Attitude-Independent magnetometer calibration including time-varying bias using a helmholtz coil powered by a howland current source

dc.contributor.advisorMelo, Leonimer Flávio de
dc.contributor.authorBatista, Daniel Strufaldi
dc.contributor.bancaGranziera Júnior, Francisco
dc.contributor.bancaTosin, Marcelo Carvalho
dc.contributor.bancaSilva, William Reis
dc.contributor.bancaSilva, Felipe Oliveira e
dc.coverage.extent238 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2024-10-31T18:08:42Z
dc.date.available2024-10-31T18:08:42Z
dc.date.issued2023-04-20
dc.description.abstractAs medidas de magnetômetros são uma fonte confiável de informações para diversos sistemas de controle e determinação de atitude. Por exemplo, nanossatélites, veículos aéreos não tripulados, aeronaves e muitos outros sistemas utilizam as leituras de sensores magnéticos. Além disso, o uso de sensores magnéticos de baixo custo aumentou exponencialmente, em missões espaciais e outras aplicações, como consequência do avanço de pequenas espaçonaves e aeronaves nas últimas décadas. Esses sistemas são geralmente construídos em torno de designs menores e de baixo custo e, consequentemente, essas aplicações geralmente dependem de informações fornecidas por sensores MEMS (sistemas microeletromecânicos) de baixo custo. Portanto, a calibração de sensores magnéticos de baixo custo é essencial para garantir a precisão, por exemplo, de sistemas de determinação de atitude que utilizam as informações do campo geomagnético terrestre. No entanto, o avanço das espaçonaves de menor tamanho também adiciona outro problema à calibração dos sensores devido aos sistemas eletrônicos e correntes elétricas presentes ao redor do sensor. Isso pode causar interferências variáveis no tempo nas medições dos sensores, como na forma de bias. Nesse sentido, esta tese aborda o problema de calibração de sensores magnéticos de baixo custo considerando interferências variáveis ao longo do tempo. Uma das contribuições desta tese é o estimador utilizado para encontrar os parâmetros de calibração, onde é proposta a aplicação direita de um estimador de mínimos quadrados não lineares para encontrar os parâmetros de calibração do modelo não linear de magnetômetros proposto no algoritmo Extended Two-Step. A tese também aborda a expansão deste algoritmo para incluir bias variáveis ao longo do tempo. Além disso, esta tese propõe uma metodologia para investigar experimentalmente a calibração dos sensores utilizando um simulador de campos magnéticos. Por conseguinte, outra contribuição desta tese é uma metodologia para usar uma bobina de Helmholtz de três eixos a fim de avaliar a calibração de magnetômetros suscetíveis a interferências variáveis ao longo do tempo. O simulador de campos magnéticos deve gerar estes campos em malha aberta (sem um controlador atuando na malha do campo magnético) para fornecer uma bancada de teste adequada para o problema. Portanto, a tese descreve o simulador, composto pela bobina de Helmholtz, um sistema de simulações Hardware-in-the-Loop (HiL) e uma Fonte de Corrente de Howland (HCS), e demonstra como calibrar este setup. O sistema calibrado é usado para gerar campos magnéticos em malha aberta para calibrar magnetômetros sujeitos a interferências variáveis no tempo. Outro tópico desta tese é a fonte de corrente empregada no simulador. Uma fonte de corrente elétrica precisa e estável é essencial para garantir a precisão do campo magnético gerado. Assim, outra contribuição da tese é a análise e os resultados da fonte HCS de alta potência usando amplificadores operacionais de alta potência. A HCS é uma fonte de corrente controlada por tensão linear tipicamente empregada em aplicações de baixa corrente, como as biomédicas, porém apesar do seu amplo uso nessas aplicações e correlatas, a literatura carece de sua análise de erro em condições de corrente mais alta. Dessa forma, este trabalho traz duas contribuições em relação à HCS. Primeiramente, discute como projetar de maneira casada o circuito da HCS de potência em conjunto com o simulador de campos magnéticos. Em segundo lugar, apresenta um estudo detalhado e a análise prática da HCS usando amplificadores de alta potência para aplicações em baixa frequência, com altos requisitos de linearidade e acurácia na corrente elétrica
