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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2011.tde-25082011-162939
Document
Author
Full name
Douglas Daniel Sampaio Santana
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2011
Supervisor
Committee
Furukawa, Celso Massatoshi (President)
Bueno, Samuel Siqueira
Fleury, Agenor de Toledo
Kuga, Hélio Koiti
Tannuri, Eduardo Aoun
Title in Portuguese
Navegação terrestre usando unidade de medição inercial de baixo desempenho e fusão sensorial com filtro de Kalman adaptativo suavizado.
Keywords in Portuguese
Estimação não linear
Filtros de Kalman
Fusão sensorial
Navegação inercial
Sensores inerciais
Abstract in Portuguese
Apresenta-se o desenvolvimento de modelos matemáticos e algoritmos de fusão sensorial para navegação terrestre usando uma unidade de medição inercial (UMI) de baixo desempenho e o Filtro Estendido de Kalman. Os modelos foram desenvolvidos com base nos sistemas de navegação inercial strapdown (SNIS). O termo baixo desempenho refere-se à UMIs que por si só não são capazes de efetuar o auto- alinhamento por girocompassing. A incapacidade de se navegar utilizando apenas uma UMI de baixo desempenho motiva a investigação de técnicas que permitam aumentar o grau de precisão do SNIS com a utilização de sensores adicionais. Esta tese descreve o desenvolvimento do modelo completo de uma fusão sensorial para a navegação inercial de um veículo terrestre usando uma UMI de baixo desempenho, um hodômetro e uma bússola eletrônica. Marcas topográficas (landmarks) foram instaladas ao longo da trajetória de teste para se medir o erro da estimativa de posição nesses pontos. Apresenta-se o desenvolvimento do Filtro de Kalman Adaptativo Suavizado (FKAS), que estima conjuntamente os estados e o erro dos estados estimados do sistema de fusão sensorial. Descreve-se um critério quantitativo que emprega as incertezas de posição estimadas pelo FKAS para se determinar a priori, dado os sensores disponíveis, o intervalo de tempo máximo que se pode navegar dentro de uma margem de confiabilidade desejada. Conjuntos reduzidos de landmarks são utilizados como sensores fictícios para testar o critério de confiabilidade proposto. Destacam-se ainda os modelos matemáticos aplicados à navegação terrestre, unificados neste trabalho. Os resultados obtidos mostram que, contando somente com os sensores inerciais de baixo desempenho, a navegação terrestre torna-se inviável após algumas dezenas de segundos. Usando os mesmos sensores inerciais, a fusão sensorial produziu resultados muito superiores, permitindo reconstruir trajetórias com deslocamentos da ordem de 2,7 km (ou 15 minutos) com erro final de estimativa de posição da ordem de 3 m.
Title in English
Terrestrial navigation using low-grade inertial measurement unit and sensor fusion with smoothed adaptive Kalman filter.
Keywords in English
Inertial navigation
Inertial sensors
Kalman filters
Nonlinear estimation
Sensor fusion
Abstract in English
This work presents the development of the mathematical models and the algorithms of a sensor fusion system for terrestrial navigation using a low-grade inertial measurement unit (IMU) and the Extended Kalman Filter. The models were developed on the basis of the strapdown inertial navigation systems (SINS). Low-grade designates an IMU that is not able to perform girocompassing self-alignment. The impossibility of navigating relying on a low performance IMU is the motivation for investigating techniques to improve the SINS accuracy with the use of additional sensors. This thesis describes the development of a comprehensive model of a sensor fusion for the inertial navigation of a ground vehicle using a low-grade IMU, an odometer and an electronic compass. Landmarks were placed along the test trajectory in order to allow the measurement of the error of the position estimation at these points. It is presented the development of the Smoothed Adaptive Kalman Filter (SAKF), which jointly estimates the states and the errors of the estimated states of the sensor fusion system. It is presented a quantitative criteria which employs the position uncertainties estimated by SAKF in order to determine - given the available sensors, the maximum time interval that one can navigate within a desired reliability. Reduced sets of landmarks are used as fictitious sensors to test the proposed reliability criterion. Also noteworthy are the mathematical models applied to terrestrial navigation that were unified in this work. The results show that, only relying on the low performance inertial sensors, the terrestrial navigation becomes impracticable after few tens of seconds. Using the same inertial sensors, the sensor fusion produced far better results, allowing the reconstruction of trajectories with displacements of about 2.7 km (or 15 minutes) with a final error of position estimation of about 3 m.
 
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Publishing Date
2011-09-09
 
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