AM 09: Inertialnavigation - Versionsgeschichte

Ulrich Schneider: /* Erwartungen an die Projektlösung */

2017-01-15T18:14:53Z

Erwartungen an die Projektlösung

← Nächstältere Version		Version vom 15. Januar 2017, 20:14 Uhr
Zeile 16:		Zeile 16:
	*Aufbau und Integration der Inertialsensorik (Kompass, 3-Achs-Gyros, 3-Achs-Beschleunigungsmesser)		*Aufbau und Integration der Inertialsensorik (Kompass, 3-Achs-Gyros, 3-Achs-Beschleunigungsmesser)
	*Kalibrierung der Sensoren		*Kalibrierung der Sensoren
	*Inertialnavigation (~~Sensordatendfusion~~) anhand der IMU		*Inertialnavigation (Sensordatenfusion) anhand der IMU
	*Darstellung der Ergebnisse im Vergleich zur Referenz		*Darstellung der Ergebnisse im Vergleich zur Referenz
	*Erstellen Sie ein faszinierendes Video, welches die Funktion visualisiert.		*Erstellen Sie ein faszinierendes Video, welches die Funktion visualisiert.

Hanno Kerber: /* Entwicklung der Software */

2017-01-13T21:49:42Z

Entwicklung der Software

← Nächstältere Version		Version vom 13. Januar 2017, 23:49 Uhr
Zeile 135:		Zeile 135:


	'''Beschreibung des Matlab-Programms[https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Matlab-Model/IMU3dModel/ IMU3dModel.m]'''		'''Beschreibung des Matlab-Programms [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Matlab-Model/IMU3dModel/ IMU3dModel.m]'''

	Das Matlab-Script IMU3dModel.m stellt eine serielle USB Kommunikation zu einem Arduino her und liest kontinuierlich Daten ein. Es speichert dabei die Lagewinkel für die Längs-, Quer- und Hochachse wie sie vom Arduino mit dem Inertialnavigation.ino Programm gesendet werden.		Das Matlab-Script IMU3dModel.m stellt eine serielle USB Kommunikation zu einem Arduino her und liest kontinuierlich Daten ein. Es speichert dabei die Lagewinkel für die Längs-, Quer- und Hochachse wie sie vom Arduino mit dem Inertialnavigation.ino Programm gesendet werden.

Hanno Kerber: /* Zusammenfassung */

2017-01-13T21:48:20Z

Zusammenfassung

← Nächstältere Version		Version vom 13. Januar 2017, 23:48 Uhr
Zeile 144:		Zeile 144:
	= Zusammenfassung =		= Zusammenfassung =

	~~Die Inertialnavigation mithilfe ein Sensor~~ ist		Durch die Anordnung von drei Lagesensoren mit verschiedener Messtechnik auf einer sehr kleinen Fläche und zu einem erschwinglichen Preis bieten sich viele Möglichkeiten und Einsatzgebiete für IMUs. Da alle drei Sensoren den gleichen Bewegungen ausgesetzt werden, ist die Fusion der Sensordaten eine gute Möglichkeit, die Genauigkeit der Messdaten zu erhöhen.

	== Ausblick ==		== Ausblick ==

			Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme der inertialen Messeinheit und der verlässlichen Bestimmung von Lagedaten kann die Technik der Inertialnavigation nun als wichtige Sensoreinheit Einsatz auf dem ArduMower und dem ArduMower Mini finden. Unabdingbar ist er beispielsweise für die eigenständige Navigation des Roboters und für sichheitsrelevante Features wie der Abschaltautomatik beim Anheben oder Umkippen des Mähroboters.

	= Weiterführende Links =		= Weiterführende Links =

Hanno Kerber: /* Entwicklung der Software */

2017-01-13T21:27:48Z

Entwicklung der Software

← Nächstältere Version		Version vom 13. Januar 2017, 23:27 Uhr
Zeile 140:		Zeile 140:
	Innerhalb von Matlab wird nun eine 3d Form gezeichnet, deren Eckpunkte durch Rotationsmatrizen für X-, Y- und Z-Achse und entsprechend den eingelesenen Nick-, Roll- und Gierwinkel rotiert werden. Auch der Status der vom Arduino durchgeführten Kalibrierung wird von Matlab eingelesen und während des Kalibriervorgangs erscheint das 3d-Modell in einer anderen Farbe.		Innerhalb von Matlab wird nun eine 3d Form gezeichnet, deren Eckpunkte durch Rotationsmatrizen für X-, Y- und Z-Achse und entsprechend den eingelesenen Nick-, Roll- und Gierwinkel rotiert werden. Auch der Status der vom Arduino durchgeführten Kalibrierung wird von Matlab eingelesen und während des Kalibriervorgangs erscheint das 3d-Modell in einer anderen Farbe.

