Hardware-in-the-Loop for Characterization of Embedded State Estimation for Flying Microrobots

要約

自律型羽ばたき翼超小型航空機 (FWMAV) には、環境監視、人工受粉、捜索救助活動など、さまざまな用途が期待できます。
これらのアプリケーションを実現するための課題の 1 つは、FWMAV のサイズが小さくペイロード容量が限られているため、オンボード センサー スイートの実装です。
正確な状態推定のための現在の解決策は、オフボードのモーション キャプチャ カメラを使用することであり、これにより車両の操作が特別な飛行場に制限されます。
さらに、FWMAV の小さなペイロード容量と高度に非線形な振動ダイナミクスにより、限られた計算能力とセンサー ノイズにより、オンボード センサーを使用した状態推定が困難になります。
この論文では、100 mg FWMAV である Harvard RoboBee の飛行軌道を再現する新しいハードウェアインザループ (HWIL) テスト パイプラインを開発します。
このテスト パイプラインを適用して、無料の拡張カルマン フィルターを実装して特性評価することで、堅牢な高度および姿勢推定のためのセンサーの潜在的なスイートを評価します。
HWIL システムには機械的ノイズ発生器が含まれているため、軌道と振動の両方をエミュレートして評価できます。
当社のオンボードセンシングパッケージは、超小型航空機の完全自律制御を可能にするという将来の目標に向けて機能します。

要約(オリジナル)

Autonomous flapping-wing micro-aerial vehicles (FWMAV) have a host of potential applications such as environmental monitoring, artificial pollination, and search and rescue operations. One of the challenges for achieving these applications is the implementation of an onboard sensor suite due to the small size and limited payload capacity of FWMAVs. The current solution for accurate state estimation is the use of offboard motion capture cameras, thus restricting vehicle operation to a special flight arena. In addition, the small payload capacity and highly non-linear oscillating dynamics of FWMAVs makes state estimation using onboard sensors challenging due to limited compute power and sensor noise. In this paper, we develop a novel hardware-in-the-loop (HWIL) testing pipeline that recreates flight trajectories of the Harvard RoboBee, a 100mg FWMAV. We apply this testing pipeline to evaluate a potential suite of sensors for robust altitude and attitude estimation by implementing and characterizing a Complimentary Extended Kalman Filter. The HWIL system includes a mechanical noise generator, such that both trajectories and oscillatinos can be emulated and evaluated. Our onboard sensing package works towards the future goal of enabling fully autonomous control for micro-aerial vehicles.

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