Geri Dön

Comparison of quaternion-based orientation estimation methods using 9-dof marg sensors

Dokuz serbestlik dereceli marg sensörleri kullanılarak dördey tabanlı yönelim kestirim yöntemlerinin karşılaştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 945251
  2. Yazar: BURAK TANTAY
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 107

Özet

Ataletsel ve manyetik sensörler kullanılarak yönelim kestirimi, robotik sistemlerden otonom araçlara, giyilebilir teknolojilerden insan hareket takibine kadar pek çok modern uygulamanın temel bileşenlerinden biri haline gelmiştir. Düşük gecikmeli ve yüksek doğruluklu yönelim takibi; denge kontrolü, hareket planlama ve sensör verilerinin birleşik olarak değerlendirilmesi gibi görevlerde, özellikle GPS veya görsel işaretleyiciler gibi harici konum referanslarının yetersiz ya da erişilemez olduğu senaryolarda kritik öneme sahiptir. Bu bağlamda, yönelimi matematiksel olarak ifade etmek için dördey (quaternion) temsili, Euler açılarıyla karşılaştırıldığında tekillik problemlerini ortadan kaldırması ve sayısal olarak daha kararlı, verimli hesaplamalar sunması nedeniyle öne çıkmaktadır. Bu çalışma, dokuz serbestlik derecesine sahip ataletsel ve manyetik bir sensör modülünden (MARG) toplanan veriler kullanılarak, dördey tabanlı yönelim kestirim algoritmalarının performansını incelemektedir. Farklı filtrelerin jiroskop, ivmeölçer ve manyetometre sinyallerini işleyerek, harici konumlandırma referanslarının sınırlı olduğu ya da mevcut olmadığı durumlarda da robotik, giyilebilir ve otonom sistemler için önemli olan tutarlı yönelim kestirimlerini nasıl ürettikleri ele alınmaktadır. Bu nedenle çalışma boyunca tekillik problemi içermeyen, sayısal olarak kararlı dördey (quaternion) temsili tercih edilmiştir. Bu gösterim sayısal olarak daha kararlı ve tekillik problemlerini ortadan kaldıran sonuçlar sunarak, dinamik ve çok eksenli hareket koşullarında güvenilirlik sağlamaktadır. Dördeylere dair temel kavramlar açıklandıktan sonra, bu çalışmada her biri farklı bir sensör füzyon yaklaşımını temsil eden çeşitli yönelim kestirim filtreleri değerlendirilmiştir. Bu filtreler arasında tamamlayıcı filtre(Complementary), gradyan inişi temelli bir algoritma olan Madgwick, 6 serbestlik dereceli ve 9 serbestlik Dereceli konfigürasyonlarında kullanılan hata-durumu Kalman filtresi, XKF3i adlı kapalı kaynak bir gömülü filtre ve modüler yapısı ile öne çıkan Çok Yönlü Dördey Tabanlı Filtre (VQF) yer almaktadır. Bu kestirimciler arasındaki teorik farklılıklar; jiroskop sapmasının giderilmesi, eğim ve baş açısı bileşenlerinin ayrı ele alınması, sensör gürültüsünün modellenmesi ve hesaplama maliyeti gibi unsurlar açısından çeşitlilik göstermektedir. Bazı filtreler sadelik ve hızlı yakınsama gibi avantajlar sunarken, diğerleri ölçüm gürültüsüne ya da manyetik bozulmalara karşı daha yüksek dayanıklılık sağlamayı amaçlamaktadır. Filtrelerin gerçek dünya uygulamaları açısından performanslarını değerlendirmek amacıyla, algoritmalar kontrollü laboratuvar koşullarında toplanan deneysel veri setleri üzerinde uygulanarak test edilmiştir. Veri toplama süreci, üç eksenli jiroskop, ivmeölçer ve manyetometre sensörlerini entegre eden bir Ataletsel Yönelim ve Konum Referans Sistemi (Attitude and Heading Reference System, AHRS) aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. Bu veriler kullanılarak her bir filtre tarafından üretilen yönelim kestirimleri, bir optik hareket yakalama sistemi (motion capture) ile elde edilen yüksek doğruluklu referans veriler ve ayrıca