Metodologia para análise e mitigação de erros em sistemas de medição inercial utilizando redes neurais artificiais e movimento guiado para calibração de robôs

Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2021.Esta pesquisa tem como objetivo desenvolver uma metodologia para prever a posição de um robô durante seu movimento. A abordagem introduzida pode ser usada para criar um modelo de calibração de robô mais robusto do que os métodos disponíveis atualmente. A ideia é utilizar Sistemas de Medição Inercial (IMUs) e Redes Neurais Artificiais (RNAs) para realizar um tipo de navegação estimada (Dead Reckoning) do Elemento Terminal de um Robô ou Tool Center Point (TCP). Os sistemas IMUs são influenciados por ruídos em suas medições, e esses ruídos aumentam com o tempo, dessa forma, os valores de erro devem ser conhecidos e mitigados. Este estudo utilizou RNAs para reconhecer alvos característicos em um espaço vetorial durante o movimento guiado previamente programado do robô. O objetivo é mitigar o ruído do sistema de medição para que os valores se aproximem da precisão necessária para calibrar o robô. A contribuição da investigação será fornecer um método de navegação estimado capaz de alimentar o software do controlador e, assim, corrigir os desvios encontrados e calibrar a posição do TCP. A RNA foi capaz de prever a posição do elemento terminal com um erro máximo de 0.9 mm. Os resultados mostram que o método desenvolvido é satisfatório e pode ser adotado para retroalimentar o software que controla o robô sempre que ele perceber uma variação entre os valores nominais e os previstos pelo RNA. Além disso, o trabalho aplicou o conceito a outras redes neurais que representam o estado da arte, usando um conjunto de dados menor. A metodologia apresentada neste trabalho também pode ser extrapolada para outros problemas de posicionamento em tempo real.This research aims to develop a methodology to predict the position of a robot during its movement. The approach introduced can be used to create a more robust robot calibration model than currently available methods. The idea is to use Inertial Measurement Systems (IMUs) and Artificial Neural Networks (ANNs) to perform a type of estimated navigation (Dead Reckoning) of the Terminal Element of a Robot or Tool Center Point (TCP). IMU systems are influenced by noise in their measurements, and these noises increase over time, so error values must be known and mitigated. This study used ANNs to recognize characteristic targets in a vector space during the robot’s previously programmed guided movement. The objective is to mitigate the noise of the measurement system so that the values approach the precision needed to calibrate the robot. The contribution of the investigation will be to provide an estimated navigation method capable of feeding the controller software and, thus, correcting the deviations found and calibrating the TCP position. ANN was able to predict the position of the terminal element with a maximum error of 0.9 mm. The results show that the developed method is satisfactory and can be adopted to provide feedback to the software that controls the robot whenever it perceives a variation between the nominal values and those predicted by the ANN. Furthermore, the work applied the concept to other neural networks that represent the state-of-the-art, using a smaller dataset. The methodology presented in this work can also be extrapolated to other real-time positioning problems

Sistema modular de medição do movimento humano baseado em ROS e sensores inerciais

Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, 2019.O presente trabalho apresenta uma proposta de um sistema modular de medição do movimento humano baseado em ROS e sensores inerciais. O objetivo do projeto é projetar um protótipo de um sistema de medição dos ângulos da articulação do cotovelo utilizando duas IMUs, uma localizada no braço, próximo ao cotovelo e outra localizada no antebraço. O ROS facilita a interconexão entre as unidades de medição inercial possibilitando o acoplamento de múltiplas IMUs. O projeto final apresenta um sistema capaz de captar os ângulos da junta do braço através de dois MPU-6050 acoplados ao corpo que realizam a aquisição desses dados que são tratados e expostos como uma subtração das angulações do movimento de inclinação pitch e roll.The present work presents a proposal of a modular system of human movement measurement based on ROS and inertial sensors. The objective of the project is design a prototype of an elbow joint angle measurement system using two IMUs, one located in the arm, near the elbow and another located on the forearm. The ROS facilitates the interconnection between the inertial measurement units allowing the coupling of multiple IMUs. The final design features a system capable of capturing the arm joint angles through two MPU- 6050 coupled to the body that perform the acquisition of these data that are treated and exposed as a subtraction of the angles of pitch and roll tilt movement

Análise da influência das configurações dos pontos de apoio e do voo na acurácia de ortofotomosaicos elaborados a partir de dados de VANT

