Full three-axis magnetometer and gyroscope bias estimation using angular rate measurements
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Date
2023
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Abstract
La exploración oceánica ha experimentado avances significativos debido al desarrollo de los vehículos submarinos, sin embargo, los elevados costos de los actuales vehículos de gama alta limitan su uso generalizado. Como alternativa, se han explorado vehículos de bajo costo, pero su limitada navegación restringe su uso a misiones de baja precisión, para lo cual esta tesis propone una metodología novedosa que busca una navegacion precisa. Los sistemas de referencia de actitud y rumbo (AHRS, por sus siglas en inglés) basados en sistemas microelectromecánicos (MEMS, por sus siglas en inglés) son ampliamente utilizados para determinar la orientación de un sistema, sin embargo, su precisión se ve limitada por los sesgos en las medición de los sensores que lo componen. Esta tesis propone el método de calibración iterativa de magnetómetro y giróscopo, denominado MAGICAL, por sus siglas en inglés, el cual utiliza medidas de velocidad angular, permitiéndole ser menos restrictivo en cuanto a los movimientos necesarios para la calibración, no requiere conocimiento del campo magnético local ni de la orientación del sistema, y puede integrarse en algoritmos de grafos de factores. Este método puede ser implementado de cuatro formas, utilizando mínimos cuadrados iterativos lineales y no lineales, y utilizando grafos de factores, tanto en forma incremental como incluyendo todas las mediciones.
El método propuesto se compara con el estado del arte tanto en simulaciones numéricas como en evaluaciones experimentales en terreno, utliizando un sensor a bordo de un vehículo submarino. Con MAGICAL, el error de estimación de la posición del vehículo submarino se redujo del 10% al 0,5% de la distancia recorrida, demostrando que MAGICAL puede mejorar significativamente la precisión de los sistemas de navegación de bajo costo y dar pie a uso más generalizado de los vehículos submarinos en misiones oceanograficas.
Description
Tesis (Master of Science in Engineering)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2023
Keywords
Robótica marina, Fusión de sensores, Calibración de hard-iron y soft-iron en magnetómetros, Navegación doppler, Calibración del sesgo del giróscopo