dc.contributor.advisor | Uyanık, İsmail | |
dc.contributor.author | Yılmaz, Onurcan | |
dc.date.accessioned | 2025-03-03T10:07:57Z | |
dc.date.issued | 2025-02 | |
dc.date.submitted | 2025-01-21 | |
dc.identifier.citation | @mastersthesis{yilmaz2025,
author = {Onurcan Yılmaz},
title = {4 Bacaklı Robot Sistemi Üzerinde 3D LiDAR ile Sensör Füzyonu ve Haritalama},
year = {2025},
month = {Şubat},
school = {Hacettepe Üniversitesi},
address = {Ankara, Türkiye},
advisor = {Doç. Dr. İsmail Uyanık},
type = {Yüksek Lisans Tezi},
note = {English title: {Sensor Fusion and Mapping on a 4 Legged Robot System with 3D LiDAR}}
} | tr_TR |
dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/11655/36572 | |
dc.description.abstract | This thesis aims to develop 3D LiDAR-based sensor fusion and mapping systems on a quadruped robot. The primary focus of the study is to address the deficiencies of the LiDAR Odometry and Mapping (LOAM) algorithm, which lacks variance estimation, and to integrate this algorithm with other sensors such as IMU and GPS to create a more reliable localization system. To this end, a new variance estimation method based on the Hausdorff Distance has been proposed to assess the accuracy of LOAM’s transformation matrices, and its performance has been analyzed using both indoor and outdoor datasets.
Within the scope of this thesis, the variance estimation capabilities of the LOAM algorithm have been evaluated by comparing the mean cost and Hausdorff Distance metrics. The results demonstrate that the Hausdorff Distance, which computes the maximum distance between measurement and map point clouds, is more effective for variance estimation. The estimated variance has been utilized to achieve precise position estimation by fusing LiDAR, IMU, and GPS data using techniques based on the Minimum Variance Unbiased Estimator (MVUE). Additionally, a faster and more efficient method has been proposed for estimating the variance of transformations between two predictions of a Kalman Filter, replacing direct computation methods, and integrating this process into transformation estimation.
As part of the study, a hardware system capable of collecting data in both indoor and outdoor environments has been designed, leading to the development of two platforms named Sensor System v1 (SSv1) and Sensor System v2 (SSv2). These systems incorporate Jetson-series single-board computers, Velodyne VLP-16 LiDAR, ZED stereo cameras, and INS sensors. The indoor dataset was collected using ArUco markers as reference points, while for outdoor tests, the development of a sensor system referencing an RTK system was initiated. Various methods, such as MVUE-based global position averaging and transformation averaging, were tested in both one-dimensional and three-dimensional sensor fusion experiments. The results produced lower errors compared to the input odometry data, indicating that the Hausdorff Distance is a suitable metric for variance estimation.
In coupled methods, the mapping step of LOAM was integrated with the Kalman filter to incorporate position corrections into the optimization process. While this approach was partially successful in reducing error accumulation, it did not fully surpass the performance of IMU-based motion correction methods. Consequently, the Hausdorff Distance-based variance estimation has enhanced the reliability of LiDAR odometry and ensured consistency in sensor fusion. The developed hardware infrastructure provides an extensible system with multi-sensor data collection capabilities for both indoor and outdoor environments. Future work should explore different error metrics and integrate machine learning-based approaches. | tr_TR |
dc.language.iso | tur | tr_TR |
dc.publisher | Fen Bilimleri Enstitüsü | tr_TR |
dc.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | tr_TR |
dc.subject | Slam | tr_TR |
dc.subject | Lidar | tr_TR |
dc.subject | Loam | tr_TR |
dc.subject | Varyans Kestirimi | tr_TR |
dc.subject | Sensör Füzyonu | tr_TR |
dc.subject | Kalman Filtresi | tr_TR |
dc.subject | Konumlandırma | tr_TR |
dc.subject | Haritalama | tr_TR |
dc.subject.lcsh | Elektrik-Elektronik mühendisliği | tr_TR |
dc.title | 4 Bacaklı Robot Sistemi Üzerinde 3D LiDAR ile Sensör Füzyonu ve Haritalama | tr_TR |
dc.title.alternative | Sensor Fusion and Mapping on A 4 Legged Robot System With 3D Lidar | tr_TR |
dc.type | info:eu-repo/semantics/masterThesis | tr_TR |
dc.description.ozet | Bu tez çalışması, dört bacaklı bir robot üzerinde 3D LiDAR tabanlı sensör füzyonu ve haritalama sistemlerinin geliştirilmesini hedeflemektedir. Çalışmanın temel odak noktası, LiDAR Odometrisi ve Haritalama (LOAM) algoritmasının varyans kestirimi yapamamasından kaynaklanan eksiklikleri gidermek ve bu algoritmayı IMU ve GPS gibi diğer sensörlerle entegre ederek daha güvenilir bir konumlandırma sistemi oluşturmaktır. Bu doğrultuda, LOAM algoritmasının dönüşüm matrislerinin doğruluğunu belirlemek için Hausdorff Mesafesi tabanlı yeni bir varyans kestirim yöntemi önerilmiş ve yöntemin performansı kapalı ve açık alan veri setleri üzerinde analiz edilmiştir.
