Magnetometer calibration using inertial sensors

In this work we present a practical algorithm for calibrating a magnetometer for the presence of magnetic disturbances and for magnetometer sensor errors. To allow for combining the magnetometer measurements with inertial measurements for orientation estimation, the algorithm also corrects for misalignment between the magnetometer and the inertial sensor axes. The calibration algorithm is formulated as the solution to a maximum likelihood problem and the computations are performed offline. The algorithm is shown to give good results using data from two different commercially available sensor units. Using the calibrated magnetometer measurements in combination with the inertial sensors to determine the sensor's orientation is shown to lead to significantly improved heading estimates.Comment: 19 pages, 8 figure

Development Of Inertial Navigation System With Applications To Airborne Collision Avoidance

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Ülkemizde ve dünyada insansız hava araçlarının kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Sadece insansız hava aracı kullanımı değil, kullanıldığı alanlar da artış göstermektedir. Bu da insansız hava aracı marketini daha cezbedici kılmaktadır. Bu artış sonucu dünyada bir çok insansız hava aracı şirketi kurulmuş ve bazıları bu araçları seri üretim şeklinde üreterek ihtacat yapabilmektedirler. Dünyadaki bu ekonomik büyümenin bir yansıması olarak dünyadaki insansız hava aracının sayısı da gün geçtikçe artmaktadır. Bu talebin büyüklüğüne bakılarak, 20 yıl sonra meydana gelecek insansız hava aracı çarpışmaları ve trafikleri otoriteleri bu konu ile ilgili çalışmaya sevketmiştir. Bununla beraber uygulama alanlarının artması ve daha da detaylanması nedeniyle belirli özellikleri ve otonom uçuşu gerçekleştirebilen insansız hava araçları artık yetersiz kalmaktadır. Günümüzde genel olarak DJI, Pixhawk, ardupilot gibi markaların araçları veya otopilotları kullanılmaktadır. Bazıları açık kaynak kodlu olsalar bile kod içerisinde değişiklik yapmak veya farklı bir donanım entegre etmek oldukça zor. Bunun haricinde piyasada baskın olup market değeri de en yüksek olan DJI firmasının ürünleri tamamiyle kapalı kutu şekilde satılmaktadır. Otonom uçui, rota takibi, havada asılı kalma ve video çekme, canlı yayın yapma gibi temel isterleri yapabilmelerine ragmen, genişleyen sektörde endüstrinin istekleri, artık insansız hava aracının sadece canlı yayın yapması için değil, harici eklenecek donanımlar ile beraber çalışabilirliği veya başka sistemlerle entegre çalışabilirliği gibi problemleri ortaya çıkarmıştır. Bu nedenle piyasada ciddi bir şekilde müşteri isteğine göre configure edilebilen otopilot sistemleri ihtiyacı doğmuştur. Diğer yandan insansız hava aracı trafiğine bile yol açacak kadar büyüyen bu sektör ve sivil havacılığın da benzer bir şekilde büyüdüğü iki sektör ile karşı karşıyayız. Sivil havacılığın artan trafiği ve çarpışma önleme sistemlerinin yetersiz kalması gibi durumlara çözümler aranmaktadır. Yapılan çalışmalar sonucu [1] insansız hava aracı sahası ile sivil havacılık sahasının birleştirilmesi ve bu birleştirmelerin nasıl yapılması gerektiği konusu ortaya çıkmıştır. Bunun üzerine bir çok üniversite, bu konu üzerine çalışmalar yapmış ve yayınlar ortaya çıkmıştır. Genel olarak problem ise elbette eski teknolojinin hüküm sürdüğü sivil havacılıkta kullanılan ürünlerin, insansız hava araçlarına entegrasyonu imkansızdır. Doğal olarak tüm hava araçlarının kontrolü için tek bir iletişim ağı hepsini kapsayacak şekilde kurulması amaçlanmıştır. Tüm bu hava araçlarının gözlemlenmesi aynı anda yapılabilmeli ki tehlike durumlarında gerekli müdahaleler ve tedbirler önceden veya o an alınabilsin. Bu tezde iki farklı problemin çözümü önerilmiştir. Önerilerin ilki bahsedilen müşteri odaklı insansız hava aracının tasarlanmasıdır. İnsansız hava aracı tasarımındaki en önemli modüllerden biri de INS-AHRS sistemidir. İstanbul Teknik Üniversitesi Kontrol ve Aviyonik Laboratuvarında yapılan bu çalışma öncesinde, otopilot kontrolcü tasarımı çalışmaları yapılmış ve system oturtulmuştur. Yapılan uçuşlarda piyasadaki pahalı sistemler kullanılmaktaydı. Fakat sistemden sisteme farklılıklar göstermesi gereken bu ürünler, platform değişikliklerinde sıkıntılara yol açabiliyordu. Buna örnek vermek gerekirse sabit kanatlı insansız hava aracında sıkıntısız