Sensör füzyonu algoritmaları ile açısal konum referans sistemi tasarımı
Attitude and heading reference system design with sensor fusion algorithms
Yazar: OBEN ÖZKAN
Danışman: DOÇ. DR. AYDIN YEŞİLDİREK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Hareket sensörleri = Motion sensors

Özet:
Açısal konum referans sistemleri hava, deniz, uzay araçlarında, akıllı mühimmatlarda, pilot kasklarında, akıllı cep telefonlarında veya sanal gerçeklik gözlükleri gibi 3 boyutlu uzayda açısal durum bilgisinin elde edilmesi gereken yerlerde başlangıç durumu veya belirli bir referansa göre açısal durum bilgisini veren sensörler bütünüdür.
Literatürde "attitude and heading reference system" olarak geçen bu cihazlar piyasada AHRS kısaltması ile bilinirler. AHRS üç eksende yuvarlanma, yunuslama ve yalpalama açılarının bilgilerini verecek sensörlerle donatılmış cihazlardır. Bu sensörler açısal konum bilgilerini dünya üzerindeki doğal etkilerden elde etmek durumundadır bu sebeple ataletsel ve manyetik alan sensörleri AHRS için sıklıkla kullanılan sensörlerdir.  AHRS bu sensörlerden aldığı bilgileri sensör füzyonu algoritmaları ile birleştirerek ihtiyaç duyulan 3 eksen açısal konum bilgisini sağlamaktadır. AHRS sensörlerinde ataletsel olarak ivmeölçer ve jiroskop sensörleri bulunmaktadır manyetik alan bilgisi hesaplamaya dahil edilecekse manyetometre sensörleri de dahil edilmektedir bunun dışında barometre ve sıcaklık sensörleri de hassasiyeti arttırmak için kullanılmaktadır. Sensörler günümüzde genellikle mikro elektro-mekanik (MEMS) sensör paketleri halinde kullanılsa da özellikle taktik ve navigasyon seviyesindeki cihazlarda jiroskop hatalarını en aza indirgemek için sagnac etkisini kullanarak açısal hız elde eden lazer jiroskoplar kullanılmaktadır. Ancak uygun maliyetli AHRS sistemlerinde üreticiler MEMS teknolojisine yönelmete ve sensörlerden kaynaklanan hataları etkili sensör füzyonu algoritmaları ile telafi etmeyi amaçlamaktadırlar. AHRS sistemleri için sensör füzyonu algoritmaları literatürde yoğun bir şekilde çalışılmıştır ve bu tezde sıklıkla kullanılan algoritmalardan bahsedilmiştir.
Ataletsel navigasyon sistemi, harici bir referans sisteme ihtiyaç duymadan ataletsel sensörlerden aldığı verileri kullanarak pozisyon, hız ve açısal konum bilgilerini hesaplayan cihazlardır. Bu cihazlar bir çok alanda kullanılmakla birlikte iç ortam navigasyon ve yaya takip sistemlerinde de kullanılmaktadır. Literatürde birçok iç ortam  navigasyon uygulaması üzerinde çalışılmış olup tez çalışmamda benzer bir uygulamaya yer verilmiştir.
Bu tez çalışmasında, bir açısal konum referans sisteminin tasarımı verilmiştir. Düşük maliyetli MEMS tabanlı atalet sensörlerinin verileri, doğru bir AHRS sistemi elde etmek için sıfır hız algılama, sezgisel sapma giderme ve bütünleyici filtreleme ile birleştirilmiştir. Harici kaynaklara ihtiyaç duymayan böyle bir navigasyon sisteminin, iç mekan navigasyon sistemleri dahil olmak üzere bazı uygulamalarda önemli avantajları vardır. Bu uygulamalardan biri yaya izleme sistemleridir. Bu sistemlerde, yürüyüşün doğasından elde edilen ivme değerleri, hız ve konum tahminlerini almak için entegre edilmiştir. Düşük maliyetli MEMS tabanlı IMU'lar gürültüye karşı çok hassastır, bir yardım mekanizması olmazsa büyük ölçüde sürüklenirler. Tez çalışmasında tasarlanan açısal konum referans sistemi yürüyen bir kişinin ayağına monte edildi, iç mekan navigasyon sistemi incelendi ve önerilen filtre algoritmalarıyla sensörlerin neden olduğu hataları en aza indiren umut verici sonuçlar verdi. Çalışmanın sonunda, filtre doğrulandı ve sensörlerin neden olduğu uzaysal kaymanın ortadan kaldırıldığı gözlemlendi.

Abstract:
Attitude and heading reference systems are a set of sensors that provide angular position information in an air, sea, spacecraft, smart ammunition, pilot helmet, smartphone or virtual reality glasses, where angular condition information is required in three-dimensional space or where the angular position information is relative to a particular reference.
These devices, known as  "attitude and heading reference system " in the literature, are known on the market with the acronym of AHRS. AHRS is equipped with sensors that provide information on roll, pitch and yaw angles in three axes. These sensors have to obtain angular position information from natural effects around the world, so inertial and magnetic field sensors are commonly used sensors for AHRS. By combining the information received from these sensors with the sensor fusion algorithms, AHRS provides the required 3-axis angular position information. The AHRS sensors are equipped with accelerometers and gyroscope sensors. Magnetic field information is included in the calculation. Magnetometer sensors are also included. Barometer and temperature sensors are as well used to increase sensitivity. Although sensors are often used in microelectro-mechanical (MEMS) sensor packs, laser gyroscopes with angular velocity are used to minimize gyroscope errors, especially in tactical and navigation-level devices. However, in cost-effective AHRS systems, manufacturers aim to compensate for MEMS technology and to compensate for errors due to sensors by effective sensor fusion algorithms. Sensor fusion algorithms for AHRS systems have been studied extensively in the literature and frequently used  algorithms are mentioned  in this thesis study.
The inertial navigation system is used to calculate position, speed and angular position information using the data received from inertial sensors without the need for an external reference system. These devices are used in many areas, but they are also used in indoor navigation and pedestrian tracking systems. In the literature, many interior environment navigation applications have been studied and a similar application has been included in my thesis study.
In this thesis study, an angular position reference system design is given. Low-cost MEMS based inertial sensors data is fused by zero velocity sensing, heuristic drift elimination and complementary filtering to obtain an accurate AHRS system. Such a navigation system not needing external sources has significant advantages in some application including indoor navigation systems. One of such applications is the pedestrian tracking systems. In these systems, the acceleration values derived from the nature of the walk are integrated to get the speed and position estimates. Low-cost MEMS based IMU's are very sensitive to noise and they drift drastically without an aiding mechanism. The angular position reference system designed in the article was mounted on the foot of a walking person, the indoor navigation system was studied and the errors caused by the sensors were minimized by the proposed filter algorithms showed promising results. In the end of the study, the filter was verified and it was observed that the spatial shift caused by the sensors has been eliminated.