bir kolaboratif robot kolunun ileri kinematiği kullanılarak hesaplanan yönelimlerle karşılaştırılmıştır. Deneysel çalışma, farklı yönelim kestirim algoritmalarının performansını çok çeşitli hareket senaryoları altında değerlendirmek amacıyla tasarlanmıştır. El ile gerçekleştirilen deneylerde, sensör manuel olarak çeşitli dönme ve öteleme dizileri boyunca hareket ettirilmiştir. Bu hareket dizileri; yumuşak salınımlar, ani sarsılmalar, sürekli dönüşler ve dur-kalk şeklinde davranışlar gibi bileşenler içermektedir. Söz konusu hareketler, özellikle insan etkileşimli sistemlerde veya vücuda takılan sensörlerin kullanıldığı uygulamalarda sıkça karşılaşılan dinamik durumları taklit etmeyi amaçlamaktadır. Deneyler, farklı dönme eksenleri, belirli hareketsizlik süreleri ve çeşitli yönlerdeki hareketleri içerecek şekilde planlanmıştır. Robot tabanlı denemelerde, bir UR3 kolaboratif robot, hassas ve tekrarlanabilir yörüngeleri gerçekleştirmek için kullanılmıştır. Sensör ve işaretleyici seti, robotun uç işlevcisine özel olarak tasarlanmış 3B yazıcı üretimi bir bağlantı ile monte edilmiş ve böylece hizalama tutarlılığı sağlanmıştır. Eklem yörüngeleri robotun ara yüzü kullanılarak manuel olarak programlanmış ve sabit hızda dönmeler, bileşik eklem hareketleri, tersine dönüşler ve beklemeler içeren dizileri kapsamaktadır. Robotun analitik kinematik modeli kullanılarak uç işlevci pozisyonu ileri kinematik hesaplamayla belirlenmiş ve bu sayede harici bir yönelim karşılaştırma referansı oluşturulmuştur. Sensör çıktıları ile referanslar arasında yüksek doğrulukta karşılaştırma sağlamak için iki veri toplama yapısı kullanılmıştır. İlk el hareketi deneylerinde, veriler MTi-300'den üretici yazılımı ile ve OptiTrack sisteminden Motive ara yüzü kullanılarak manuel olarak kaydedilmiştir. Bu akışlar arasındaki senkronizasyon, son işleme sırasında enterpolasyon ve zamansal hizalama teknikleri ile gerçekleştirilmiştir. UR3 robotunu içeren sonraki deneylerde ise, her cihazın verisini ayrı başlıklara yayınladığı ve tüm akışların senkronize kaydedildiği ROS tabanlı bir kayıt sistemi kullanılmıştır. Bu sistem IMU'yu, OptiTrack poz verisini ve robot eklem durumlarını içermiştir. Robot doğrudan ROS kullanmasa da eklem verileri dahili kayıtlarla yansıtılmış ve senkronize veri setine entegre edilmiştir. ROS tabanlı sistem, deneye bağlı olarak 100 ila 400 Hz arasında değişen örnekleme frekanslarında ataletsel ve referans verilerin gerçek zamanlı olarak toplanmasını sağlamıştır. Filtrelerin başarımı, yalpa, yunuslama ve sapma açı farkları ile dördeyler arasındaki açısal mesafe üzerinden değerlendirilmiştir. Bu doğruluk değerlendirmeleri, Kök Ortalama Kare Hata (RMSE) ve normalize edilmiş Zaman Ağırlıklı Mutlak Hata (ITSE) gibi metrikler üzerinden nicel olarak yapılmıştır. Bu karşılaştırmalar, yönelim tahminlerinin referans verilere ne derece yakın olduğunu hem ani sapmalarda hem de zamanla biriken hatalarda ortaya koymaktadır. Hem statik hem de dinamik durumlar analiz edilerek filtrelerin, hareket başlangıcında ve kararlı takip sırasında sergilediği performans ayrıntılı şekilde incelenmiştir. Filtre çıktıları, hareket özellikleri ve sensör koşullarına bağlı olarak niteliksel ve niceliksel farklılıklar göstermiştir. Yavaş veya tekrarlayan hareketlerin söz konusu olduğu senaryolarda, çoğu filtre benzer performans göstermiş ve referans yönelimlerle yakın hizalama korumuştur. Daha ani ya da karmaşık yörüngelerde ise farklar daha belirgin hale gelmiştir. Bazı filtrelerin hızlı dönüşler sırasında geciktiği fakat