This paper tackles the problem of estimating the relative position, orientation, and velocity between a UAV and a planar platform undergoing arbitrary 3D motion during approach and landing. The estimation relies on measurements from Inertial Measurement Units (IMUs) mounted on both systems, assuming there is a suitable communication channel to exchange data, together with visual information provided by an onboard monocular camera, from which the bearing (line-of-sight direction) to the platform's center and the normal vector of its planar surface are extracted. We propose a cascade observer with a complementary filter on SO(3) to reconstruct the relative attitude, followed by a linear Riccati observer for relative position and velocity estimation. Convergence of both observers is established under persistently exciting conditions, and the cascade is shown to be almost globally asymptotically and locally exponentially stable. We further extend the design to the case where the platform's rotation is restricted to its normal axis and show that its measured linear acceleration can be exploited to recover the remaining unobservable rotation angle. A sufficient condition to ensure local exponential convergence in this setting is provided. The performance of the proposed observers is validated through extensive simulations.


翻译:本文研究在接近与着陆过程中,估计无人机与经历任意三维运动的平面平台之间的相对位置、姿态及速度的问题。该估计依赖于安装在两个系统上的惯性测量单元(IMUs)的测量值(假设存在合适的数据交换通信信道),以及由机载单目相机提供的视觉信息——从中可提取出指向平台中心的视线方向及其平面表面的法向量。我们提出了一种级联观测器,其中包含一个在SO(3)上的互补滤波器以重建相对姿态,随后采用一个线性Riccati观测器进行相对位置和速度估计。在持续激励条件下,两个观测器的收敛性得以确立,并且该级联系统被证明是几乎全局渐近稳定和局部指数稳定的。我们进一步将设计扩展到平台旋转仅限于其法轴的情况,并表明可以利用其测量的线加速度来恢复剩余不可观测的旋转角。为此,我们提供了一个确保局部指数收敛的充分条件。所提出观测器的性能通过大量仿真得到了验证。

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