Bereits in den früheren Arbeiten von Borenstein und Feng, wurde diskutiert, wie die Positionfehler entstehen und systematisiert werden können, siehe BorensteinFeng94 und BorensteinFeng96. Dabei wurden sie die Fehler in zwei Klassen betrachtet.
Systematische Fehler
Zu dieser Gruppe gehören die Fehler, die durch systematischen und beobachtbaren ggf. auch beeinflussbaren Phänomenen entstehen. Hierzu gehören u.a. die Kalibrierungsfehler, kompensierbaren Fehler wie Temparatureinflüsse, Konvertierungsfehler, Durchdrehen der Räder und sonstige Ungenauigkeiten in der Parametrierung. Die systematischen Fehler sollten demnach die vermeidbaren Fehler sein. Um diese zu vermeiden, wurden Kalibrierungsprozeduren wie UMBMark entwickelt. Bei diesen Methoden geht’s um die systematischen Tests, wobei die Fehler addiert und sichtbar bzw. messbar gemacht werden. Eine dazugehörige Messprozedur ist die Quadraturfahrt in Schleife im und gegen den Uhrzeigersinn. Nach bestimmter Anzahl an Durchläufen in und gegen Uhrzeigersinn bilden sich Tendenzen für die Drifting-Richtungen. Diese Tendenzen werden danach versucht, durch Kalibrierung zu minimieren.
Unsystematische Fehler
Unter den unsystematischen Fehler werden die Fehler klassifiziert, die durch Stochastik entstehen (z.B. Unebenheiten des Bodens), die durch bekannte Phänomene nicht erklärt oder zumindest nicht beeinflusst werden können. Dazu gehören u.a. verschiedene Messfehler, Ungenauigkeiten in den Messgrößen, die durch verfügbare Messtechnik nicht gemessen werden können.
In der Abbildung 1 wurde eine Schleife der Quadraturfahrt aufgenommen, worin die Fahrt nur mit der Odometrie und mit der Sensorfusion mit der Gyrometrie gegenübergestellt. Hierbei gelte die Messung mit der Gyrometrie, wonach der Roboter auf die Sollkurve geregelt wurde als Beobachter bzw. Referenzgröße. Man erkennt hierbei schon bei der ersten Schleife, dass die Positionierung mit der reinen Odometrie in 
-Richtung eine deutliche Drifting hat. Zudem dreht sich der Kreis nach Links. Dies entsteht durch die besonders hohe Abweichungen in der Winkelberechnung durch die reine Odometrie, siehe dafür Teil Zustandsbestimmung durch reine Odometrie.
Die Tendenz der vorliegenden Fahrt ist leichte Rechtssteuerung, die der Regler gegensteuern muss. Die kleinen Winkelshifts neigen z.B. daran das Quadrat nach links zu verdrehen. Die systematischen Fehler entstehen u.a. aus die Linkssteuerung. Werden die Motoren dementsprechend kalibriert, verschwindet diese Tendenz.
Bitte beachten Sie, dass die Abweichung des grünen Pfads von der Solltrajektorie nicht die Abweichung der Positionsmessung mit der Odometrie und Gyrometrie darstellt, sondern lediglich Reglerabweichung ist.
Die Kalibrierung des Roboters, der nur durch die Odometrie positioniert wird, ist allerdings nicht der Gegenstand meiner folgenden Arbeit. Im Folgenden wird sowohl Odometrie mit der Gyrometrie fusioniert.
Der Gyrometer hat eine hohe Genauigkeit in der Messung der Orientierung und dadurch kann sogar die Abweichung durch die Auflösung der Odometrie zum gewissen Teil kompensiert werden, siehe Teil Zustandbestimmung durch Odometrie und Gyrometrie.
Es gilt daher den Roboter mit beiden Sensoren zu kalibrieren. Dazu wird ein anderer Beobachter gebraucht. Die Kalibrierungsgrößen (-Position, 
-Position und die Orientierung können nach der Kalibrierungsschleife als Abweichung vom Ausgangszustand gemessen werden. Es wäre auch möglich z.B. optisch durch eine Kamera die komplette Fahrt aufzunehmen und vergleichen, nur für die Kalibrierung bzw. die Beobachtung der summierenden Phänomenen reicht auch der Vergleich vom End- und Ausgangszustand.
Bei den ersten Kalibrierungsschleifen kam es, dass der Roboter etwas größere Quadrate zeichnet, nach der Kalibrierung der Odometrie zeigten die folgenden Kalibrierungsschleifen, dass die systematischen Fehler durch die Spreizung der unsystematischen Fehler unerkennbar bleiben. Eine eindeutige Driftingsentwicklung unerkennbar sind, bzw. es sich keine Drifting in eine bestimmte Richtung entwickelt. Die Abbildung 3 zeigt die Kalibrierungsschleife mit fünf Durchläufen.
Dennoch sind die unsystematischen Fehler bzw. Varianz der Abweichungen hoch. Das wird u.a. durch folgende Zustände verursacht:
- Die mangelnde Auflösung der Odometrie und daraus resultierende Fehler, die nicht konsequent auf eine Drifting wirken
- Das Spiel im (Plastik-)Getriebe und Radaufhängung
- Durchdrehung bzw. mangelnder Haft der Räder
Die grösste Fehlerquelle im vorliegenden Fall ist die Abweichungen, die durch die mangelnde Auflösung der Odometer enstehen.
Die Fehler bleiben bei der aktuellen Konfiguration auf kurzen Strecken von bis zu 
im Bereich von 
in – und in -Richtung, welches für die weiterführenden Untersuchungen akzeptabel ist. Der Orientierungsfehler ist mit der zur Verfügung stehenden Messtechnik unmessbar klein 
.
Bei der Rechtsschleife erkennt man, dass die Motoren nach rechts steuern. Bei der Linksschleife erkennt man allerdings, dass die Motoren nach links steuern. Dieses Phänomen beruht auf einem Hardwareproblem, dass das (Plastik-)Getriebe nach der Richtungswechsel sehr erhöhte Reibung aufweist, die der Motor überwinden muss. Prinzipiell könnte dies als ein systematischer Fehler betrachtet werden, der hardwareseitig optimiert werden kann.
Schreibe einen Kommentar