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3d Position Tracking for All-terrain Robots

Oct 10, 2014

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3D POSITION TRACKING FOR ALL-TERRAIN ROBOTS

THSE NO 3192 (2005)PRSENTE LA FACULT DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGNIEUR Institut d'ingnierie des systmes SECTION DE MICROTECHNIQUE

COLE POLYTECHNIQUE FDRALE DE LAUSANNEPOUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR S SCIENCES

PAR

Pierre LAMONingnieur en microtechnique diplm EPF de nationalit suisse et originaire d'Icogne (VS)

accepte sur proposition du jury: Prof. R. Siegwart, directeur de thse Prof. P. Fiorini, rapporteur Dr S. Lacroix, rapporteur Prof. B. Merminod, rapporteur

Lausanne, EPFL 2005

Table of ContentsAcknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Version abrge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.1 Autonomy in rough terrain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 The challenges of rough terrain navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1 The lack of prior information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2 Perception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.3 Locomotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 About this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.1 Context of the research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.2 Contributions and structure of this work. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 The SOLERO rover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 The mechanical design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3 The control architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.1 Sensors and actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.1.1 The I2C modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.1.2 Stereovision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.1.3 Omnicam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.1.4 Inertial Measurement Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.2 Software architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.2.1 Solero3D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.2.2 The remote control interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3 3D-Odometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 3D-Odometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2.1 Bogie displacement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.2 3D displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.3 The contact angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4 Control in rough terrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .414.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2 Quasi-static model of a wheeled rover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2.1 Mobility analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.2 A 3D static model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3 Torque optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.1 Wheel slip model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.2 Optimization algorithm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.3.3 Torque optimization for SOLERO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.4 Rover motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.5 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.5.1 Simulation tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.5.1.1 Wheel slip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.5.1.2 Wheel-ground contact angles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.5.2 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.5.3 Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2

4.6 Wheel-ground contact angles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5 Position tracking in rough terrain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2 Sensors for outdoors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.3 Uncertainties propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.3.1 Coordinate systems and transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.3.2 Error propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.4 Sensor fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.4.1 The sensor models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.4.1.1 Inertial unit model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.4.1.2 3D-Odometry measurement model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.4.1.3 VME measurement model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.4.2 State prediction model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.5 Experimental results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.5.1 Inertial and 3D-Odometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.5.1.1 Setting the state transition covariance matrix Q. . . . . . . . . . . 76 5.5.1.2 Setting Rimu Rinc and Rodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.5.1.3 Experimental validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.5.1.4 Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.5.2 Enhancement with VME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.5.2.1 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6 Conclusion and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 896.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.2 Outlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903

A Parameters and model of SOLERO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93A.1 Parts of SOLERO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 A.2 The bogies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 A.3 The main body and the rear wheel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 A.4 The front fork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 A.5 Quasi-static model of SOLERO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 A.5.1 Linear dependence of the wheel torques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 A.5.2 Equal torques solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

B Linearized equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99B.1 Accelerometers model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 B.2 Gyroscopes state transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

C The Gauss-Markov process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 D Visual Motion Estimation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105Literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Curriculum Vitae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4

Acknowled