[Robotics] Sensor Fusion, Autonomous Systems

Steps in Autonomous Systems

1. Sensing

2. Perception (Self-awareness and situational awareness): Localization, Positioning, Detection, Tracking

3. Planning

4. Act/Control

 

Sensing + Perception = Sensor Fusion

Perception + Planning = Navigation

 

 

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IMU-based Sensor Fusion

1. IMU만 사용하다보면 오차가 누적되어 Drift, Bias가 많아지게 됨. 이때 Encoder(모터에 장착되어 회전수/속도 등을 측정하는 센서)를 통해 실제로 얼마나 이동했는지를 보다 정확히 파악해 Odemetry (주행기록계)를 구현 -> 상대적 위치 파악

    Encoder + IMU => Localization

2. GPS (Global Positioning System) 통해 위치를 직접 측정 -> 절대적 위치, 출발점 파악

    GPS/GNSS => Positioning

 

IMU 외에도 camera, LiDAR 등의 센서들이 융합되어 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)를 해결

 

 

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Navigation

• GPS 단독 항법
• Dead Reckoning Navigation (관성항법장치): IMU 혹은 odemetry sensor를 통해 위치를 추정하는 기술. 마지막 GPS 수신 위치를 기준으로 차량의 위치를 이동 거리 정보를 주는 Vehicle Speed Seonsor와 이동 방향 정보를 주는 자이로 센서를 통해 추측함. GPS 전파가 완전히 차단된 공간에서뿐만이 아니라 GPS와 상시적으로 연동되어 실시간으로 오차를 보정, GPS의 위치 정확성을 향상시킴
• Inertia Navigation System (추측항법): IMU에 더불어 컴퓨터(네비게이션 알고리즘 및 연산능력)을 가지고 위치를 추정하는 기술

 

 

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IMU (Inertia Measurement Unit)

물체의 동착, 움직임을 측정하는 데에 최적화된 모듈. 우리의 귀랑 비슷함. 보통 2개 혹은 이상의 센서를 fusion하여 여러가지 정보를 복합적으로 사용. 이 융합에 사용되는 센서들은 Accelerometer, Gyroscope, Magnetometer, Barometer 이 있음

6 DoF(Accelerometer + Gyroscope)만으로도 물체의 움직임 자체는 충분히 표현 가능

 

Accelerometer

지구의 중력 가속도를 기준으로 사물이 얼마만큼의 힘을 받고 있는지를 측정. 센서에 작용하는 중력 가속도의 크기를 x, y, z 축의 벡터 3개로 나누어 측정. 정지된 상태에서도 특정한 값을 갖기 때문에 기울어진 정도나 진동을 파악하는 데에도 사용됨. 하지만 지표면에  수직인 면에 대해 회전하는 각은 측정할 수 없다는 단점이 있음. 이 3개의 벡터를 통해서 각 벡터를 축으로한 오일러 각을 구할 수 있음.

roll: x축에 대한 회전 (머리 갸웃갸웃)

pitch: y축에 대한 회전 (머리 끄덕 끄덕)

yaw: z축에 대한 회전 (머리 도리도리) - 중력 가속도 방향과 일치하는 z축에 대한 회전은 감지할 수 없기 때문에 yaw는 구할 수 없음. 이를 구하기 위해서는 자이로/자기장 센서 값이 추가로 필요함

 

Gyroscope

운동을 유지하고자 하는 성격을 이용하여 물체의 회전각도를 감지. 코리올리의 힘 (물체가 회전 좌표계에서 운동할 때 나타나는 관성력, 운동 방향과 직각 방향으로 질량과 속도에 비례한 크기의 힘)을 측정하여 전기적인 신호로 변환, 각속도를 산출함. 가속도 센서로 측정할 수 없는 방위각과 모든 축에 대한 회전각 정보를 제공.

 

Magnetometer

Earth's Magnetic Field를 측정하는 센서, 지구를 Reference Frame (Absolute Coodinate)으로 고정시켜주는 것

 

Barometer

대기의 압력을 측정하는 센서. 보통 대기압의 차이에 따른 고도를 측정하기 위해 사용되므로 Altimeter라고도 불림 (Barometer는 상대 고도계이고, 절대 고도계의 예시로는 GPS)

 

 

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References

• https://m.blog.naver.com/ccaa09/220704142932
• https://m.blog.naver.com/sungnavi/40184409731
• https://m.blog.naver.com/ycpiglet/222891697796
• https://m.blog.naver.com/ycpiglet/222940329213