Tarımsal Robot Uygulamaları için Küçük Boyutlu ve Düşük Maliyetli Konum Ölçüm Ünitesinin Geliştirilmesi

Development of a Small-sized and Low-cost Attitude Measurement Unit for Agricultural Robot Application

Özet

Bu çalışmanın amacı; hafif, küçük boyutlu ve uygun maliyetli tarımsal robot uygulamaları için konum ölçümlerini sağlayan küçük boyutlu ve düşük maliyetli bir ünitenin geliştirilmesidir. Konum ölçüm ünitesi; bir elektronik kontrol ünitesi (ECU), bir jiroskop ile küçük boyutlu ve düşük maliyetli atalet ölçüm ünitesi (IMU) içeren bir ivmeölçerden oluşmaktadır. Tek bir sensörün ölçüm sınırlamalarından kaçınmak amacıyla, sensör birleştirmeleri için otomatik ayarlı bir tamamlayıcı filtre ve Kalman filtresi ele alınmış ve karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmada, açı kaymasının önlenmesi ve dinamik özelliklerin muhafazası bakımından Kalman filtresinin, özellikle dinamik hareket nedeniyle önemli avantaja sahip olduğu ortaya çıkmıştır. Sonuçlar havacılıkta kullanılan yüksek hassasiyetli bir fiber optik jiroskop (FOG) ile karşılaştırıldığında, Kalman filtresi tarafından belirlenen statik açı kayması sonuçlarının FOG’un performansına yaklaşıldığını göstermiştir. Tarla denemelerinde, geliştirilen konum ölçüm ünitesinin dinamik karakteristiği FOG’un performansına yakın bulunmuştur. Bulunan bu sonuçlar; tarımsal amaçlı kullanılan insansız hava araçları (dronlar), sera robotları, hasat robot kolları gibi hafif, küçük boyutlu ve uygun maliyetli tarımsal robot uygulamaları için kabul edilebilir bir hassasiyettir.

Abstract

The objective of this study was to develop a small-sized and low-cost unit to provide attitude measurements for lightloaded, small-sized and cost effective agricultural robot application. The attitude measurement unit comprised an electronic control unit (ECU) and a gyroscope and an accelerometer within a small-sized and low-cost IMU. In order to avoid the measurement limitations of a single sensor, a self-adaptive complementary filter and a Kalman filter were discussed and compared for sensor fusion. By comparison, in respect of preventing angle drift and maintaining dynamic characteristics, the Kalman filter has the significant advantage, especially in dynamic motion. In the comparison with a highly precise aviation-level fiber optic gyroscope (FOG), the results showed that the static angle drift was restrained by Kalman filter which reached the performance of the FOG. And in the series of farm experiments, the dynamic characteristic of the developed attitude measurement unit is close to the FOG performance in the sub-degree level. This is an acceptable accuracy for light-loaded, small-sized and cost effective agricultural robot application such as agriculture drone, greenhouse robots, harvesting robot arm and so on.