Development of the numerical differentiation method for approximating pitch acceleration using sensor fusion approach


如何引用文章

全文:

详细

In this paper, a novel algorithm is proposed to accurately estimate pitch acceleration that is crucial for moment coefficient estimation of the mathematical model of aircraft and control design in the presence of measurement noise. The angular velocity of the body as well as the Euler angles provided by the navigation system are used to interpolate the attitude trajectories using an algorithm based on the Hermite-spline polynomial. By differentiating the resultant trajectory function, the angular acceleration can be estimated accurately. This paper also analyzes a well-known method-Poplavski method based on polynomial regression, developed by the Russian scientist B.K. Poplavski to estimate derivatives. The simulation results obtained from the novel algorithm are compared with those obtained using the Poplavski method. The results verified that the novel algorithm that uses both pitch angle and angular velocity provides better accuracy in estimating pitch acceleration than the Poplavski method does, regardless of the sampling rate, which is very important in numerical differentiation and the noise level.

作者简介

O. Korsun

State Scientific Research Institute of Aviation;
Moscow Aviation Institute (National Research University)

编辑信件的主要联系方式.
Email: marmotto@rambler.ru

Doctor of Science (Engineering), Professor, Head of the Scientific and Educational Center

俄罗斯联邦

S. Goro

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: gorosekoi@gmail.com

Postgraduate Student

俄罗斯联邦

M. Om

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: mounghtangom50@gmal.com

Candidate of Science (Engineering), Ph.D., Post-doctoral candidate

俄罗斯联邦

参考

  1. Ahmad M., Hussain Z.L., Shah S.I.A., Shams T.A. Estimation of stability parameters for wide body aircraft using computational techniques. Applied Sciences. 2021. V. 11, Iss. 5. doi: 10.3390/app11052087
  2. Mehra R.K., Stepner D.E., Tyler J.S. Maximum likelihood identification of aircraft stability and control derivatives. Journal of Aircraft. 1974. V. 11, Iss. 2. P. 81-89. doi: 10.2514/3.60327
  3. Sharifi M.A., Seif M.R., Hadi M.A. A comparison between numerical differentiation and Kalman filtering for a Leo satellite velocity determination. Artificial Satellites. 2013. V. 48, Iss. 3. P. 103-110. doi: 10.2478/arsa-2013-0009
  4. Vasil'chenko K.K., Leonov V.A., Pashkovskiy I.M., Poplavskiy B.K. Letnye ispytaniya samoletov [Aircraft flight tests]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1996. 719 p.
  5. Cheng J., Jia X.Z., Wang Y.B. Numerical differentiation and its applications. Inverse Problems in Science and Engineering. 2007. V. 15, Iss. 4. P. 339-357. doi: 10.1080/17415970600839093
  6. Othmane A., Kiltz L., Rudolph J. Survey on algebraic numerical differentiation: historical developments, parametrization, examples, and applications. International Journal of Systems Science. 2022. V. 53, Iss. 9. P. 1848-1887. doi: 10.1080/00207721.2022.2025948
  7. Korsun O.N., Goro S., Om M.H. A comparison between filtering approach and spline approximation method in smoothing flight data. Aerospace Systems. 2023. V. 6. P. 473-480. doi: 10.1007/s42401-023-00201-0
  8. Schum D.J. Noise reduction via signal processing. The Hearing Journal. 2003 V. 56, Iss. 5. P. 27-32. doi: 10.1097/01.HJ.0000293885.26777.b5
  9. Korsun O.N., Stulovsky A.V. Recovery of aircraft motion parameters using the optimal control algorithms. Journal of Computer and Systems Sciences International. 2023. V. 62, Iss. 1. P. 61-72. doi: 10.1134/S1064230723010057
  10. Zav'yalov Yu.S., Kvasov B.I., Miroshnichenko V.L. Metody splayn-funktsiy [Methods of spline-functions]. Moscow: Nauka Publ., 1980. 352 p.
  11. Unser M. Splines: a perfect fit for signal and image processing. IEEE Signal Processing Magazine. 1999. V. 16, Iss. 6. P. 22-38. doi: 10.1109/79.799930
  12. Chan V., Tsui K.-W., Wei Y., Zhang Zh., Deng X. Efficient estimation of smoothing spline with exact shape constraints. Statistical Theory and Related Fields. 2021. V. 5, Iss. 1. P. 55-69. doi: 10.1080/24754269.2020.1722604
  13. Svoboda M., Matiu-Iovan L., Frigura-Iliasa F.M., Andea P. B-spline interpolation technique for digital signal processing. International Conference on Information and Digital Technologies (July, 07-09, 2015, Zilina, Slovakia). 2015. P. 366-371. doi: 10.1109/DT.2015.7222998
  14. Hou H., Andrews H. Cubic splines for image interpolation and digital filtering. IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing. 1978. V. 26, Iss. 6. P. 508-517. doi: 10.1109/TASSP.1978.1163154
  15. Gutorov A.S., Kukin A.E. Algorithm of target trajectory data estimation using a smoothing spline. Vestnik Nauki i Obrazovaniya. 2018. V. 1, no. 7 (43). P. 11-14. (In Russ.)
  16. Mirzaev A., Khalilov S. Digital signal processing based on spline functions. International Conference on Information Science and Communications Technologies (November, 04-06, 2019, Tashkent, Uzbekistan). 2019. doi: 10.1109/ICISCT47635.2019.9012038
  17. Ezhov N., Neitzel F., Petrovic S. Spline approximation, Part 2: From polynomials in the monomial basis to B-splines—A derivation. Mathematics. 2021. V. 9, Iss. 18. doi: 10.3390/math9182198
  18. Mier Muth A.M., Willsky A.S. A sequential method for spline approximation with variable knots. International Journal of Systems Science. 1978. V. 9, Iss. 9. P. 1055-1067. doi: 10.1080/00207727808941759
  19. Elschner J. On spline approximation for singular integral equations on an interval. Mathematische Nachrichten. 1988. V. 139, Iss. 1. P. 309-319. doi: 10.1002/mana.19881390128
  20. Dinamika poleta [Flight dynamics / ed. by G.S. Byushgens]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2011. 775 p.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

版权所有 © VESTNIK of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering, 2024

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名-相同方式共享 4.0国际许可协议的许可

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».