	Das Matlab-Programm [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Matlab-Model/KalmanFilter/ KalmanFilter] ist eine Weiterentwicklung des Scripts zur Visualisierung und implementiert ~~einen~~ Kalman-Filter für die ~~Verbesserte~~ Genauigkeit der Lagewinkel. Entwickelt wurde dieses Script unter Verwendung von ~~Phil~~ Kim ~~(2016)~~: Kalman-Filter für Einsteiger		Das Matlab-Programm [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Matlab-Model/KalmanFilter/ KalmanFilter] ist eine Weiterentwicklung des Scripts zur Visualisierung und implementiert ein Kalman-Filter für die verbesserte Genauigkeit der Lagewinkel. Entwickelt wurde dieses Script unter Verwendung von 'Kim, P.: Kalman-Filter für Einsteiger, mit Matlab Beispielen.'. Es befindet sich noch in der Entwicklung, zeigt allerdings schon die Vorteile der Sensordatenfusion.

	= Zusammenfassung =		= Zusammenfassung =

Hanno Kerber: /* Entwicklung der Software */

2017-01-13T21:16:57Z

Entwicklung der Software

← Nächstältere Version		Version vom 13. Januar 2017, 23:16 Uhr
Zeile 139:		Zeile 139:
	Das Matlab-Script IMU3dModel.m stellt eine serielle USB Kommunikation zu einem Arduino her und liest kontinuierlich Daten ein. Es speichert dabei die Lagewinkel für die Längs-, Quer- und Hochachse wie sie vom Arduino mit dem Inertialnavigation.ino Programm gesendet werden.		Das Matlab-Script IMU3dModel.m stellt eine serielle USB Kommunikation zu einem Arduino her und liest kontinuierlich Daten ein. Es speichert dabei die Lagewinkel für die Längs-, Quer- und Hochachse wie sie vom Arduino mit dem Inertialnavigation.ino Programm gesendet werden.
	Innerhalb von Matlab wird nun eine 3d Form gezeichnet, deren Eckpunkte durch Rotationsmatrizen für X-, Y- und Z-Achse und entsprechend den eingelesenen Nick-, Roll- und Gierwinkel rotiert werden. Auch der Status der vom Arduino durchgeführten Kalibrierung wird von Matlab eingelesen und während des Kalibriervorgangs erscheint das 3d-Modell in einer anderen Farbe.		Innerhalb von Matlab wird nun eine 3d Form gezeichnet, deren Eckpunkte durch Rotationsmatrizen für X-, Y- und Z-Achse und entsprechend den eingelesenen Nick-, Roll- und Gierwinkel rotiert werden. Auch der Status der vom Arduino durchgeführten Kalibrierung wird von Matlab eingelesen und während des Kalibriervorgangs erscheint das 3d-Modell in einer anderen Farbe.

			Das Matlab-Programm [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Matlab-Model/KalmanFilter/ KalmanFilter] ist eine Weiterentwicklung des Scripts zur Visualisierung und implementiert einen Kalman-Filter für die Verbesserte Genauigkeit der Lagewinkel. Entwickelt wurde dieses Script unter Verwendung von Phil Kim (2016): Kalman-Filter für Einsteiger

	= Zusammenfassung =		= Zusammenfassung =

Hanno Kerber: /* Zusammenfassung */

2017-01-13T21:07:02Z

Zusammenfassung

← Nächstältere Version		Version vom 13. Januar 2017, 23:07 Uhr
Zeile 141:		Zeile 141:

