Fusion of Data from Quadcopter’s Inertial Measurement Unit Using Complementary Filter

A quadcopter is a helicopter with four rotors, which is mechanically simple device, but requires complex electrical control for each motor. Control system needs accurate information about quadcopter’s attitude in order to achieve stable flight. The goal of this bachelor’s thesis was to research how this information could be obtained. Literature review revealed that most of the quadcopters, whose source-code is available, use a complementary filter or some derivative of it to fuse data from a gyroscope, an accelerometer and often also a magnetometer. These sensors combined are called an Inertial Measurement Unit. This thesis focuses on calculating angles from each sensor’s data and fusing these with a complementary filter. On the basis of literature review and measurements using a quadcopter, the proposed filter provides sufficiently accurate attitude data for flight control system. However, a simple complementary filter has one significant drawback – it works reliably only when the quadcopter is hovering or moving at a constant speed. The reason is that an accelerometer can’t be used to measure angles accurately if linear acceleration is present. This problem can be fixed using some derivative of a complementary filter like an adaptive complementary filter or a Kalman filter, which are not covered in this thesis.

Nelikopteri on neliroottorinen helikopteri, joka on mekaanisesti yksinkertainen laite, mutta vaatii monimutkaisen sähköisen säädön jokaiselle moottorille. Stabiilin lennon aikaansaamiseksi säätöjärjestelmä tarvitsee tarkan tiedon nelikopterin asennosta. Tämän kandidaatintyön tavoite oli tutkia kuinka tämä tieto voidaan tuottaa. Kirjallisuustutkimuksen perusteella selvisi, että suurin osa nelikoptereista, joiden lähdekoodi on saatavilla, käyttää komplementtisuodinta tai jotain siitä johdettua suodinta yhdistämään gyroskoopin, kiihtyvyysanturin ja magnetometrin tuottamat datat. Näiden sensorien yhdistelmää kutsutaan inertiaaliseksi mittausyksiköksi. Tämä tutkielma keskittyy kulmien laskemiseen yksittäisten anturien datasta ja näiden kulmien yhdistämiseen komplementtisuotimella. Kirjallisuustutkimuksen ja nelikopterilla tehtyjen mittausten perusteella ehdotettu suodin vaikuttaa tuottavan riittävän tarkkaa tietoa nelikopterin asennosta säätöjärjestelmälle. Yksinkertaisessa komplementtisuotimessa on kuitenkin yksi merkittävä heikkous – se toimii luotettavasti vain silloin kun nelikopteri leijuu paikallaan tai liikkuu tasaisella nopeudella. Tämä johtuu siitä, että kiihtyvyysanturin avulla ei pystytä mittaamaan kulmia tarkasti, jos siihen kohdistuu lineaarista kiihtyvyyttä. Ongelma voidaan korjata käyttämällä jotain komplementtisuotimesta johdettua suodinta, kuten mukautuvaa komplementtisuodinta tai Kalman-suodinta, joita ei ole käsitelty tässä tutkielmassa.