Madgwick IMU algoritması kullanılarak, ataletsel ölçü birimi ile oryantasyon analizi

Abstract

Canlıların hareket analizine yönelik çalışmalar yüzyıllardır devam etmektedir. Bu analizler, kendi zaman dilimindeki teknolojinin izin verdiği ölçülerde yapılmış ve halen yapılmaktadır. Günümüzdeki teknoloji ve hesaplama alanındaki gelişmeler daha nicel ve objektif analizler yapılmasına olanak sağlamıştır. Vücut üzerine işaretçilerin koyularak ışığa dayalı hareket ölçümünün yapılması da buna dahildir. Üstelik kameralar sayesinde bu hareketi 3 boyutlu olarak ölçmek de mümkündür. Fakat ölçümün yapılabileceği alan, kameraların çevreleyeceği alan ile sınırlıdır. Mikroişleme teknolojisi ve mikro elektro mekanik sistemlerin gelişimi, ivmeölçer ve jiroskop gibi atalet sensörlerinin, atalet ölçüm birimleri ve hareket takip cihazlarına monte edilebilecek kadar küçük ve vücuda takılabilecek hale gelmesini sağlamıştır. Jiroskop, ivmeölçer ve kullanıma bağlı olarak manyetometre verilerinin birleştirilmesi ile kameralara bağlı kalmadan uzayda herhangi bir konumdaki hareketleri analiz etmek mümkündür. Atalet algılama teknolojisi, labaratuar dışındaki hareketi ölçmek, sınırsız veya geniş ölçüm verileri elde etmek için büyük avantaja sahiptir. Kamera sistemine nazaran giyilebilir olması, büyük esneklik sağlamaktadır. Ayrıca, özel bir labaratuar veya altyapıya gerek olmadığından maliyetler önemli ölçüde azalmıştır. Ataletsel ölçü birimleri ve hareket takip ünitelerinde bulunan jiroskop, ivmeölçer ve manyetometreden elde edilen verilerin birleştirilmesi, hatalarının giderilmesi ve bu vesileyle oryantasyon tahmini yapılması için çeşitli filtre ve algoritmalar mevcuttur. Bu çalışmada Madgwick filtresi ele alınmıştır. Madgwick filtresinin tercih edilme nedenlerinin başında hesaplama yükünün daha az olması ve optimize edilmiş gradyan iniş algoritmasıyla düşük örnekleme oranlarında dahi iyi performans alınması gelmektedir. Ayrıca bu filtre 3 boyutta oryantasyonu kuaterniyon gösterimi ile ifade etmektedir. Böylelikle Euler gösteriminde ortaya çıkan tekillik sorunu saf dışı edilmiştir. Bu çalışmada Madgwick algoritması Matlab/Simulink ortamında modellenmiş, XSENS firmasının içerisinde ataletsel ölçü biriminin bulunduğu hareket takip ünitesi kullanılarak jiroskop ve ivmeölçer verileri toplanmıştır. Çevredeki manyetik materyallerden kolayca etkilendiği için manyetometre kullanımından kaçınılmıştır.