	= Zusammenfassung =		= Zusammenfassung =

			Die Inertialnavigation mithilfe ein Sensor ist

	== Ausblick ==		== Ausblick ==

Hanno Kerber: /* Durchführung */

2017-01-13T21:03:31Z

Durchführung

← Nächstältere Version		Version vom 13. Januar 2017, 23:03 Uhr
Zeile 98:		Zeile 98:


	= ~~Durchführung~~ =		= Entwicklung der Software=

	[[Datei:Rollpitchyawplain_deutsch.png\|350px\|thumb\|Abbildung 3: Rotationsachsen]]		[[Datei:Rollpitchyawplain_deutsch.png\|350px\|thumb\|Abbildung 3: Rotationsachsen]]
Zeile 132:		Zeile 132:
	Der Gyrosensor misst die Winkelgeschwindigkeit. Soll aus dieser der relative Winkel berechnet werden, müssen die Sensordaten integriert werden. Im Programm wird dafür die Zeit in Millisekunden pro Schleifendurchlauf gemessen und in der Variable timediff gespeichert. Für die Berechnung des Winkels wird nun in jedem Durchlauf der aktuelle Wert mit der Zeitdifferenz multipliziert und zu dem aktuellen Winkel addiert. In einer Kalibrierungsphase wird zudem nach dem Start des Programms eine Driftkorrektur berechnet und in gespeichert, um den Winkelwert zu verbessern.		Der Gyrosensor misst die Winkelgeschwindigkeit. Soll aus dieser der relative Winkel berechnet werden, müssen die Sensordaten integriert werden. Im Programm wird dafür die Zeit in Millisekunden pro Schleifendurchlauf gemessen und in der Variable timediff gespeichert. Für die Berechnung des Winkels wird nun in jedem Durchlauf der aktuelle Wert mit der Zeitdifferenz multipliziert und zu dem aktuellen Winkel addiert. In einer Kalibrierungsphase wird zudem nach dem Start des Programms eine Driftkorrektur berechnet und in gespeichert, um den Winkelwert zu verbessern.

	Am Schluss der Hauptschleife werden die Winkel für Gieren, Nicken und Rollen (siehe Abbildung 3) über die serielle Verbindung vom Arduino-Board an den PC gesendet und können dann z.B. durch das [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Matlab-Model/IMU3dModel/ Matlab-Script IMU3dModel.m] visualisiert werden~~. Oder~~ direkt für die Weiterverarbeitung innerhalb der ArduMower oder ArduMower Mini Software verwendet werden.		Am Schluss der Hauptschleife werden die Winkel für Gieren, Nicken und Rollen (siehe Abbildung 3) über die serielle Verbindung vom Arduino-Board an den PC gesendet und können dann z.B. durch das [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Matlab-Model/IMU3dModel/ Matlab-Script IMU3dModel.m] visualisiert werden oder direkt für die Weiterverarbeitung innerhalb der ArduMower oder ArduMower Mini Software verwendet werden.

Hanno Kerber: /* Durchführung */

2017-01-13T21:01:07Z

Durchführung

← Nächstältere Version		Version vom 13. Januar 2017, 23:01 Uhr
Zeile 138:		Zeile 138:

	Das Matlab-Script IMU3dModel.m stellt eine serielle USB Kommunikation zu einem Arduino her und liest kontinuierlich Daten ein. Es speichert dabei die Lagewinkel für die Längs-, Quer- und Hochachse wie sie vom Arduino mit dem Inertialnavigation.ino Programm gesendet werden.		Das Matlab-Script IMU3dModel.m stellt eine serielle USB Kommunikation zu einem Arduino her und liest kontinuierlich Daten ein. Es speichert dabei die Lagewinkel für die Längs-, Quer- und Hochachse wie sie vom Arduino mit dem Inertialnavigation.ino Programm gesendet werden.
	Innerhalb von Matlab wird nun eine 3d Form gezeichnet, deren Eckpunkte durch Rotationsmatrizen für X-, Y- und Z-Achse und entsprechend den eingelesenen Nick-, Roll- und Gierwinkel rotiert werden.		Innerhalb von Matlab wird nun eine 3d Form gezeichnet, deren Eckpunkte durch Rotationsmatrizen für X-, Y- und Z-Achse und entsprechend den eingelesenen Nick-, Roll- und Gierwinkel rotiert werden. Auch der Status der vom Arduino durchgeführten Kalibrierung wird von Matlab eingelesen und während des Kalibriervorgangs erscheint das 3d-Modell in einer anderen Farbe.