dc.description.abstractother1Magnetometer measurements are a reliable source of information for many attitude determination and control systems. For example, nanosatellites, unmanned aerial vehicles, aircraft, and many applications use magnetic readings in their systems. Moreover, low-cost magnetic sensors have increased exponentially in space missions and other applications owing to the advance of smaller spacecraft and aircraft. Such systems are usually built around low-cost and smaller designs; consequently, these applications commonly depend on the information provided by low-cost MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) sensors. Therefore, low-cost magnetometer calibration is essential to ensure the accuracy of attitude determination systems that rely on Earth’s magnetic field measurements. However, the advance of small spacecraft also adds another concern to the sensor calibration due to electronic systems and electrical currents in a sensor’s surroundings, which may cause timevarying interference in its measurements, such as time-varying bias. In this direction, this thesis addresses the problem of low-cost magnetic sensor calibration with time-varying bias. One of the contributions of this thesis is the estimator used to find the calibration parameters, where we propose the straightforward application of a non-linear least squares algorithm to estimate the parameters of the non-linear magnetometer model introduced in the well-known Extended Two-Step calibration algorithm. Besides, we also address how to expand the algorithm to include time-varying bias. In addition to that, this thesis proposes a methodology to investigate the calibration experimentally using a magnetic field simulator. Consequently, another contribution of this thesis is a methodology to use a Helmholtz coil to assess the magnetometer calibration with timevarying bias interference. The magnetic field simulator must generate an open-loop magnetic field (without a controller acting in the magnetic field loop) to accomplish that and provide a test bench for the problem. Therefore, the thesis describes the simulator, composed of the Helmholtz coil, a Hardware-in-the-Loop (HiL) simulation, and a power Howland Current Source (HCS), and how to calibrate the setup. Then, we display how to generate the calibrated open-loop magnetic field, which has a sub-milligauss accuracy, and use it to assess magnetometer calibration with time-varying interference. At last, another topic of this thesis is the electrical current source of the magnetic field simulator, which must have an accurate and stable output to maximize the accuracy and precision of the generated magnetic field. Therefore, this thesis contributes to implementing a thorough theoretical and experimental analysis of the power HCS circuit using high-power operational amplifiers (OpAmps). The HCS is a linear voltage-controlled-current source typically employed in low-current applications such as biomedical ones, but the literature lacks its error analysis in higher current conditions. Therefore, the work has two contributions regarding the HCS. First, we demonstrate how to design and match the power HCS to the requirements and design of a magnetic field simulator. Second, we present a detailed study and practical analysis of the HCS using power OpAmps for direct current applications with requirements of a very accurate and linear output current
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/18350
dc.language.isoeng
dc.relation.departamentCTU - Departamento de Engenharia Elétrica
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina - UEL
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.subjectAmplificador Operacional de Potência
dc.subjectBias Variável no Tempo
dc.subjectCalibração de Magnetômetros
dc.subjectEstimação de Parâmetros
dc.subjectFonte de Tensão Corrente Controlada por Tensão
dc.subjectGeração de Campo Magnético
dc.subjectHardware-in-the-loop
dc.subjectHelmholtz coil
dc.subjectHowland Current Source
dc.subjectEngenharia elétrica
dc.subject.capesEngenharias - Engenharia Elétrica
dc.subject.cnpqEngenharias - Engenharia Elétrica
dc.subject.keywordsHardware-in-the-loop
dc.subject.keywordsHelmholtz cage
dc.subject.keywordsHelmholtz coil
dc.subject.keywordsHowland current source
dc.subject.keywordsMagnetic field simulator
dc.subject.keywordsMagnetometer
dc.subject.keywordsMagnetometer calibration
dc.subject.keywordsNon-linear least squares
dc.subject.keywordsParameter estimation
dc.subject.keywordsPower operational amplifier
dc.subject.keywordsSensor calibration
dc.subject.keywordsTime-varying bias
dc.subject.keywordsVoltage-controlled current source
dc.subject.keywordsElectrical engineering
dc.titleAttitude-Independent magnetometer calibration including time-varying bias using a helmholtz coil powered by a howland current source
dc.typeTese
dcterms.educationLevelDoutorado
dcterms.provenanceCentro de Tecnologia e Urbanismo

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