Experimental verification of an orientation estimation technique for autonomous robotic platforms

Abstract

İnsansız hava araçlarından deniz altı araçlara ve tekerlekli, paletli, bacaklı makinalara varan konularda yürütülen araştırmalar robot sistemlerinin uygulama alanlarını genişletmektedirler. Ne var ki, bu tür platformların kontrolü geri beslemede kullanılan birçok değişkenin tahmin edilmesini gerektiren zor bir görevdir. Otonom platformun yönelim bilgisi robot kontrolü için hayati önem taşır.Literatürde atalet sensörleri ile yönelim tahmini için çeşitli yaklaşım ve enstrümanlar rapor edilmiştir. Birçok yaklaşım Kalman süzgeçlerine dayalıdır. Genişletilmiş Kalman süzgeçlerinin (EKF), Kokusuz Kalman süzgeçlerinin ve tümleştirici Kalman süzgeçlerinin kullanımı da önerilmiştir.Bu tez atalet sensörlerinin sağladığı ölçümlere dayanan yönelim tahmini üzerinde yoğunlaşmaktadır. Üç eksenli doğrusal ivmeölçerlerin ve jiroskopların kullanımı üzerinde durulmaktadır. Yönelim tahmini için iki tahmin algoritmasının ardışık kullanımı önerilmektedir. Bunlardan ilki bir Kalman süzgecidir ve bu süzgeç ana olarak ivmeölçer verilerine dayanan bir yer çekimi tahmini için kullanılmaktadır. İkinci algoritma Genişletilmiş Kalman filtresi yapısındadır ve ilk algoritma ile elde edilen yer çekimi tahminini ve jiroskop verilerini kullanarak yönelim tahminini gerçekleştirmektedir. Yönelim, jiroskop eksenleri çevresindeki tek boyutlu dönüşlerin ayrıklığı basitleştirici varsayımı kullanılmaksızın, çok değişkenli bir şekilde tahmin edilmektedir. Bu şekilde, oldukça büyük dönüş açıları hassas bir şekilde ele alınabilmektedir.Sunulan yaklaşım bir kuaterniyon gösterimini kullanmaktadır. Bu gösterim Euler açıları gibi bir takım gösterimlerde rastlanan gösterim singülaritelerini engellemektedir. Kuaterniyon gösterimi ile algoritmanın bilgisayarda işlenme yükü de azalmaktadır.Tahmin yöntemlerini teste tabi tutmak için deneysel çalışmalar yapılmıştır. Üç serbestlik dereceli bir robot tasarlanmış be imal edilmiştir. İvmeölçer ve jiroskop birimi deneylerde test hareketlerini gerçekleştiren bu manipülatörün uç platformuna monte edilmişlerdir. Karşılaştırmaya baz teşkil etmesi için robot enkoderlerinden okunan eklem konumları hareket sırasında gerçek dönüş matrislerinin hesaplanmasında kullanılmışlardır. Deneyler, önerilen tekniğin geniş dönüş açısı ve hareket frekansı aralıklarında güvenilir yönelim tahminleri ürettiğini göstermektedir.

Research on autonomous platforms ranging from unmanned aerial and underwater vehicles to wheeled, tracked and legged machines enlarges the application boundaries of robotic systems. The control of these platforms, however, is a challenging task which requires the availability or estimation of various feedback variables. Orientation information of the autonomous platform is vital for robotic control.A variety of approaches and instruments are reported in the literature for orientation estimation with inertial sensors. Many approaches are based on Kalman filters. The use of Extended Kalman filters (EKF), Unscented Kalman filters and complimentary Kalman filters are proposed too.This thesis concentrates on the estimation of orientation from measurements provided by inertial sensors. The use of three-axial linear accelerometers and rate gyros is considered. The sequential use of two estimators is proposed for orientation estimation. The first one is a Kalman Filter and it is employed for the gravity estimation mainly based on acceleration readings. The second estimator has the structure of an Extended Kalman Filter which uses the gravity estimate generated by the first estimator and rate gyro readings for the orientation estimation. Orientation is estimated in a multivariable fashion, without the simplifying assumption of decoupling between one-dimensional rotations about the three gyroscope axes. Therefore quite large angles of rotation can be handled accurately.The presented approach uses a quaternion representation which avoids representation singularities common with orientation descriptors like Euler angles. The computational efficiency is improved by the quaternion representation too.In order to test the estimation methods, experimental studies are carried out. A three-degrees-of-freedom robot is designed and built. The accelerometer and gyroscope unit is mounted at the tool end of this manipulator which generated test motion in the experiments. In order to create a basis for comparison, robot joint encoder data is used and actual rotation matrices during the motion are computed. The experiments indicate that the proposed technique delivers reliable orientation estimates in a large range of rotation angles and motion frequencies.