	= Zusammenfassung =		= Zusammenfassung =

Hanno Kerber: /* Durchführung */

2017-01-13T20:57:40Z

Durchführung

← Nächstältere Version		Version vom 13. Januar 2017, 22:57 Uhr
Zeile 132:		Zeile 132:
	Der Gyrosensor misst die Winkelgeschwindigkeit. Soll aus dieser der relative Winkel berechnet werden, müssen die Sensordaten integriert werden. Im Programm wird dafür die Zeit in Millisekunden pro Schleifendurchlauf gemessen und in der Variable timediff gespeichert. Für die Berechnung des Winkels wird nun in jedem Durchlauf der aktuelle Wert mit der Zeitdifferenz multipliziert und zu dem aktuellen Winkel addiert. In einer Kalibrierungsphase wird zudem nach dem Start des Programms eine Driftkorrektur berechnet und in gespeichert, um den Winkelwert zu verbessern.		Der Gyrosensor misst die Winkelgeschwindigkeit. Soll aus dieser der relative Winkel berechnet werden, müssen die Sensordaten integriert werden. Im Programm wird dafür die Zeit in Millisekunden pro Schleifendurchlauf gemessen und in der Variable timediff gespeichert. Für die Berechnung des Winkels wird nun in jedem Durchlauf der aktuelle Wert mit der Zeitdifferenz multipliziert und zu dem aktuellen Winkel addiert. In einer Kalibrierungsphase wird zudem nach dem Start des Programms eine Driftkorrektur berechnet und in gespeichert, um den Winkelwert zu verbessern.

	Am Schluss der Hauptschleife werden die Winkel für Gieren, Nicken und Rollen (siehe Abbildung 3) über die serielle Verbindung vom Arduino-Board an den PC gesendet und können dann z.B. durch das [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Matlab-Model/IMU3dModel/ Matlab-Script IMU3dModel.m] ~~weiterverarbeitet~~ werden.		Am Schluss der Hauptschleife werden die Winkel für Gieren, Nicken und Rollen (siehe Abbildung 3) über die serielle Verbindung vom Arduino-Board an den PC gesendet und können dann z.B. durch das [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Matlab-Model/IMU3dModel/ Matlab-Script IMU3dModel.m] visualisiert werden. Oder direkt für die Weiterverarbeitung innerhalb der ArduMower oder ArduMower Mini Software verwendet werden.


			'''Beschreibung des Matlab-Programms[https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Matlab-Model/IMU3dModel/ IMU3dModel.m]'''

			Das Matlab-Script IMU3dModel.m stellt eine serielle USB Kommunikation zu einem Arduino her und liest kontinuierlich Daten ein. Es speichert dabei die Lagewinkel für die Längs-, Quer- und Hochachse wie sie vom Arduino mit dem Inertialnavigation.ino Programm gesendet werden.
			Innerhalb von Matlab wird nun eine 3d Form gezeichnet, deren Eckpunkte durch Rotationsmatrizen für X-, Y- und Z-Achse und entsprechend den eingelesenen Nick-, Roll- und Gierwinkel rotiert werden.

	= Zusammenfassung =		= Zusammenfassung =

Hanno Kerber: /* Durchführung */

2017-01-13T20:36:57Z

Durchführung

← Nächstältere Version		Version vom 13. Januar 2017, 22:36 Uhr
Zeile 99:		Zeile 99:

	= Durchführung =		= Durchführung =

			[[Datei:Rollpitchyawplain_deutsch.png\|350px\|thumb\|Abbildung 3: Rotationsachsen]]

	'''Beschreibung des Hauptprogramms [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Inertialnavigation/Inertialnavigation.ino Inertialnavigation.ino]'''		'''Beschreibung des Hauptprogramms [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Inertialnavigation/Inertialnavigation.ino Inertialnavigation.ino]'''


	Initialisierung		Initialisierung

	''Beispiel Beschleunigungssensor:''		''Beispiel Beschleunigungssensor:''

