Inertial Measurement Unit Based Instrumentation for Pose Estimation and Contact Detection in a Forestry Crane

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-05-08
Department
Major/Subject
Control, Robotics and Autonomous Systems
Mcode
ELEC3025
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
37+3
Series
Abstract
Autonomous or semi-autonomous forestry machines require the hydraulic crane to be accurately controlled. This thesis presents a method of estimating the crane pose and detecting collisions using commercial inertial measurement units (IMUs). A hydraulic crane was instrumented with six temperature-calibrated IMUs, and motion sequences were recorded. A Kalman filter solution based on the directional cosine matrix was used to estimate IMU poses, which were used to calculate crane joint angles with well under 1 degree accuracy, in the presence of transient accelerations. The accuracy on a hydraulic crane in the field is comparable to what prior research has achieved in bench tests. Impacts were detected and located based on IMU acceleration measurements and their time differences. Initial results suggest that an accuracy of 1 metre is possible. This is the first research of its kind on commercial IMUs, and related, microphone-based collision location research does not include an estimate of accuracy.

Autonomiset tai semiautonomiset metsätyökoneet vaativat hydraulinosturin tarkkaa ohjausta. Tässä työssä esitellään menetelmä arvioida nosturin asentoa ja havaita törmäyksiä kaupallisilla inertiaalimittausyksiköillä (IMUilla). Hydraulinosturi instrumentoitiin kuudella lämpötilakalibroidulla inertiaalimittausyksiköllä, ja niillä tallennettiin liikesarjoja. Suuntakosinimatriisiin pohjautuvalla Kalman-suodattimella arvioitiin IMUjen asentoja, joista laskettiin nosturin nivelkulmia alle asteen tarkkuudella, transienteista kiihtyvyyksistä huolimatta. Tarkkuus hydraulinosturissa kentällä on verrattavissa aikaisempiin tutkimustuloksiin testipenkissä. Iskuja havaittiin ja paikannettiin IMUjen kiihtyvyysmittausten ja niiden aikaerojen pohjalta. Alkuvaiheen tulokset viittaavat mahdolliseen yhden metrin tarkkuuteen. Tämä on laatuaan ensimmäinen tutkimustulos kaupallisilla inertiaalimittausyksiköillä, eikä aihetta sivuava mikrofonipohjainen iskunpaikannustutkimus sisällä arviota tarkkuudesta.
Description
Supervisor
Visala, Arto
Thesis advisor
Hyyti, Heikki
Keywords
IMU, contact detection, pose estimation, forestry crane
Other note
Citation