uçabilirken, multi-copter platformunda sapma açısında uçuş anında düzensizlikler ortaya çıkıyordu. Bunun nedeni ise alınan üründe sapma açısı sadee GPS verilerinden elde ediliyor olmasıydı. Hareketli platformun her zaman bir sapma açısı olacağından sabit kanatlı sistemlerde çalışması gayet normaldi. Fakat multi-copter platformunda havada asılı kaldığı zamanlarda sapma açısında bir hız vektörü olmadığından GPS hesaplayamıyor ve bu yüzden salınımlara neden oluyordu. Bu gibi problemlerin çözümü ve tamamiyle yerli, dışarıda çalışabilen, istenilen tüm platformlara tasarım değişiklikleriyle entegre edilebilecek bir INS-AHRS tasarımı yapılmaya çalışılmıştır. Bu tasarım yapılırken literatürde yapılan çalışmalar referans alınmış, ve filtreleme tekniklerinden navigasyon koordinat sistemlerine kadar çalışmalar yapılmıştır. Sensor çıkışlarının gürültülerini bastırmak için alçak geçiren filtrelerden geçirildikten sonra gerekli dönüşümler yapılarak filter seviyesine kadar getirilmiştir. Filtre kısmında iki farklı filter testi yapılmıştır. Biri tamamlayıcı filter ve diğeri kalman filtresidir. Bu filtrelerin her bir INS-AHRS üzerinde testleri yapılmış ve nihai olarak AHRS’de tamamlayıcı filter, INS’de ise kalman filtresinin kullanımı kararlaştırılmıştır. Yapılan çalışmalar İstanbul Teknik Üniversitesi Stadyumunda ve İstanbul Teknik Üniversitesi Havacılık Araştırma Merkezinde test edilmiştir. Yapılan testler 6 aydan fazla sürmesine ragmen nihai sonuca ulaşılabilmiştir. Bu süre zarfında tecrübe edilen en önemli nokta ise gerçek hayatta karşılaşılan problemler ile simulasyon ortamının farklı olmasıdır. Gerçek hayatta en küçük problemde bile aracınız yere çakılabilir ve her çakılmada 200-1000 TL zarar alabilirsiniz. Test yaptığımız süre içerisinde bizden kaynaklı olmayan, fakat üretim hatası olan pervanelerin kopması nedeni ile de kırımlar yaşanmıştır. Bu nedenle sistemin argesinin yapılması pahalıya mal olmuştur. Yapılan test sonuçlarının videoları çekilmiş ve sosyal mecralarda paylaşılmıştır. Bir diğer problem ise insansız hava araçlarının sivil hava sahasına entegrasonudur. Bu entegrasyonun yapılması için gereken teknolojik gelişmeler ve algoritmik çalışmalar gerekmektedir. Önerilen sistemde araç bazlı ve uçuş bazlı haberleşme verileri belirlenip, hangi sistemler üzerinden bu haberleşmenin gereçekleşmesi gerektiği gösterilmiştir. Daha sonra tüm bu sistemler hem hava araçlarında, yer istasyonlarında ve hava trafik kontrolcülerinde olacağından tüm haberleşme ortak bir platform için toplanmış oldu. Bu nedenle uçuş kontrollerinin yapılması daha da kolaylaşacaktır. Bununla beraber çarpışma önleme sistemi için günümüzde kullanılan 2B system değil, zamanın da içine dahil olduğu 4B istem önerilmiştir. Bu algoritmaının adı RRT-Star olup, olasılıksal yaklaşarak çarpışmadan kaçmayı hedefler. Bu kaçışı hedeflerken de en optimal yolu bulmaya çalışır ve o yoldan rotasına devam eder. Olasılıksal yaklaşımların savunduğu argüman sonsuz sayıda örnek sayısında bulunacak yol limitte en optimal yola doğru gider. Bu nedenle olasılıksal çözüm bulma, deterministic yöntemlere göre çok daha hızlı olmaktadır. Fakat algoritmada optimale ne kadar yaklaşmak istenirse o kadar örnekleme sayısını arttırmak gerekmektedir. Bu artış daha çok araştırma yapması ve sistemin uzun zaman boyunca rota üretmesi demektir. Buradaki dengeyi iyi tutturarak hem uygun yolu bulmaya ve en uygun kısa sürede bulmayı amaçlanması istenmektedir. Sistemin testi için donanımla benzetim çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu tezde donanım benzetimi öncesi otopilot şeması verilmiş, buna bağlı test düzeneklerinin sistemi gösterilmiştir. Simulasyon olarak XPLANE programı kullanılmış ve programdan gelen sensor verilerine göre donanım sistemi uçurmaya çalışmıştır. Daha sonra çarpışma önleme algoritmasının entegrasyonu ile system testleri gerçekeştirilmiş ve sonuçları paylaşılmıştır. Nihai olarak bu tez, insansız hava aracı sektöründeki günümüzde ve gelecekte meydana gelecek problemleri öngörüp bunlara çözüm bulmak amaçlanmıştır. INS-AHRS tasarımları gerçekleştirilip, gerçek ortamda dışarıda testleri gerçekleştirilmiştir. Çarpışma önleme algoritması üzerine çalışmalar yapılarak da bu sistemin entegrasyonu yapılmış ve donanımsal benzetim ile testleri gerçekleştirilmiştir.Last years, the market growth of UAV is increasing day by day. This market growth is not just for some typical