[論文レビュー] Self-calibration of a differential wheeled robot using only a gyroscope and a distance sensor

Carlos García-Saura|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2015

Astronomical Observations and Instrumentation被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ホイールエンコーダーを用いず、ジャイロスコープと赤外線距離センサのみを用いて、差動走行ロボットの自己キャリブレーション手法を提示する。この手法により、モータ応答、ヨー制御、線形速度の自己キャリブレーションが可能となり、実験では6 cm/mの線形ドリフトと2°/minの回転ドリフトを達成した。

ABSTRACT

Research in mobile robotics often demands platforms that have an adequate balance between cost and reliability. In the case of terrestrial robots, one of the available options is the GNBot, an open-hardware project intended for the evaluation of swarm search strategies. The lack of basic odometry sensors such as wheel encoders had so far difficulted the implementation of an accurate high-level controller in this platform. Thus, the aim of this thesis is to improve motion control in the GNBot by incorporating a gyroscope whilst maintaining the requisite of no wheel encoders. Among the problems that have been tackled are: accurate in-place rotations, minimal drift during linear motions, and arc-performing functionality. Additionally, the resulting controller is calibrated autonomously by using both the gyroscope module and the infrared rangefinder on board each robot, greatly simplifying the calibration of large swarms. The report first explains the design decisions that were made in order to implement the self-calibration routine, and then evaluates the performance of the new motion controller by means of off-line video tracking. The motion accuracy of the new controller is also compared with the previously existing solution in an odor search experiment.

研究の動機と目的

• ホイールエンコーダーが欠落している低価格なGNBotロボットにおける信頼性の低いオドメトリの問題を解決する。
• 最小限の線形ドリフト、正確なインプレイス回転、正確な弧運動を実現し、高水準の制御を可能にする。
• ユーザーによる調整を排除するため、オンボードセンサのみを用いた自律的キャリブレーション手順を開発する。
• ユーザー依存のキャリブレーションを排除することで、大規模なロボットスワームへのスケーラブルな展開を可能にする。
• 向上した運動精度により、臭い探査およびナビゲーションタスクのパフォーマンスを向上させる。

提案手法

• 静的条件下でのヨードリフトを最小限に抑えるために、経験的ドリフト測定を用いてジャイロスコープ出力をキャリブレートする。
• ジャイロスコープフィードバックを用いて、個々のモータ応答曲線をマッピングし、入力電圧と回転速度の関係を特定する。
• Ziegler-Nicholsの自動チューニングを用いたPIDヨー制御器を実装し、正確な回転制御を達成する。
• 赤外線距離センサ（GP2Y0A21YK0F）の応答を線形化し、距離に基づく速度推定を可能にする。
• キャリブレート済みのヨー制御と距離センシングを統合し、線形速度を推定し、前進運動のキャリブレーションを実現する。
• 壁の配置のみを要する92秒間の自律的キャリブレーションシーケンスを実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 差動走行ロボットがジャイロスコープと赤外線距離センサのみを用いて、高精度な運動制御を達成できるか？
• RQ2 外部基準やホイールエンコーダーを用いずに、ジャイロスコープドリフトをどのように補正できるか？
• RQ3 ジャイロスコープと赤外線データのセンサフュージョンを用いて、モータ応答と線形速度をどの程度までキャリブレートできるか？
• RQ4 自己キャリブレーションプロセスは、従来の非キャリブレート制御器と比較して、軌道精度をどのように向上させるか？
• RQ5 速度が新しい制御器における位置決めの再現性とドリフトに与える影響は何か？

主な発見

• 自己キャリブレーションプロセスは、ユーザーによる調整を完全に排除し、壁の配置のみを要件として92秒で完了した。
• 低速域（2–6 cm/s）では線形ドリフトが6 cm/m、高速域（6–10 cm/s）では9 cm/mに増加した。
• 運動中、ヨーのドリフトは約2°/minにまで低減され、ヨー安定性が顕著に向上した。
• 新しい制御器は、理論的パスに近い正確な壁反射臭い探査軌道を達成したが、従来の制御器では大きなヨーのドリフトが見られた。
• 動画追跡により、さまざまな速度での正方形および円形軌道において高い再現性が確認され、わずかな偏差しか示さなかった。
• 本手法により、従来、劣悪なオドメトリにより制限されていた高水準タスク（臭い探査、環境マッピングなど）においても、信頼性の高い性能が達成された。