Kalibracija i lokalizacija mobilnog robota s četiri nezavisno zakretna i četiri nezavisno pogonjena kotača

master's thesis

• Title (english): Calibration and localization of a mobile robot with four independent steering and four independent driving wheels
• Author: Jakov Vitko
• Mentor: Marko Švaco (mentor)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2024-05-16, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering

Abstract

Točnost lokalizacije iznimno je važan segment mobilne robotike koji omogućuje upravljanje i navigaciju robota. U ovom radu se promatra struktura s četiri nezavisno zakretna i četiri nezavisno pogonjena kotača (engl. „four-wheel-independent steering and four-wheel-independent driving, 4WIS4WID“). Pozicija i orijentacija robota mogu se estimirati koristeći nelinearni model kinematike koji uključuje udaljenosti kotača od središta robota, te kut zakreta i radijus svakog kotača. Odstupanje radijusa i udaljenosti kotača od nominalnih vrijednosti unose pogrešku estimacije koja kumulativno raste s kretnjom robota. Rad pokazuje postupak kalibracije parametara robota za smanjenje pogreške estimacije i bolje praćenje referentnih trajektorija. Predlaže se šest različitih trajektorija za ocjenu točnosti koje pokazuju utjecaj svih parametara. Za minimizaciju je odabrana funkcija cilja u obliku sume kvadrata pogrešaka između referentnih i stvarnih trajektorija. Stvarna pozicija robota dobivena je vanjskim mjernim sustavom OptiTrack deklarirane točnosti od 0,2 mm. Optimizacija parametara je napravljena s pomoću dvije gradijentne i stohastičke metode. Novo dobiveni parametri su iskorišteni za verifikaciju te je vidljivo poboljšanje od 60 posto. Kako na grešku lokalizacije robota utječe i numerička integracija, isključiva primjena odometrije nije dovoljna za adekvatnu točnost lokalizacije. Fuzija multimodalnih mjerenja s više različitih senzora omogućuje veću točnost i robusnost lokalizacije robota. Primjenom proširenog Kalmanovog filtra fuzirala se odometrija s mjerenjima kamere za praćenje i inercijalne mjerne jedinice. Rezultati prikazani u ovom istraživanju pokazuju kako kalibrirani robot s fuzijom pokazuje značajna poboljšanja u lokalizaciji.

Abstract (english)

Localization accuracy is an extremely important aspect of mobile robotics, enabling robot control and navigation. This thesis examines localization accuracy of mobile robot based on the
four-wheel-independent steering and four-wheel-independent driving (4WIS4WID) structure. The position and orientation of the robot can be estimated using a nonlinear kinematic model that includes wheel distances from the robot's center, as well as the steering angle and radius of each wheel. Discrepancies in radius and wheel distances from nominal values introduce estimation errors that cumulatively increase with robot movement. The study presents a robot parameter calibration process to reduce estimation errors and improve tracking of reference trajectories. Six different trajectories are proposed to evaluate accuracy, demonstrating the influence of all parameters. A sum of squared errors between reference and actual trajectories is chosen as the objective function for minimization. The actual robot position is obtained using an external OptiTrack measurement system with a declared accuracy of 0.2 mm. Parameter optimization is performed using two gradient-based and two stochastic methods. The newly obtained parameters are used for verification, resulting in a visible improvement of 60 percent. Since numerical integration also affects robot localization error, relying solely on odometry is insufficient for adequate accuracy. Fusion of multimodal measurements from various sensors allows for greater accuracy and robustness in robot localization. The extended Kalman filter (EKF) is used to fuse wheel odometry with tracking camera and inertial measurement unit (IMU) data. The results presented in this study demonstrate significant improvements in localization with the calibrated robot and sensor fusion.

• Keywords: lokalizacija mobilnih robota; četiri nezavisno zakretna i pogonjena kotača; odometrija kotača; kalibracija parametara direktne kinematike; prošireni Kalmanov filtar; fuzija mjerenja
• Keywords (english): four-wheel-independent steering and four-wheel-independent driving; 4WIS4WID; mobile robot localization; wheel odometry; direct kinematics; parameter calibration; extended Kalman filter; EKF; sensor fusion
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:221510
• Study programme: Title: Mechanical Engineering; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva (magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2024-05-15 12:08:14