Invariant unscented Kalman filter with application to attitude estimation

Condomines, Jean-Philippe; Seren, Cédric; Hattenberger, Gautier

doi:10.1109/cdc.2017.8264063

Cited by 7 publications

(2 citation statements)

References 18 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Order By: Relevance

“…Implementing KFs on Lie groups is another widely studied line of designing filtering algorithms on manifolds, which was first proposed in [18,19]. Due to the systems' invariance properties, many studies proposed invariant KFs on Lie groups: the authors in [20][21][22][23] designed intrinsic continuous-discrete invariant EKFs (IEKFs) for continuous-time systems on Lie groups with discrete-time measurements in Euclidean spaces and applied them to attitude estimation and inertial navigation; in [24][25][26], the researchers proposed the invariant UKFs (IUKFs). To help practitioners fully understand IEKFs, Ref.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Improved Cubature Kalman Filtering on Matrix Lie Groups Based on Intrinsic Numerical Integration Error Calibration with Application to Attitude Estimation

et al. 2022

View full text Add to dashboard Cite

This paper investigates the numerical integration error calibration problem in Lie group sigma point filters to obtain more accurate estimation results. On the basis of the theoretical framework of the Bayes–Sard quadrature transformation, we first established a Bayesian estimator on matrix Lie groups for system measurements in Euclidean spaces or Lie groups. The estimator was then employed to develop a generalized Bayes–Sard cubature Kalman filter on matrix Lie groups that considers additional uncertainties brought by integration errors and contains two variants. We also built on the maximum likelihood principle, and an adaptive version of the proposed filter was derived for better algorithm flexibility and more precise filtering results. The proposed filters were applied to the quaternion attitude estimation problem. Monte Carlo numerical simulations supported that the proposed filters achieved better estimation quality than that of other Lie group filters in the mentioned studies.

show abstract

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Improved Cubature Kalman Filtering on Matrix Lie Groups Based on Intrinsic Numerical Integration Error Calibration with Application to Attitude Estimation

et al. 2022

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…Since humanoid robot locomotion is hybrid and highly nonlinear by nature, possible future work aims at considering other nonlinear estimation techniques, such as the UKF or the particle filter, to further increase the estimation accuracy and also overcome the input-output correlation described in Chapter 3. Additionally, the Invariant EKF [142] and the Invariant UKF [143] have been employed in localization for mobile robots/UAVs and faster convergence properties have been demonstrated when contrasted to the EKF/UKF. Recently, such approaches proved effective also in humanoid base estimation [144,145], thus it is worth investigating whether geometrical properties such as left or right invariance also apply in CoM estimation.…”