applications, but also application areas are increasing, too. This demand also increases the market value of the UAV. For competition in the market, UAV companies try to develop UAVs more efficient, cost effective and adding different capabilities. However, this growth generates some dangerous situations, moreover, because of the growth in application area, common UAVs are become not enough for applications or missions. In this thesis, I present and demostrate INS-AHRS Design and also Flight Management System with Collision Avoidance for UAV. These algorithms and demonstrations are made by the funding of ITU Control and Avionics Laboratory. In Laboratory, we already have autopilot system for multi-copter platforms and fixed-wing platforms. Before development of this INS-AHRS, we used other products from industry. But these products do not let you manage all system. But with the growth on the UAV applications, in the world also even in our laboratory, many projects required to solve specific problems with UAV. Industry products are designed for just one specific platform which may not be work on another platform. That is the main reason of necessity to develop new INS-AHRS, which can be used for multi-copter platforms. To develop INS-AHRS, filtering techniques and other conversation equations are studied. In this study, it is decided to use one IMU and one GPS. But after encounter with different problems, external magnetometer is added to the system. Then, as datasheet recommended, scaling and also alignment and offset shifting is studied. Before developing the all system, for inner loop, controller all need is attitude and attitude rate feed back. So first, with complimentary filter, gyroscope and accelerometer filtering is developed and tried to test at outside. In simulation, decision of coefficient of complimentary filter is easy to find. But these coefficients do not work at the outside. This shows the most important challenge that simulation platform can never be the same with outside real flight. For INS design, inertial frame to NWU frame conversation is developed. Accelerometers gravity vector and Coriolis vector is removed. Gyroscope outputs are also converted to the NWU frame. At least, all sensor outputs become the type of navigation frame. Whenever all datas gathered are become the type of the same frame, kalman filter is designed for INS. AS a result of INS-AHRS design, after 6 months of testing with other industrial INS, final coefficient of both INS and AHRS is decided. After few more development, test videos are recorded. For the growth of the UAV problem, this thesis presents Flight Management System (FMS) with multi-level autonomy modes that meet the requirements of future flight operations for unmanned aerial systems (UAS). It is envisioned that the future of airspace will become highly heterogeneous and integrate non-standardized aerial systems. In that case, only ground systems will be able to predict future trajectories based on performance models (stored in huge parametric databases). Meanwhile, airborne systems are required to share information. The proposed FMS structure integrates new functionalities such as (1) formal intent and information exchange and collaboration in tactical planning utilizing air-to-air and air-to-ground data links and (2) decentralized, short-term collision detection and avoidance. The air-to-ground data link enables intent sharing and allows field operators (i.e., flight operators or air traffic controllers) to interpret, modify, or re-plan UAS flight intent. The onboard FMS persistently monitors the airspace, tracks potential collisions with the other aircraft and the terrain, and requests re-planning when it detects a possible issue. When an immediate response is needed, the onboard FMS generates a 3D evasive maneuver and executes it autonomously. Flight traffic information is obtained from ADS-B/In transponders and air-to-air data links. ADSB-In/Out implementations make the unmanned systems more visible to the systems in 3D. In addition, the air-to-air data links enable intent sharing between airborne systems and are traceable in four dimensions (i.e., space and time). The experimental FMS was deployed in quadrotor UASs and a ground station and GUI was designed to perform demonstrations and field experiments for the issues introduced in the paper.Yüksek LisansM.Sc