	ADXL345 accel; // erstelle Accelerometer Objekt		ADXL345 accel; // erstelle Accelerometer Objekt
Zeile 110:		Zeile 113:
	FilterOnePole lowPass_ax(LOWPASS, 0.5); // Erstellen eines Tiefpassfilter Objekts, 0.5 Hz Filterfrequenz (für alle drei Achsen separat)		FilterOnePole lowPass_ax(LOWPASS, 0.5); // Erstellen eines Tiefpassfilter Objekts, 0.5 Hz Filterfrequenz (für alle drei Achsen separat)
	accel.initialize(); // Initialisieren des Accelerometer Sensors in der Setup Routine		accel.initialize(); // Initialisieren des Accelerometer Sensors in der Setup Routine


	Nachdem Objekte für die einzelnen Sensor-Bibliotheken angelegt wurden, werden diese innerhalb der Setup-Routine initialisiert. Hier können auch Einstellungen an den Sensoren vorgenommen werden. Innerhalb der Main/Loop Routine werden nun kontinuierlich Sensorrohdaten eingelesen und anschließend mit einen Tiefpassfilter gefiltert. Es folgen Berechnungen um die Rohdaten in Winkel umzurechnen.		Nachdem Objekte für die einzelnen Sensor-Bibliotheken angelegt wurden, werden diese innerhalb der Setup-Routine initialisiert. Hier können auch Einstellungen an den Sensoren vorgenommen werden. Innerhalb der Main/Loop Routine werden nun kontinuierlich Sensorrohdaten eingelesen und anschließend mit einen Tiefpassfilter gefiltert. Es folgen Berechnungen um die Rohdaten in Winkel umzurechnen.


	''Beispiel Gyrosensor:''		''Beispiel Gyrosensor:''
Zeile 123:		Zeile 128:


	[[Datei:~~Rollpitchyawplain_deutsch~~.~~png~~\|350px\|thumb\|Abbildung 3: ~~Rotationsachsen~~]]		[[Datei:InertialnavigationMatlabModel.PNG\|350px\|thumb\|Abbildung 4: Visualisierung der Sensorlage]]


	Der Gyrosensor misst die Winkelgeschwindigkeit. Soll aus dieser der relative Winkel berechnet werden, müssen die Sensordaten integriert werden. Im Programm wird dafür die Zeit in Millisekunden pro Schleifendurchlauf gemessen und in der Variable timediff gespeichert. Für die Berechnung des Winkels wird nun in jedem Durchlauf der aktuelle Wert mit der Zeitdifferenz multipliziert und zu dem aktuellen Winkel addiert. In einer Kalibrierungsphase wird zudem nach dem Start des Programms eine Driftkorrektur berechnet und in gespeichert, um den Winkelwert zu verbessern.		Der Gyrosensor misst die Winkelgeschwindigkeit. Soll aus dieser der relative Winkel berechnet werden, müssen die Sensordaten integriert werden. Im Programm wird dafür die Zeit in Millisekunden pro Schleifendurchlauf gemessen und in der Variable timediff gespeichert. Für die Berechnung des Winkels wird nun in jedem Durchlauf der aktuelle Wert mit der Zeitdifferenz multipliziert und zu dem aktuellen Winkel addiert. In einer Kalibrierungsphase wird zudem nach dem Start des Programms eine Driftkorrektur berechnet und in gespeichert, um den Winkelwert zu verbessern.

	Am Schluss der Hauptschleife werden die Winkel für Gieren, Nicken und Rollen (siehe Abbildung 3) über die serielle Verbindung vom Arduino-Board an den PC gesendet und können dann z.B. durch das [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Matlab-Model/IMU3dModel/ Matlab-Script IMU3dModel.m] weiterverarbeitet werden.		Am Schluss der Hauptschleife werden die Winkel für Gieren, Nicken und Rollen (siehe Abbildung 3) über die serielle Verbindung vom Arduino-Board an den PC gesendet und können dann z.B. durch das [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/ArduMower/Fachbereich%205%20Software/5.4%20Inertialnavigation/Matlab-Model/IMU3dModel/ Matlab-Script IMU3dModel.m] weiterverarbeitet werden.


	~~[[Datei:InertialnavigationMatlabModel.PNG\|350px\|thumb\|Abbildung 4: Visualisierung der Sensorlage]]~~

	= Zusammenfassung =		= Zusammenfassung =