Evaluation of Inertial Measurement Sensors for Attitude Estimation of Agricultural Unmanned Helicopter

농용 무인 헬리콥터의 자세추정을 위한 관성센서의 성능 평가

The precision aerial application of agricultural unmanned helicopters has become a new paradigm for small farms with orchards, paddy, and upland fields. The needs of agricultural applications require easy and affordable control systems. Recent developments of MEMS technology based on inertial sensors and high speed DSP have enabled the fabrication of low-cost attitude system. Therefore, this study evaluates inertial MEMS sensors for estimating the attitude of an agricultural unmanned helicopter. The accuracies and errors of gyro and acceleration sensors were verified using a pendulum system. The true motion values were calculated using a theoretical estimation and absolute encoder measurement of the pendulum, and then the sensor output was compared with reference values. When comparing the sensor measurements and true values, the errors were determined to be 4.32~5.72%, 3.53~6.74%, and 3.91~4.16% for the gyro rate and x-, z- accelerations, respectively. Thus, the measurement results confirmed that the inertial sensors are effective for establishing an attitude and heading reference system (AHRES). The sensors would be constructed in gimbals for the estimating and proving attitude measurements in the following paper.

본 논문에서는 저가, 저전력 및 소형의 IMU를 구성하기 위한 MEMS 관성 센서를 이용하여 자세 정보를 제공받는 ARHES에 위의 센서를 사용하기 위해 자이로 센서 및 가속도센서의 데이터 출력 특성을 검증하여 오차 및 정확도를 분석하였다. 센서 실험을 위하여 진자 실험 장치를 제작하였고, 진자 운동에 대한 센서 데이터를 수집하였다. 이론적인 수식을 유추하여 센서 데이터의 정확성 분석을 위한 기준 값으로 설정하였다. 센서값과 이론값을 비교하면 각속도에서 4.32~5.72%, 가속도에서 x-, z-축 방향에 대하여 각각 3.53~6.74% 및 3.91~4.16%의 오차율을 나타냈다. 진자실험 장치를 이용한 센서 검증에서 무인헬리콥터에 사용될 센서로서 적합한 것으로 평가되었으며 이는 짐벌장치 등을 이용한 자세추정 알고리즘을 구성하는데 기초가 되었다. 또한, 더욱 정밀한 실험을 위해서는 온도 등 주변 환경 요인에 대한 보정이 요구된다.