sonunda doğru poza yakınsadığı gözlemlenmiştir. Diğerleri geçişlerde kısa süreli aşım ya da titreme göstermiş, ancak genel olarak kararlılık sağlamıştır. Manyetometre verisi, birçok filtre için baş açısı kestiriminde açık bir iyileşme sağlamıştır ancak etkinliği manyetik alan kalitesine bağlı olarak değişkendir. Uygulama açısından, tamamlayıcı filtreler ve Madgwick gibi yöntemler, daha düşük hesap yüküne karşın, bazı senaryolarda daha düşük performans gösterebilmiştir. Kalman filtrelerinin 6 ve 9 serbestlik dereceli varyantları ise, daha hassas parametre ayarlamaları gerektirmelerine rağmen hareket yapısı ile çevresel koşullara karşı daha gürbüz davranmıştır. Üreticiye özgü XKF3i filtresi birçok senaryoda başarılı sonuçlar vermiştir; ancak algoritmanın kapalı yapısı nedeniyle kullanıcı tarafından kolayca değiştirilememektedir. VQF filtresi ise hem elde tutulan hem de robotla yönlendirilen hareketler sırasında modüler yapısının sağladığı avantajla tüm senaryolarda en iyi olmasa da ortalama olarak istikrarlı ve kararlı bir performans sunmuştur. Bu modüler yapı, sensör verilerinden kaynaklanan düzeltmeleri birbirinden ayrılmış aşamalar halinde ele alarak daha kontrollü ve esnek bir kestirim süreci sağlamıştır. Değerlendirme ayrıca kalibrasyon ve başlatma prosedürlerinin önemini ortaya koymuştur. Sapma kestirimi, manyetometre hizalaması ve rijit cisim montaj kalitesi, filtre performansını etkileyen önemli faktörler olmuştur. İyi ayarlanmış filtreler bile, sensör çerçevesi tutarsız şekilde tanımlandığında veya bozulduğunda sürüklenme ya da hizalama hatası gösterebilmiştir. Sonuçlar filtreler arasında evrensel bir kazanan ortaya koymasa da belirgin durumlarda ödünleri ve pratik hususları vurgulamaktadır. Filtre seçimi sonuç olarak, belirlenen uygulama bağlamına, mevcut sensör kaynaklarına, hareket özelliklerine ve hesaplama kısıtlamalarına bağlıdır. Örneğin, hızlı yakınsama ve düşük gecikme gerektiren uygulamalar Madgwick veya tamamlayıcı filtreleri tercih edebilirken; değişken koşullarda dayanıklılık gerektiren uygulamalar, modüler ya da uyarlanabilir yöntemlerden daha fazla yarar sağlayabilir. Gelecekteki araştırmalar için test koşullarının manyetik bozulmaları ekleyecek şekilde genişletilmesi önerilebilir. Parametre ayarlama süreçlerinin otomatikleştirilmesi, özellikle gömülü sistemlerde uygulama kolaylığı açısından önemli bir gelişme sağlayabilir. Ayrıca, sensör füzyon kapsamının görsel odometri veya GNSS gibi konum ve öteleme hareketi kestirimine yönelik kaynaklarla genişletilmesi hem mobil robotik hem de insan takibi uygulamaları için değerli katkılar sağlayabilir. Robot kolları veya insan uzuvları gibi eklemli platformlara monte edilen çoklu IMU sistemleri incelenebilir. Bu tür yedekli ve dağılmış yapıların kullanımı, robotik ve biyomedikal uygulamalarda öz duyusal algılamanın geliştirilmesi açısından önemli bir potansiyel taşımaktadır. Özetle, bu tez, gerçek dünya hareket koşullarında yüksek doğrulukta referans sistemleri kullanılarak dördey tabanlı yönelim kestirim filtrelerinin karşılaştırmalı bir değerlendirmesini sunmaktadır. Elde edilen bulgular, senaryo gereksinimlerine bağlı olarak filtre seçimi ve parametre ayarlarına dair uygulamaya dönük yol gösterici çıkarımlar sağlamaktadır. Farklı senaryolar ve ölçüm sistemleriyle yürütülen bu deneysel çalışma, sensör füzyonu ve hareket kestirimi alanlarında daha sağlam ve güvenilir sistemlerin geliştirilmesine katkı sunmayı hedeflemekte; ayrıca yönelim kestirim çözümlerinin seçimi için somut bir rehber sunmayı amaçlamaktadır.