Section: Com Estimationmentioning

confidence: 99%

Robust nonlinear state estimation for humanoid robots

Piperakis¹,

Πιπεράκης²

View full text Add to dashboard Cite

Η εκτίμηση του Κέντρου Μάζας (CoM) διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στη ρομποτική βάδιση. Οι περισσότεροι σχεδιαστές κίνησης και ελεγκτές βάδισης πραγματικού χρόνου υποθέτουν ότι η θέση και η ταχύτητα του CoM είναι διαθέσιμες για ανατροφοδότηση ανά πάσα στιγμή. Σε αυτή τη διατριβή παρουσιάζουμε έναν από τους πρώτους τρισδιάστατους εκτιμητές κατάστασης CoM για το περπάτημα των ανθρωποειδών ρομπότ. Ο προτεινόμενος εκτιμητής συνδυάζει αποτελεσματικά τις μετρήσεις από αισθητήρες πίεσης στα πόδια, κωδικοποιητές στις αρθρώσεις και αδρανειακής μονάδας (IMU) στο σώμα με ένα Εκτεταμένο Φίλτρο Κάλμαν (EKF) για την ακριβή εκτίμηση τόσο της θέσης και της ταχύτητας του CoM αλλά και των εξωτερικών δυνάμεων που δρουν πάνω σε αυτό. Επιπλέον, λαμβάνει υπόψιν την ανωμαλότητα του εδάφους και την στροφορμή του σώματος με αποτέλεσμα να συνδυάζει το μετωπικό με το πλευρικό επίπεδο κίνησης, χωρίς να βασίζεται σε αισθητήρες δύναμης / ροπής (F/T) στα πόδια. Ωστόσο, είναι κοινή πρακτική να επιχειρείται η μετατροπή των μετρήσεων σε ένα αδρανειακό σύστημα αναφοράς ώστε η εκτίμηση του CoM να γίνεται σε σχέση με αυτό. Κατά συνέπεια, για την επίτευξη του παραπάνω είναι υποχρεωτικό να συνεκτιμηθούν η βάση και το πόδι στήριξης του ρομπότ. Για το σκοπό αυτό, επεκτείνουμε έναν καθιερωμένο στη βιβλιογραφία εκτιμητή αιωρούμενης μάζας με τη δυναμική του ποδιού στήριξης χρησιμοποιώντας μετρήσεις κινηματικής και αδρανειακής μονάδας με το Φίλτρο Κάλμαν Σφάλματος Κατάστασης (ESKF) για την κατάλληλη διαχείριση της υπερ-παραμετροποίησης των περιστροφών. Με αυτό το τρόπο, δημιουργείται ένα σύστημα σειριακής εκτίμησης κατάστασης που αποτελείται από έναν εκτιμητή βάσης και έναν εκτιμητή CoM το οποίο ονομάζουμε State Estimation RObot Walking (SEROW). Επιπλέον, για να διορθώσουμε την κινηματική απόκλιση που προκαλείται από την ολίσθηση των ποδιών κατά το περπάτημα, χρησιμοποιούμε μετρήσεις Οπτικής Οδομετρίας (VO) και/ή Οδομετρίας LIDAR (LO). ∆υστυχώς, τέτοιες μετρήσεις υποφέρουν από ακραίες τιμές σε ένα δυναμικό περιβάλλον, αφού κατά τον υπολογισμό τους χρησιμοποιείται η υπόθεση ότι μόνο το ρομπότ βρίσκεται σε κίνηση και ο κόσμος γύρω του είναι στατικός. Για αυτό το λόγο, εισάγουμε το Σθεναρό Γκαουσιανό Φίλτρο Κάλμαν Σφάλματος Κατάστασης (RGESKF) για την αυτόματη ανίχνευση και απόρριψη των ακραίων μετρήσεων. Το προτεινόμενο φίλτρο δεν βασίζεται σε πρότερη γνώση σχετικά με τις κατανομές των μετρήσεων και δεν χρησιμοποιεί ειδικά ρυθμισμένα κατώφλια. Ως εκ τούτου, το SEROW γίνεται ένα σθεναρό σύστημα εκτίμησης κατάστασης, κατάλληλο για δυναμικά ανθρώπινα περιβάλλοντα. Προκειμένου να ενισχυθούν περαιτέρω οι ερευνητικές προσπάθειες, το SEROW δίνεται ελεύθερα στη ρομποτική κοινότητα ως ένα πακέτο ROS/C++ ανοικτού κώδικα. Τα σύγχρονα συστήματα ελέγχου και εκτίμησης κατάστασης ανθρωποειδών ρομπότ υποθέτουν ότι η κατάσταση επαφής ποδιών-εδάφους είναι γνωστή εκ των προτέρων. Η ανίχνευση τέτοιων επαφών είναι ένα σημαντικό και σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητο θέμα στη σύγχρονη ρομποτική έρευνα. Σε αυτή τη διατριβή, διατυπώνουμε μια ευρύτερη ερώτηση: σε ποια φάση βάδισης βρίσκεται το ρομπότ; Προς το σκοπό αυτό, προτείνουμε ένα ολιστικό πλαίσιο βασισμένο σε μη-επιβλεπόμενη μάθηση από δεδομένα ιδιοδεκτικής αίσθησης που αντιμετωπίζει με ακρίβεια και αποτελεσματικότητα αυτό το πρόβλημα. Συγκεκριμένα, ανιχνεύουμε με ακρίβεια μια από τις τρεις φάσεις βάδισης, την Αριστερή Υποστήριξη (LSS), την ∆ιπλή Υποστήριξη (DS) και τη ∆εξιά Υποστήριξη (RSS), χρησιμοποιώντας μετρήσεις από κωδικοποιητές, IMU και F/T. Αρχικά, πραγματοποιείται μείωση των διαστάσεων με Ανάλυση Κύριων Στοιχείων (PCA) ή με αυτόματους κωδικοποιητές ώστε να εξαχθούν χρήσιμα χαρακτηριστικά, μια συμπαγής αναπαράσταση και να μειωθεί ο θόρυβος στα δεδομένα. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται μια ομαδοποίηση στον χώρο χαμηλών διαστάσεων με Γκαουσιανά Μοντέλα Μίγματος (GMMs). Ως αποτέλεσμα λαμβάνονται τρία πυκνά συμπλέγματα που αντιστοιχούν στις φάσεις της βάδισης. Αυτό σημαίνει ότι η δυναμική της φάσης του βαδίσματος είναι χαμηλής διάστασης το οποίο λειτουργεί ως άλλη μια ένδειξη στο ότι ολόκληρη η διαδικασία της βάδισης είναι χαμηλής διάστασης. Επιπλέον, δεδομένου ότι το προτεινόμενο πλαίσιο χρησιμοποιεί μετρήσεις από αισθητήρες που είναι συνήθως διαθέσιμοι στα σημερινά ανθρωποειδή ρομπότ, προσφέρουμε στη ρομποτική κοινότητα το Gait-Phase Estimation Module (GEM), μια ανοικτού κώδικα εφαρμογή σε ROS/Python. Το SEROW και το GEM έχουν αξιολογηθεί ποσοτικά και ποιοτικά αναφορικά με την ακρίβεια και την αποδοτικότητα τους τόσο σε προσομοίωση όσο και σε πραγματικές συνθήκες. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε ένα προσομοιωμένο ρομπότ στο MATLAB και το ανθρωποειδές ρομπότ Valkyrie της NASA στο ROS/Gazebo για να τεκμηριωθούν τα προτεινόμενα σχήματα στο βάδισμα πάνω σε ανομοιόμορφο/ανώμαλο έδαφος. Στη συνέχεια, τα προτεινόμενα σχήματα ενσωματώθηκαν στο α) μικρού μεγέθους ανθρωποειδές ρομπότ NAO v4.0 και β) στο πλήρους μεγέθους ανθρωποειδές WALK-MAN v2.0 για περεταίρω πειραματική επικύρωση. Με το NAO, το SEROW εφαρμόστηκε στο ρομπότ για να παράσχει την απαραίτητη ανατροφοδότηση στον σχεδιασμό της κίνησης και τη σταθεροποίηση του βηματισμού σε πραγματικό χρόνο. Με αυτό το τρόπο επιτεύχθηκε πολυκατευθυντική βάδιση ακόμη και σε εξωτερικά/ανομοιογενή εδάφη. Επιπλέον, το SEROW χρησιμοποιήθηκε στον σχεδιασμό βημάτων για την πλοήγηση και επίσης στο Visual SLAM με το ίδιο ρομπότ. Όσον αφορά το WALK-MAN v2.0, το SEROW εφαρμόστηκε με δεδομένα κινηματικής, αδρανειακής μονάδας και F/T για να παρέχει ανατροφοδότηση βάσης και CoM σε πραγματικό χρόνο. Στην εκτίμηση λήφθηκε υπόψη και το VO για την διόρθωση της κινηματικής απόκλισης κατά το περπάτημα. Με αυτό το τρόπο διευκολύνεται σημαντικά ο πιθανός σχεδιασμός βημάτων. Τέλος, το GEM χρησιμοποιήθηκε επίσης για την εκτίμηση της φάσης της βάδισης στο δυναμικό περπάτημα του WALK-MAN. Συνοψίζοντας, σε αυτή τη διατριβή προτείνεται ένας σθεναρός μη-γραμμικός εκτιμητής κατάστασης για το βάδισμα ανθρωποειδών ρομπότ. Παρόλα αυτά, το προτεινόμενο σύστημα μπορεί εύκολα να επεκταθεί και σε άλλους τύπους ρομπότ με πόδια, όπως τα τετράποδα, μιας και διαθέτουν τις ίδιες βασικές αρχές κίνησης.

