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Título: Assessment of global orientation estimation using redundant inertial and magnetic sensors
Autor(es): Schneider, Felipe Britto Azevedo
Orientador: Frizera Neto, Anselmo
Coorientador: Ciarelli, Patrick Marques
Data do documento: 6-Set-2018
Editor: Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo: Unidades de Medição Inercial baseadas no princípio construtivo dos microeletromecânicos são extensivamente utilizadas em uma vasta gama de aplicações, tal fato se deve principalmente as suas reduzidas dimensões, peso e consumo energético. No entanto, a precisão dos sistemas baseados em componentes microeletromêcanicos ainda constitui o principal empecilho para a ampla adoção destes sistemas. Tratando-se de sistemas de orientação global, o número de fatores que diretamente influenciam a acurácia final aumenta. Deve-se destacar cinco: bias e ruído dos sensores, ajuste e robustez do algoritmo utilizado para fundir os dados inerciais e magnéticos, e por último, resposta em frequência do sistema. Esta Dissertação de Mestrado detalha o desenvolvimento de um sistema com sensoriamento redundante, objetivando estudar a relação de dados inerciais e magnéticos provenientes de diferentes sensores, o que finalmente resulta em um ganho da precisão da estimação da orientação do sistema. Cinco diferentes métodos de fusão foram adaptados e implementados, tendo, inclusive, seus parâmetros propriamente otimizados. Adicionalmente, uma jiga de testes com dois graus de liberdade foi desenvolvida e utilizada como referência de orientação. Com o objetivo de facilitar a visualização, os testes foram gravados e os vídeos estão disponíveis online. Os resultados são apresentados em Kinematic Tracking Error e Root Mean Square Error (RMSE). O sistema proposto foi capaz de alcançar erros na ordem de 1,05° RMS para o eixo yaw (o qual normalmente apresenta maior erro RMS dentre todos os eixos) durante testes estáticos. Testes dinâmicos, previamente classificados em três diferentes perfis de velocidade (baixo, médio e alto), demonstraram, respectivamente, erros tão baixos quanto 1,17°, 2,30° e 3,03° RMS. Ademais, é apresentado o projeto de hardware de um sistema semicomercial, o qual seria capaz de superar os principais problemas apresentados pelo sistema atualmente utilizado, promovendo novas pesquisas.
Inertial Measurements Units based on microelectromechanical technologies are extensively used in a vast range of applications due mainly to their reduced size, weight, power consumption and cost. However, the accuracy of the systems that rely on this technology is still the main hampering factor to its broad adoption. When it comes to global orientation estimation, the number of factors that play an important role in the final accuracy rise. It is possible to identify five important factors: sensor bias, sensor noise, algorithm robustness and tuning, and for the last, system bandwidth. Therefore this M.Sc. Dissertation details the development of a system with sensor redundancy, aiming to study the relation between inertial and magnetic data prevenient from different sensors, and finally, resulting in an improvement of the orientation estimation accuracy. Five different fusion algorithms were adapted and implemented, having also their parameters properly optimized. Additionally, a two degrees of freedom orientation system is developed and implemented to be used as orientation reference. The performed tests were also camera recorded for ease of visualization, the videos are available online. The results are presented in terms of Kinematic Tracking Error and angle Root Mean Square Error (RMSE). The proposed system was able to reach orientation errors as low as 1.05° RMS for the yaw axis during static tests (the yaw axis usually presents the highest RMS error), while dynamic experiments showed results as low as 1.17°, 2.30° and 3.03° RMS, respectively, for what has been classified as Slow, Mid and Fast movement profile. Furthermore, it is presented the hardware project of a semi-commercial system, which would be able to overcome the main issues presented by the actual system, what would be able to promote new researches.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/10707
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