、効果的な補完センシングモダリティを提供し、従来の速度計測が利用できない場合や劣化した場合の実用的な代替手段となることを示しています。この手法は、ドローンや自動運転車などの自律システムが複雑な環境で確実に動作するために重要な意義を持ちます。また、高価なセンサーへの依存を減らし、より堅牢なナビゲーションを実現する可能性を秘めています。