show abstract

Nonlinear scenario‐based model predictive control for quadrotors with bidirectional thrust

Wehbeh,

Sharf

2024

Intl J Robust & Nonlinear

View full text Add to dashboard Cite

The control of quadrotor vehicles under state and parameter uncertainty is a well studied problem that is vitally important to the deployment of these systems under real world conditions. In this article, we propose a linearization‐based extension to nonlinear systems of the existing scenario model predictive control (MPC) framework, which quantifies the impact of uncertainty on the vehicle dynamics through repeated sampling of the uncertainty space. Given the computational costs of such an approach, we also propose two simplifications of the scenario MPC algorithm that are significantly more tractable. In order to evaluate the performance of the algorithms, the specific problem of the control of a bidirectionally actuated quadrotor vehicle is considered. Simulations are carried out for each scenario MPC scheme as well as for a reference deterministic MPC scheme. When a sufficiently large sample count is considered, each of the scenario MPC algorithms achieves safer performance than the deterministic formulation without sacrificing any optimality. Additionally, the approximate solution techniques conclusively outperform the original nonlinear scenario MPC formulation for the same computational cost.

show abstract

Invariant unscented Kalman filter with application to attitude estimation

Cited by 7 publications

References 18 publications

Improved Cubature Kalman Filtering on Matrix Lie Groups Based on Intrinsic Numerical Integration Error Calibration with Application to Attitude Estimation

Improved Cubature Kalman Filtering on Matrix Lie Groups Based on Intrinsic Numerical Integration Error Calibration with Application to Attitude Estimation

Robust nonlinear state estimation for humanoid robots

Nonlinear scenario‐based model predictive control for quadrotors with bidirectional thrust

Contact Info

Product

Resources

About