Design of a redundant, skewed MEMS sensor-based attitude and heading reference system

Since the dawn of aviation, the accurate estimation of attitude and heading has been a crucial challenge; to this end, several technologies have been exploited over the years. Recently, an increasing interest in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) created the need for low-cost, lightweight and low-power consumption Attitude and Heading Reference Systems (AHRS), based on MEMS sensors. This is enabled by the remarkable advancement achieved in the field of the aforementioned devices. The present thesis presents a viable approach to the design of a redundant AHRS, based on four 9-axis MEMS sensors placed on the faces of a tetrahedron. The choice of such configuration has two possible significant advantages: working with multiple skewed sensors (which implies a redundancy of measurements) and the potential capability to detect faults and isolate malfunctioning sensors. Attention is focused on the first benefit, while the latter is proposed for future developments. Finally, the feasibility is justified by the low cost of the four devices, which is consistent with the aim of the project. Two major achievements can be highlighted: the design of a simulation environment that generates consistent sensor measurements and the successful implementation of an Unscented Kalman Filter (UKF) which provides stable and accurate estimates of the attitude. The non-linear filter delivers satisfactory performance in all the different test conditions, as long as the limitations given by Euler angles are met. Moreover, on the basis of the sensor model that is developed, the configuration that integrates four sensors proves to be more accurate than the equivalent single-sensor solution. In conclusion, size reduction and the adoption of less noisy sensors have beneficial effects on the quality of estimates.

Sin dagli albori dell'aviazione, stimare l'assetto e la rotta di un velivolo in modo accurato ha costituito una sfida rilevante; a tal fine, sono state impiegate diverse tecnologie nel corso degli anni. Recentemente, un crescente interesse nei confronti dei velivoli a pilotaggio remoto ha creato la necessità di avvalersi di Attitude and Heading Reference Systems (AHRS), basati su sensori MEMS, leggeri, a basso costo e caratterizzati da un ridotto consumo energetico; tutto ciò è reso possibile grazie ai notevoli progressi compiuti nel campo di tali dispositivi. La presente tesi ha l'obiettivo di proporre un possibile approccio alla progettazione di un AHRS, dotato di quattro sensori MEMS a 9 assi posizionati sulle facce di un tetraedro. La scelta di tale configurazione presenta due vantaggi fondamentali: il fatto di poter lavorare con più sensori non allineati (il che garantisce una ridondanza di misure) e la potenziale capacità di identificare malfunzionamenti, con la conseguente possibilità di isolare i sensori interessati. Viene posta particolare attenzione al primo aspetto, mentre il secondo viene lasciato agli sviluppi futuri. Infine, la fattibilità è giustificata dal basso costo dei quattro dispositivi, in pieno accordo con le finalità del progetto. Sono stati raggiunti due traguardi significativi: la creazione di un ambiente simulativo in grado di generare misure coerenti dei sensori e l'implementazione (avvenuta con successo) di un Unscented Kalman Filter (UKF), che produce stime stabili e accurate dell'assetto. Il filtro non lineare fornisce delle prestazioni soddisfacenti in tutte le condizioni in cui è stato testato, a patto che vengano rispettate le limitazioni derivate dagli angoli di Eulero. Inoltre, basandosi sul modello dei sensori che è stato elaborato, la configurazione che integra i quattro sensori si rivela più accurata rispetto allo stesso filtro dotato di un singolo sensore. In conclusione, la riduzione delle dimensioni del sistema e l'adozione di sensori meno rumorosi apporta dei benefici sulla qualità delle stime.