A methodology for the performance evaluation of inertial measurement units

This paper presents a methodology for a reliable comparison among Inertial Measurement Units or attitude estimation devices in a Vicon environment. The misalignment among the reference systems and the lack of synchronization among the devices are the main problems for the correct performance evaluation using Vicon as reference measurement system. We propose a genetic algorithm coupled with Dynamic Time Warping (DTW) to solve these issues. To validate the efficacy of the methodology, a performance comparison is implemented between the WB-3 ultra-miniaturized Inertial Measurement Unit (IMU), developed by our group, with the commercial IMU InertiaCube3™ by InterSense

ATTITUDE DETERMINATION OF A STUDENT SATELLITE USING ON-ORBIT MAGNETOMETER AND TEMPERATURE DATA

An extended Kalman filter is modified to support only magnetometer data as a measurement for spacecraft attitude information. Actual on-orbit data from a student satellite is used in the filter from three different time periods and varying data frequencies. The extended Kalman filter has a thermal model that utilizes external temperature data as a verification tool for filter convergence and for parameter tuning. It can capture the frequency of temperature changes and the correct side panel being lit by the sun as long as the filter converges properly, but not the magnitude of the temperature at a specific time. A solar panel power model is also attempted, which was found to be unusable due to power budget issues and the side panel current sensors railing. Convergence of the three sets of data showed that a 30 second snapshot rate converges to a more accurate attitude information when the satellite has a 0.1 rev/min rotation rate compared to the 1.0 rev/min rotation rate data. A 10 second snapshot rate gives more accurate attitude information for data from a satellite with a 1.0 rev/min rotation rate. By investigating the drastic reduction in the satellite’s rotation rate over 6 months, it was discovered that the satellite’s antenna is most likely magnetized, causing it to try to align itself with the Earth’s magnetic field, slowing down the rotation rate of the satellite from 1 rev/min to 0.1 rev/min

Magnetic Local Positioning System with Supplemental Magnetometer-Accelerometer Data Fusion

