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Robust Attitude Estimation Using IMU-Only Measurements

惯性测量装置 稳健性(进化) 协方差 卡尔曼滤波器 计算机科学 控制理论(社会学) 算法 协方差矩阵 数学 人工智能 统计 生物化学 基因 化学 控制(管理)
作者
Batu Candan,Halil Ersin Söken
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70: 1-9 被引量:27
标识
DOI:10.1109/tim.2021.3104042
摘要

This article proposes two novel covariance-tuning methods to form a robust Kalman filter (RKF) algorithm for attitude (i.e., roll and pitch) estimation using the measurements of only an inertial measurement unit (IMU). KF-based and complementary filtering (CF)-based approaches are the two common methods for solving the attitude estimation problem. Efficiency and optimality of the KF-based attitude filters are correlated with appropriate tuning of the covariance matrices. Manual tuning process is a difficult and time-consuming task. Specifically, the IMU-only attitude estimation filters are prone to the external accelerations unless their covariances are adapted to gain robustness. The proposed algorithms provide an adaptive method for tuning the measurement noise covariance such that they can accurately estimate the attitude in the two axes. The first method relies on a single tuning factor, whereas the second one tunes the covariance with different (multiple) factors for each measurement axis. The proposed methodologies are tested and compared with other existing filtering algorithms in the literature under different dynamical conditions and using real-world experimental datasets in order to validate their effectiveness. Results show that highly dynamic scenarios, especially the multiple tuning factor strategy, can increase the attitude estimation accuracy more than two-times compared to the competitive algorithms.
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