Recentemente, o uso dos Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) surgiu como uma ferramenta para a aquisição de dados geoespaciais. Os Modelos Digitais de Elevação (MDEs), as ortoimagens e os modelos tridimensionais gerados a partir de imagens de VANT são produtos cartográficos de grande utilidade para as mais diversas aplicações. Em vista das limitações dos VANTs e da recentidade desta ferramenta, este estudo visa determinar a correlação da configuração dos pontos de apoio e dos parâmetros do voo com a acurácia de ortofotomosaicos elaborados a partir de dados de VANT. Esta pesquisa utilizou dados de três levantamentos aerofotogramétricos distintos realizados com três aeronaves diferentes e considerou parâmetros relacionados à configuração dos pontos de apoio e à execução do voo. Foram gerados 200 ortofotomosaicos e 200 MDEs. Ao todo foram feitas 4616 observações de pontos de controle. Os resultados mostraram baixa correlação linear entre acurácia planimétrica e altimétrica. Os melhores resultados foram obtidos de forma inversa às alturas de voo. No geral, sob as condições de processamento utilizadas neste trabalho, recomenda-se o uso de 4 a 5 pontos de apoio por km², além do uso de voo cruzado.Recently, the use of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) emerged as a tool for geospatial data acquisition. Digital Elevation Models (DEMs), orthoimages and three- dimensional models generated from UAV images are cartographic products of great utility for many different applications. Considering the recency and limitations of UAV, this study aims at determining the correlation of ground control points and flight configuration with the accuracy of orthophotomosaics based on UAV data. This research used data from three different aerial surveys, performed with three different aircrafts, and considered parameters related to ground-control points distribution and to flight missions. 200 orthophotomosaics and 200 DEMs were generated and a total of 4616 ground-control points measurements were performed. Results did not show a linear correlation between planimetric and altimetric accuracy. The best correlation results were obtained inversely related to flight height. In general, under the processing conditions used in this work, we recommend the use of 4 control points per km² and a cross flight pattern

Desvio de Obstáculos Móveis em Andador Inteligente por meio das Técnicas de Desvio de Ponto Crítico e Campos Potenciais

Não disponível

Caracterización de unidades de medición inercial (IMUs) en estática y dinámica

Currently, systems based on inertial measurement units (IMUs) are used in order to perform analysis and measurements in the feld of human movement. An IMU has accelerometers, gyros and compasses inside, which allow it to measure and report changes in position and speed associated with weight phenomena experienced by a test mass found in the device reference frame. In order to characterize the system based on IMUs of the company Technaid SL, existing in the Technological Faculty of the Francisco José de Caldas District University, Bogotá, Colombia, it was proposed to generate results of its behavior in a static and dynamic way; for this, data was obtained from the sampling, following an established protocol; the study of the data was then performed by means of statistical tests adequate to the results; fnally, the calculation of absolute error, relative error, repeatability and reproducibility (data that did not exist in the technical characteristics of the equipment and required in motion investigations) was performed. This article gives an account of the procedure carried out in order to arrive at the measurement results: An absolute error of 0,348° in static conditions and 1,53° in dynamic conditions was obtained, which allows us to conclude that the sensors perform with a minimum margin of error both for dynamic and static situations and, therefore, ensure reliablity in its future use.Na atualidade, para fazer análises e medidas no campo do movimento humano, o uso de sistemas baseados em unidades de medição inercial (IMUs) é feito. Um IMU possui acelerômetros, giroscópios e bússolas inclusos, permitindo medir e relatar as mudanças de posição e velocidade associadas aos fenômenos de peso experimentados por uma massa de teste que se encontra no quadro de referência do dispositivo. Para caracterizar o sistema baseado em IMUs da empresa Technaid SL da Faculdade Tecnológica da Universidade do Distrito Francisco José de Caldas, Bogotá, Colômbia, foi proposto gerar resultados do comportamento de forma estática e dinâmica; para isso, os dados foram obtidos a partir da amostragem, seguindo um protocolo estabelecido; O estudo dos dados foi portanto realizado por meio de testes estatísticos adequados aos resultados; e depois, o cálculo do erro absoluto, erro relativo, repetibilidade e reprodutibilidade (dados que não existiam nas características técnicas do equipamento e exigido em pesquisas de movimento) foi feito. Este artigo fornece uma descrição do procedimento realizado para conseguir aos resultados das medições: obteve-se um erro absoluto de 0,348 ° em estática e 1,53 ° de dinâmica, o que permite concluir que os sensores executam com uma diferença de erro mínima tanto para situações dinâmicas como estáticas e, portanto, dar confabilidade para o uso future do mesmo.En la actualidad, para efectuar análisis y mediciones en el campo del movimiento humano, se hace uso de sistemas basados en unidades de medición inercial (IMUs, por sus siglas en inglés). Una IMU posee acelerómetros, giroscopios y brújulas en su interior, por lo que permite medir y reportar cambios de posición y velocidad asociados con fenómenos de peso experimentados por una masa de prueba que se encuentra en el marco de referencia del dispositivo. Con el fn de caracterizar el sistema basado en IMUs de la empresa Technaid SL, existente en la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia, se propuso generar resultados de su comportamiento de manera estática y dinámica; para ello, se obtuvieron datos a partir de la toma de muestras, siguiendo un protocolo establecido; posteriormente se realizó el estudio de los datos por medio de pruebas estadísticas adecuadas a los resultados; fnalmente se realizó el cálculo de error absoluto, error relativo, repetibilidad y reproducibilidad (datos inexistentes en las características técnicas del equipo y necesarios en investigaciones de movimiento). Este artículo da cuenta del procedimiento realizado para llegar a los resultados de mediciones: se obtuvo un error absoluto de 0,348° en estática y 1,53° en dinámica, lo que permite concluir que los sensores se desempeñan con un margen de error mínimo tanto para situaciones dinámicas como estáticas y, por ende, dan fabilidad para su uso futuro