Geo-location and tracking technology, once confined to the industrial and military sectors, have been widely proliferated to the consumer world since early in the twenty-first century. The commoditization of Global Positioning System (GPS) and inertial measurement integrated circuits has made this possible, with devices small enough to fit in a cellular phone. However, GPS technology is not without its drawbacks: Its power use is high, and it can fail in smaller, obstructed spaces. Magnetic positioning, which exploits the magnetic field coupling between a set of transmitter beacon coils and a set of receiver coils, is an often overlooked, complementary technology that does not suffer from these problems. Magnetic positioning is strong where GPS is weak; however, it has some weaknesses of its own. Namely, it is subject to distortions due to metal objects in its immediate vicinity. In much of the prior art, these distortions are ignored or either statically measured and then corrected. This work presents a novel technique to dynamically correct for distorted fields. Specifically, a tri-axial magnetometer and a tri-axial accelerometer are integrated with the magnetic positioning system using a complementary Kalman filter. The end result resembles a tightly-coupled integrated GPS/inertial navigation system. The results achieved by this integrated magnetic positioning system prove the viability of the approach. The results are demonstrated in a real-world environment, where both strong, localized distortions and spatially broad distortions are corrected. In addition to the integrated magnetic position system, this work presents a novel scheme for calibrating the magnetic receiver; this technique is termed application domain calibration. In many real-world situations, low-level measurement and calibration will not be possible; therefore, this new technique uses the same set of demodulated and down-mixed data that is used by the magnetic positioning algorithms

Multimodal Noncontact Tracking of Surgical Instruments

For many procedures, open surgery is being replaced with minimally invasive surgical (MIS) techniques. The advantages of MIS include reduced operative trauma and fewer complications leading to faster patient recovery, better cosmetic results and shorter hospital stays. As the demand for MIS procedures increases, effective surgical training tools must be developed to improve procedure efficiency and patient safety. Motion tracking of laparoscopic instruments can provide objective skills assessment for novices and experienced users. The most common approaches to noncontact motion capture are optical and electromagnetic (EM) tracking systems, though each approach has operational limitations. Optical trackers are prone to occlusion and the performance of EM trackers degrades in the presence of magnetic and ferromagnetic material. The cost of these systems also limits their availability for surgical training and clinical environments. This thesis describes the development and validation of a novel, noncontact laparoscopic tracking system as an inexpensive alternative to current technology. This system is based on the fusion of inertial, magnetic and distance sensing to generate real-time, 6-DOF pose data. Orientation is estimated using a Kalman-filtered attitude-heading reference system (AHRS) and restricted motion at the trocar provides a datum from which position information can be recovered. The Inertial and Range-Enhanced Surgical (IRES) Tracker was prototyped, then validated using a MIS training box and by comparison to an EM tracking system. Results of IRES tracker testing showed similar performance to an EM tracker with position error as low as 1.25 mm RMS and orientation error \u3c0.58 degrees RMS along each axis. The IRES tracker also displayed greater precision and superior magnetic interference rejection capabilities. At a fraction of the cost of current laparoscopic tracking methods, the IRES tracking system would provide an excellent alternative for use in surgical training and skills assessment

Validation and Experimental Testing of Observers for Robust GNSS-Aided Inertial Navigation

This chapter is the study of state estimators for robust navigation. Navigation of vehicles is a vast field with multiple decades of research. The main aim is to estimate position, linear velocity, and attitude (PVA) under all dynamics, motions, and conditions via data fusion. The state estimation problem will be considered from two different perspectives using the same kinematic model. First, the extended Kalman filter (EKF) will be reviewed, as an example of a stochastic approach; second, a recent nonlinear observer will be considered as a deterministic case. A comparative study of strapdown inertial navigation methods for estimating PVA of aerial vehicles fusing inertial sensors with global navigation satellite system (GNSS)-based positioning will be presented. The focus will be on the loosely coupled integration methods and performance analysis to compare these methods in terms of their stability, robustness to vibrations, and disturbances in measurements

Survey of Motion Tracking Methods Based on Inertial Sensors: A Focus on Upper Limb Human Motion

Motion tracking based on commercial inertial measurements units (IMUs) has been widely studied in the latter years as it is a cost-effective enabling technology for those applications in which motion tracking based on optical technologies is unsuitable. This measurement method has a high impact in human performance assessment and human-robot interaction. IMU motion tracking systems are indeed self-contained and wearable, allowing for long-lasting tracking of the user motion in situated environments. After a survey on IMU-based human tracking, five techniques for motion reconstruction were selected and compared to reconstruct a human arm motion. IMU based estimation was matched against motion tracking based on the Vicon marker-based motion tracking system considered as ground truth. Results show that all but one of the selected models perform similarly (about 35 mm average position estimation error)