Pose and twist estimation is a ubiquitous problem in science and engineering: from astro- and aeronautics to biomechanics; from navigation systems to the latest video games. Current technology relies mainly upon accelerometer strapdowns, which call for precise estimation algorithms. Along these lines, the main objective of this dissertation is the development of innovative accelerometer strapdowns suitable for estimating rigid-body pose and twist accurately and reliably. The design philosophy is based on two interdependent concepts: an original concept of biaxial accelerometers, introduced in a previous dissertation and termed Simplicial Biaxial Accelerometers (SBA), and isotropic accelerometer strapdowns. The goal of the former is to sense accelerations along arbitrary directions in a plane. An improved SBA design is proposed and realized by means of MEMS (MicroelectromechanicalSystem) fabrication technology. By means of finite element analysis (FEA), the accelerometer sensitivity was found to be highly acceptable. The analysis results show that the SBA is isotropically sensitive to accelerations along arbitrary directions in the plane, while the cross-axis sensitivity is reduced, as desired. Isotropy mainly concerns a novel accelerometer strapdown made of the proposed SBAs. By virtue of its inherent geometricisotropy, the tetrahedral SBA strapdown is selected, but other isotropic polyhedra, such as the other four Platonic solids and Buckyballs, can be equally used. Performance and accuracy of the strapdown in estimating the pose and the twist of a rigid-body moving in space are illustrated with representative simulation examples. Moreover, the isotropic nature of the strapdown enables the decoupling of the point tangential acceleration from its centripetal counterpart in the acceleration field. Consequently, "coupling"—a major hurdle in pose and twist estimation—is avoided, thereby streamlining the estimation process. / L'estimation de la pose et du torseur cinématique des corps rigides est un problème qui se retrouve partout en science et en ingénierie, aussi bien en aérospatiale, aéronautique ou biomécanique que dans les systèmes de navigation ou les jeux vidéos. La technologie acutelle repose principalement sur les assemblages d'accéléromètres qui exigent des algorithms d'estimation précis. Le principal objectif de cette thèse est donc de développer des accéléromètres innovateures capables d'estimer, avec exactitude et fiabilité, la situation et le torseur cinématique en question. La conception de ces accéléromètres s'appuie sur deux idées originales interdépendantes: la biaxialité des accéléromètres, présentés antérieurement dans une thèse et appelés accéléromètres simpliciaux biaxiaux (ASB), et l'isotropie de leurs assemblages. L'objectif des ABS est d'estimer l'accélération dans des directions arbitraires sur un plan donné. La conception des ASB a été améliorée par l'auteure, et la technologie des SMEM (systèmes micro électromécaniques) a été utilisée pour leur fabrication. L'analyse numérique par éléments finis qui a servi à quantifier la sensibilité a été qualifiée de hautement acceptable. Les résultats montrent une sensiblité isotropique aux accélérations dans des directions arbitraires sur leur plan et une réduction de la sensibilité transversale, comme souhaité. L'isotropie porte principalement sur un nouvel assemblage d'accéléromètres fabriqué à partir des ASB. Les assemblages d'ASB en tétrahèdre ont été choisis en vertu de leur isotropie, mais il est aussi possible d'utiliser d'autres polyèdres isotropiques comme les quatre autres solides de Platon ou les Buckyballs. Des simulations illustrent la performance et la précision des assemblages dans l'estimation de la situation et du torseur cinématique d'un corps rigide en mouvement dans l'espace. En outre, l'isotropie de l'assemblage permet de découpler l'accélération tangentielle ponctuelle de son homologue centripète dans le champ d'accélération. Cela permet d'éliminer le problème du "couplage", et donc de simplifier la dite estimation.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.119577 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Zou, Ting |
| Contributors | Jorge Angeles (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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