Özet (Çeviri)

Orientation estimation using inertial and magnetic sensors has become a fundamental capability across robotics, autonomous vehicles, and wearable systems. Accurate and low-latency orientation tracking enables balance control, motion planning, and sensor fusion in environments where external references like GNSS or visual markers may be unreliable or unavailable. Among various representation methods, quaternions are widely adopted for their singularity-free, computationally efficient handling of 3D rotations. This thesis presents a comprehensive evaluation of quaternion-based orientation estimation algorithms using a nine-degrees-of-freedom (9-DOF) inertial and magnetic sensor also known as a magnetic, angular rate, and gravity (MARG) sensor, under various motion scenarios. These filters ranging from simple complementary filters to more advanced solutions like Madgwick, ESKF (6-DOF and 9-DOF), XKF3i, and the modular Versatile Quaternion-Based Filter (VQF), were tested for their ability to fuse gyroscope, accelerometer, and magnetometer data into consistent orientation estimates. Quaternions were used to avoid singularities and provide stable performance in dynamic multi-axis movements. Experimental validation was conducted using both free-hand and robot-guided motion. In hand trials, the IMU was manually moved through varied rotational patterns. For robot trials, a UR3 robotic arm followed pre-programmed trajectories, with the IMU rigidly mounted on its end-effector. Reference orientation was derived from an OptiTrack motion capture system and, in robot trials, forward kinematics. Two data acquisition pipelines were used: a manual logging approach for early trials and a ROS-based synchronized recording system for later robot trials, capturing IMU, motion capture, and joint states. Filter performance was assessed by comparing estimated orientations against reference data, using both quaternion-based angular errors and Euler angle deviations. Quantitative evaluation relied on Root Mean Square Error (RMSE) and normalized Integrated Time-weighted Squared Error (ITSE) metrics, which capture both instantaneous accuracy and cumulative drift over time. Results varied across motion types: filters performed similarly in slow or repetitive motion but diverged under fast or complex dynamics. Magnetometer integration generally improved yaw accuracy but introduced sensitivity to environmental disturbances. Simpler filters like Madgwick and the complementary filter offered fast computation and easy deployment, while Kalman-based methods required careful tuning but were more robust. XKF3i provided strong results but lacked transparency. The VQF filter, on the other hand, delivered the most consistent and stable performance on average - though not in all scenarios-, benefiting from its modular correction of tilt, heading, and bias. The findings highlight that no single filter excels universally; instead, trade-offs depend on application needs such as accuracy, computational load, and sensitivity to noise. Future work could include tests in magnetically disturbed environments, improved calibration and tuning automation, and extensions toward translational motion estimation or multi-IMU fusion on articulated platforms. Overall, this thesis offers a practical framework for filter selection and tuning, supporting the development of resilient orientation tracking providing a structured experimental basis for selecting and tuning orientation filters in robotics, wearable sensing, and human–machine systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    309392

    Experimental verification of an orientation estimation technique for autonomous robotic platforms

    Bir otonom robot yönelim tahmin tekniğinin deneysel doğrulanması

    IYAD F. I. HASHLAMON

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Mühendislik BilimleriSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. KEMALETTİN ERBATUR

  2. Tez No

    593656

    Mini insansız hava araçları için bir fırçasız motor test sistemi geliştirilmesi

    Development of a brushless motor test system for mini unmanned air vehicles

    EZGİ ÇAKICI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN DINDIŞ

  3. Tez No

    785467

    Generalization of deep neural networks totransformations through novel andhybrid architectures

    Derin sinir ağlarının yenı ve hibrit mimariler aracılığı ile transformlara genellemesi

    BARIŞ ÖZCAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolÖzyeğin Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA FURKAN KIRAÇ

  4. Tez No

    541846

    Fuzzy logic based position control system design for nano quadcopter

    Nano quadkopter için bulanık mantık tabanlı pozisyon kontrol sistemi tasarımı

    FETHİ CANDAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUFAN KUMBASAR

  5. Tez No

    119773

    Bikuaternionların alternatif cebirlerinin karşılaştırılması ve bikuaternionik dirac denklemi

    The comparison of alternative algebras of biquaternions and biquaternionic dirac equation

    GÜNER ÖZGÜR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    Fizik ve Fizik MühendisliğiAnadolu Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MURAT TANIŞLI

Geri Dön