Tez kapsamında, LOAM algoritmasının varyans kestirimi için ortalama maliyet ve Hausdorff Mesafesi metrikleri karşılaştırılmış, Hausdorff Mesafesi’nin ölçüm ve harita nokta bulutları arasındaki maksimum mesafeyi hesaplayarak varyans tahmini yapmada daha etkili olduğu gösterilmiştir. Elde edilen varyans kestirimi, LiDAR, IMU ve GPS verilerini En Küçük Varyanslı Yansız Kestirici (MVUE) metoduna dayalı tekniklerle birleştirerek hassas bir pozisyon kestirimi sağlamak amacıyla kullanılmıştır. Ayrıca, Kalman Filtresinin iki tahmini arasındaki dönüşümün varyansını hesaplamak için doğrudan yapılan işlemler yerine daha hızlı ve etkin bir yöntem önerilmiş ve dönüşüm kestirimi sürecine entegre edilmiştir.
Çalışma kapsamında, kapalı ve açık alanlarda veri toplayabilen bir donanım sistemi tasarlanmış ve Sensör Sistemi v1 (SSv1) ve Sensör Sistemi v2 (SSv2) olarak adlandırılan iki platform geliştirilmiştir. Bu sistemlerde Jetson serisi tek kart bilgisayarlar, Velodyne VLP-16 LiDAR, ZED stereo kameralar ve INS sensörleri kullanılmıştır. Kapalı alan veri seti, ArUco işaretleyiciler ile referans alınarak toplanırken, açık alan testleri için RTK sistemini referans alan sensör sisteminin geliştirilmesine başlanmıştır. Çalışmada, 1 boyutlu ve 3 boyutlu sensör füzyonu deneylerinde MVUE temelli global pozisyon ortalaması ve dönüşüm ortalaması gibi çeşitli metotlar test edilmiştir. Sonuçlar, girdi olarak verilen odometri verilerinden daha daha düşük hatalar üretmiştir. Bu durum, Hausdorff Mesafesinin, varyans kestirimi için uygun bir metrik olduğunu göstermektedir.
Bağlaşık metotlarda, Kalman filtresi ile LOAM’ın haritalama adımı birleştirilerek optimizasyon sürecine pozisyon düzeltmeleri dahil edilmiştir. Bu yaklaşım, hata birikimini azaltmada kısmen başarılı olmuş, ancak IMU tabanlı kayma giderme yöntemlerinin performansını tam olarak geçememiştir. Sonuç olarak, Hausdorff Mesafesi tabanlı varyans kestirimi, LiDAR odometrisinin güvenilirliğini artırarak sensör füzyonunda tutarlılığı sağlamıştır. Geliştirilen donanım altyapısı, kapalı ve açık alanlarda çoklu sensör verisi toplama kapasitesiyle genişletilebilir bir sistem sunmaktadır. İleriki çalışmalar için farklı hata metriklerinin incelenmesi ve makine öğrenmesi tabanlı yöntemlerin entegrasyonu önerilmektedir. | tr_TR |
dc.contributor.department | Elektrik –Elektronik Mühendisliği | tr_TR |
dc.embargo.terms | Acik erisim | tr_TR |
dc.embargo.lift | 2025-03-03T10:07:57Z | |
dc.funding | Yok | tr_TR |
dc.subtype | project | tr_TR |
dc.subtype | dataset | tr_TR |
dc.subtype | software | tr_TR |