Hareket algılayan duyargalar ile üç boyutlu uzayda hareket kestirimi
Motion estimation in three dimensional space with motion sensing modules
Yazar: CEM KÜÇÇÜK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. D. TURGAY ALTILAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Bilişim Enstitüsü / Bilgisayar Bilimleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Son yıllarda bilgisayar bilimleri alanında sanal gerçeklik konusunda yapılan çalışmalarda büyük bir artış gözlemlenmektedir. Sanal gerçeklik kullanıcının, bilgisayar ortamında benzetimi yapılmış gerçek veya sanal bir ortam ile etkileşimde bulunmasına izin veren bir teknolojidir. Sanal gerçeklik ile çok yakından ilgili olan insan-makine ara yüzü tasarımı teknolojileri de kullanıcıların bilgisayar programları ile etkileşimini en üst düzeye çıkarma amacına sahiptir. Bu yaklaşım göz önünde bulundurularak tez kapsamında bir sanal gerçeklik uygulamasında kullanılmak üzere kullanıcının elindeki ve denetimindeki bir nesnenin üç boyutlu uzaydaki hareketinin tespit edilmesi hedeflendi.Bu amaçla üç eksende doğrusal ivme ve açısal hız bilgilerine erişilebilen bir donanım kullanıldı. Üç eksen ivmeölçere (?accelerometer?) ve üç eksen açısal hız duyargasına (?gyroscope?) sahip olan bir ataletsel ölçüm ünitesi (AÖÜ) kullanılarak altı serbestlik derecesine sahip (6 DOF) bir sistem elde edilmektedir. Tez kapsamında elde edilen bu sistem için kalman filtresi kullanılarak üç boyutlu yönelim, hız ve konum kestirimi gerçekleştirildi.AÖÜ'ler başlıca hava/kara/deniz araçlarında (insansızlar da dâhil) olmak üzere birçok farklı alanda kullanılmakta, bu alanlara göre farklı hassasiyetlerdeki ve teknik özelliklerdeki duyargalarla oluşturulmaktadır. İnsansız bir hava aracının ataletsel seyir sisteminde ele alınan hareket kestirimi problemi temelde bir oyunda kullanılan kumandanın hareket kestirimi ile aynı prensiplere sahiptir. Sanal gerçeklik uygulamalarında kullanılmak üzere üretilen ucuz maliyetli duyargaların kararlılığı ve doğruluğu, diğer alanlarda kullanılan duyargalara göre daha azdır. Bu gibi durumlarda kestirim algoritmalarının daha güçlü olması ve ham duyarga verisindeki hataları daha iyi şekilde süzmesi gerekmektedir. Üç eksen ivmeölçer ve açısal hız duyargasından oluşan bu dinamik sistemin durum denklemlerinin, durum geçişlerinin ve hata karakteristiklerinin çıkartılması, bu çıkarımlar kullanılarak bir kestirim ve takip algoritmasının çalıştırılması gerekmektedir. Kalman filtresi ataletsel seyir sistemleri dâhil birçok dinamik sistemin durum kestirimi ve takibi için yaygın olarak kullanılan etkin bir filtredir. Bu yüzden yapılan çalışmalarda kalman filtresi kullanıldı.Yönelim hesaplamalarında kullanılan açı, koordinat dönüşüm matrisi ve dördey (?quaternion?) tabanlı yöntem sonuçları ile kalman filtresi ile düzeltilerek elde edilen sonuçlar karşılaştırıldı ve iyileştirmeler gözlemlendi. Konum kestirimine getirilen hareket sonlandırma yaklaşımı ile iyileştirmeler elde edildi. Yazılım mimarisi açısından modüler, geliştirmeye açık, sisteme uyarlaması kolay, platformdan bağımsız bir hareket kestirim kütüphanesi geliştirildi. Bu kütüphaneyi kullanan uygulamaya yönelik bir arayüz tasarlanarak gerçekleştirildi.

Abstract:
Virtual reality has become a very popular field in computer sciences and the research areas in this field have increased in last few years. Virtual reality is a term that applies to computer-simulated environments that can simulate places in the real world as well as in imaginary worlds. Human-computer interaction technology, which is closely related with the virtual reality, aims to improve interaction between users and computers. Considering to this approach, estimation and tracking the motion of an object, which is hold and controlled by a user in three-dimensional space is determined as the purpose of the project.For this purpose, it was used a hardware which supplies three axis acceleration and three axis angular rate information of the object. A dynamic system with six degrees of freedom is obtained with three-axis acceleration and three dimensional orientation, velocity and position of this dynamic system is estimated and tracked by using a kalman filter design.Inertial measurement units which are used mostly on aerial/land/surface/underwater vehicles including unmanned types, have become very popular in various areas like entertainment sector and have different sensitivity levels and specifications according to these sectors. The problem of estimation and tracking the motion of an unmanned aerial vehicle has essentially similar principles as the problem of estimation and tracking the motion of a gamepad in a virtual reality application. The small and low-cost sensors, which are produced, for gaming applications have less stability and accuracy, so the raw sensor outputs need to be filtered better and estimation algorithm must be robust. The state equations, state transitions and error characteristics of the dynamic system must be determined and estimation and tracking algorithm need to be run. Kalman filtering is an efficient and commonly used filter for estimation and tracking of different dynamic systems including mostly inertial navigation systems. Hence, kalman filtering is implemented for the estimation and tracking operations in the studies.Angle, coordinate transformation matrix and quaternion based orientation representation techniques are implemented for orientation calculation. The results of these methods and Kalman filter based combined (gyro + accelerometer) orientation estimator are compared and expected improvement is observed. A motion ending technique is developed for position estimation and it is shown that developed technique improves results and provides better accuracy. A modular, reusable and platform independent motion estimation software framework is developed for system integrability. A user interface is designed and implemented specifically for this application by utilizing this framework.