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McGill University (22/02/2008), Jorge Angeles (Dir.)
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Conception d'accéléromètres multiaxiaux avec architectures simpliciales pour l'estimation de la pose et du visseur instantané d'un corps rigide
Philippe Cardou1

Les assemblages d'accéléromètres sont utilisés entre autres en biomécanique afin d'estimer le champ des accélérations d'un corps rigide et, de là, les variables cinématiques décrivant les déplacements dudit corps rigide. On remarque toutefois que le progrès de cette technologie a été limité par celui des gyroscopes micro-usinés, lesquels sont plus précis que les assemblages d'accéléromètres dans la plupart des applications. Le but des recherches décrites dans cette thèse est d'améliorer la précision des estimés de vitesse angulaire produits par les assemblages d'accéléromètres. Les développements proposés portent sur deux aspects : une classe d'architectures mécaniques d'accéléromètres est proposée ayant pour but de réduire la sensibilité des capteurs aux accélérations transverses, des algorithmes robustes étant également proposés afin d'estimer la vitesse angulaire à partir de certaines ou de toutes les composantes du champ d'accélération du corps rigide. La classe d'accéléromètres proposée est inspirée des architectures de machines à cinématique parallèle (MCP) en assimilant la masse d'épreuve et le support d'un accéléromètre à l'organe terminal et à la base d'une MCP, respectivement. Une caractéristique commune aux MCP proposées ici est que leurs organes terminaux et leurs bases sont reliées par n+1 chaînes cinématiques simples, n = 1, 2, 3 étant leurs nombres de directions sensibles respectifs. Pour cette raison, on appelle accéléromètres simpliciaux multiaxiaux les capteurs résultant de ces MCP. Une version microusinée de l'accéléromètre simplicial biaxial est conçue, fabriquée et testée. En outre, la théorie permettant l'estimation de la vitesse angulaire d'un corps rigide à partir de mesures d'accélérations est réexaminée. De cette révision, quatre algorithmes permettant l'estimation de la vitesse angulaire à partir de mesures d'accélération centripète sont proposés. Enfin, un algorithme permettant l'estimation de la vitesse angulaire d'un corps rigide à partir de mesures d'accélérations centripète et tangentielle et reposant sur le filtrage de Kalman est proposé.
1:  Laboratoire de robotique
cinématique – robotique – accéléromètre – corps rigide – estimation – essai de choc – biomécanique – impact – vitesse angulaire – accélération angulaire

Design of Multiaxial Accelerometers with Simplicial Architectures for Rigid-Body Pose-and-Twist Estimation
Accelerometer arrays are used in biomechanics and other fields to estimate the rigid-body acceleration field and, thence, all kinematic variables describing the rigid-body displacements. However, the progress of this technology has been limited by that of micromachined gyroscopes, which turn out to be more accurate than accelerometer arrays in most applications. The work reported in this thesis aims at improving the accuracy of the angular velocity estimates provided by accelerometer arrays. The approach is twofold: A class of accelerometer mechanical architectures is proposed, with the goal of reducing the accelerometer cross-axis sensitivity, and robust algorithms are proposed to estimate the angular velocity from some or all components of the rigid-body acceleration field. The novel class of accelerometers is inspired from parallel-kinematics-machine (PKM) architectures, taking the accelerometer proof mass to be the PKM moving platform, and the accelerometer frame the PKM base. A common characteristic of the proposed PKM architectures is that their moving platforms are connected to their bases by n + 1 legs each, n = 1, 2, 3 being their respective number of sensitive directions. For this reason, the resulting class of accelerometers is referred to as "Simplicial Multiaxial Accelerometers" (SMA). A micro-scale version of the Simplicial Biaxial Accelerometer (SBA) was devised, designed, fabricated, and tested. Furthermore, the theory behind the estimation of the angular velocity from acceleration measurements is revisited. Hence, four algorithms are proposed, which allow for the estimation of the rigid-body angular velocity from centripetal acceleration measurements alone. Based on Kalman filtering, another method is proposed in order to obtain a rigid-body angular-velocity estimate from both the centripetal and tangential components of the rigid-body acceleration field.
kinematics – robotics – accelerometer – rigid body – twist estimation – crash test – biomechanics – impact – angular velocity – angular acceleration – estimation

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