مجله ی مهندسی مکانیک شریف

مجله ی مهندسی مکانیک شریف

مکان‌یابی ربات متحرک با ترکیب داده‌های حسگر‌های انکودر و قطب‌نما توسط فیلتر کالمن توسعه‌یافته و بی بو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه دینامیک و کنترل، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد
10.24200/j40.2026.68104.1755
چکیده
این مقاله به بررسی استفاده از فیلتر کالمن توسعه‌یافته (EKF) و فیلتر کالمن بی بو (UKF) برای پیش‌بینی مختصات یک ربات متحرک چرخ‌دار پرداخته است. در این راستا روشی برای ترکیب داده‌های AHRS با خروجی مدل سینماتیکی مبتنی بر داده‌های انکودر جهت تخمین موقعیت دقیق ربات ارائه شده است. در این روش مدل سینماتیکی ربات از داده‌های انکودر برای پیش بینی موقعیت و جهت‌گیری ربات استفاده می‌کند، در حالی که داده‌های AHRS به‌عنوان اندازه‌گیری بیرونی برای تصحیح پیش‌بینی‌ها در فیلتر کالمن توسعه‌یافته به کار گرفته می‌شوند. برای ارزیابی عملکرد فیلتر، مسیر حرکت ربات با استفاده از یک سیستم تصویربرداری ثبت شد و تخمین های EKF و UKF با داده‌های این سیستم تصویربرداری مقایسه گردید. نتایج نشان می‌دهد که در ابتدای مسیر، موقعیت تخمین‌شده توسط فیلتر کالمن تطابق نزدیکی با مسیر واقعی، اما پس از طی مسافتی، به دلیل انباشتگی خطای انکودر، میزان خطای موقعیت افزایش یافته است. بااین‌حال، فیلتر کالمن توانسته است این خطا را تا حدی کاهش دهد و دقت تخمین موقعیت و زاویه جهت‌گیری ربات را بهبود بخشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Localization of a Mobile Robot by Fusing Encoder and AHRS Data Using Extended and Unscented Kalman Filter

نویسندگان English

Samaneh Maleki Koopaei
S. Mohammad Bozorg
Department of Mechanical Engineering, Yazd University, Yazd, Iran
چکیده English

Localization of mobile robots in indoor environments is challenging due to measurement noise, obstacles, and error accumulation, which can significantly affect positioning accuracy. This paper investigates the application of the Extended Kalman Filter (EKF) and Unscented Kalman Filter (UKF) for estimating the position and orientation of a wheeled mobile robot using a nonlinear kinematic model. A sensor fusion method is proposed to integrate Attitude and Heading Reference System (AHRS) measurements with an encoder-based kinematic model to improve localization accuracy.



In the proposed approach, wheel encoder measurements are used by the robot kinematic model to estimate its position and orientation during motion. The robot is commanded to follow predefined trajectories, and its position and traveled distance are estimated from the encoder data. AHRS measurements are then incorporated as external observations in the Kalman filtering framework to correct the predicted states and reduce the effects of accumulated errors. Both EKF and UKF are experimentally implemented and evaluated under the same operating conditions.



To assess the localization performance, the actual robot trajectory is recorded using an optical tracking system, which provides reference position measurements. The position estimates obtained from the encoder-based model, EKF, and UKF are compared with the reference trajectory using quantitative error measures. The experimental results show that, at the beginning of the trajectories, the position estimates obtained using both EKF and UKF closely follow the reference path. However, as the traveled distance increases, the encoder-based estimation error gradually grows because of cumulative measurement and modeling errors. The proposed sensor fusion approach effectively reduces these accumulated errors by combining encoder and AHRS measurements.



The comparison of the two filtering methods demonstrates that the UKF achieves slightly better localization accuracy than the EKF in both experimental trajectories and provides a greater reduction in the overall positioning error. Nevertheless, because the robot motion model exhibits relatively limited nonlinearity, the performance difference between EKF and UKF remains relatively small.

کلیدواژه‌ها English

Encoder
EKF
Compass
UKF