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Fußgängernavigation Dead - Reckoning. 20.06.2002GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 2 Übersicht Motivation Sensoren Dead Reckoning.

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Präsentation zum Thema: "Fußgängernavigation Dead - Reckoning. 20.06.2002GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 2 Übersicht Motivation Sensoren Dead Reckoning."—  Präsentation transkript:

1 Fußgängernavigation Dead - Reckoning

2 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 2 Übersicht Motivation Sensoren Dead Reckoning Algorithmus (DR) Kalman Filter (KF) Genauigkeiten Beispiel

3 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 3 Motivation Navigationssystem für Fußgänger Bestimmung der Position auch innerhalb von Gebäuden GPS nicht verfügbar

4 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 4 Navigationssystem Beschleunigungsmesser + Kreisel Grobe Daten Vorverarbeitung Schrittmodell Physiologische Charakteristik Dead Reckoning Position Schnelligkeit Orientierung IntegrationsprozessVorfilterGPS Azimut der Verlagerung

5 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 5 PND (Pedestrian Navigation Device) Zusammensetzung: ·digitaler magn. Kompass und/oder Kreisel ·bi- oder tri-axiale Beschleunigungsmesser ·Altimeter mit monofrequentem GPS Empfänger Begrenzung durch Größe, Gewicht, Ergonomie und Preis

6 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 6 Platzierung der Sensoren Verschiedene Auswertungen bei Platzierung an: –Körperglieder (Arme, Beine) –Rumpf (Brust, Rücken) –Kopf Ausrichtung am Körper gegenseitige Ausrichtung

7 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 7 Dead Reckoning Erste Komponente: Berechnung von –Geschwindigkeit –Distanz zweite Komponente: Orientierung

8 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 8 Kompassnavigation Magnetischer Azimut horizontale Komponente des Erdfeldes Bestimmung über horizontale oder vertikale Ebene Gravitationsvektor Azimutberechnung konst. Berechnung des Sensorverhaltens Korrektur der gemessenen magnetischen Werte 3D Rotationsmatrix horizontale Komponenten

9 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 9 Bestimmung des Azimut bei einer sich bewegenden Person Abhängig von der Komplexität und der Freiheit der Bewegung eines Menschen –Detektion der Bewegungsrichtung –Filterung und de-noising der groben Azimut- und Winkelgeschwindigkeitsdaten –Bestimmung der Fehlausrichtung eines PND verglichen mit der Ganglinie einer Person (GPS) –Wiederholpräzision der Trajektorien –Anwendung verschiedener Szenarien nach dem Verhalten einer Person –Detektion verschiedener Störungen, welche sich auf das Navigationssystem auswirken (Bias, Drift, magn. Störungen)

10 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 10 Sensorvergleich

11 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 11 Störungen Der digitale magn. Kompass wird durch das terrestrische magnetische Feld beeinflusst Diese Störungen liefern unbekannte systematische Messabweichungen (Bias) Störungen werden unterschieden in: –harte Störungen –weiche Störungen.

12 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 12 Störungen keine Störungen harte magn. Störungen weiche magn. Störungen gemessene Störungen korrigierte Störungen

13 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 13 Kombination beider Sensoren Magn. Kompass bestimmt externen Azimut Parameterupdate des Kreisels Kreisel kann Störungen detektieren Berechnung der Daten durch einen KF Parameter des Filters: –Bias –Maßstabsfaktor –Position –initiale Orientierung

14 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 14 Störungsdetektion Detektion der magn. Störungen wird durch Vergleich zweier Winkelgeschwindigkeiten ausgeführt Differenz zwischen Azimutgeschwindigkeit und gefilterten Kreiseldaten wird berechnet

15 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 15 Störungsdetektion 2 Strategien für den DR Algorithmus –magn. Kompass als Hauptgerät zur Azimutberechnung, Kreisel zur Störungsdetektion und um magn. Lücken zu füllen –Kreiselsignale zur Bestimmung der Azimuts, magn. Kompass zum Update der Kreisel- parameter, solang keine Störungen detektiert werden

16 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 16 Beschleunigungsmesser DR: Messung der Richtung und der Dauer des Gehens durch Zählen der Schritte Positionsfindung sehr genau Pedometer: 2 Referenzpunkte (Start- und Endpunkt des Schritts) Fehler ist dann Null und maximal bei der Hälfte des Schritts; 2 - 5% bei konstante Schrittlänge grobe Beschleunigungssignale Informationen über die Schrittlänge und -an- zahl, damit Funktion der Laufdynamik

17 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 17 Pedometer Pedometer ist am Fuß befestigt, so dass man einen Winkel erhält Beschleunigung in x- und y-Richtung Statische Gravitationskraft

18 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 18 Detektion der Bewegungsrichtung Gleichzeitig mit der Richtung detektieren –vertikal und anterior-posterior Signale Lösung erhält man durch Erforschen der charakteristischen physiologischen Bewegungen das Abstoßen mit der Ferse markiert den initialen Fußbodenkontakt Gesamtverlauf einer Periode right stance: Bodenkontakt mit Fuß right swing: Fuß anheben, Vorbereitung auf nächsten Schritt

19 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 19 Detektion der Bewegungsrichtung Während des Schritts bewegt sich der Massenmittelpunkt folgendermaßen –senkt sich bei der Vorwärtsbeschleunigung –hebt sich bei der Vorwärtsverzögerung verursacht durch die Verbindung zwischen Massenmittelpunkt und dem Fußboden- kontaktpunkt vor dem Massenmittelpunkt beim Rennen verhält es sich umgekehrt

20 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 20 Orientierungsbestimmung Kreisel zu bestimmende Parameter: Skalierungsfaktor, Bias b gemessene Winkelge- schwindigkeit (initiale Orientierung) Magn. Kompass zu bestimmende Parameter: gem. Azimuth z.Z. k az k lokale magn. Störungen bias magn. Deklination k Orientierung zur Zeit k, wenn k=0 initiale Orientierung

21 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 21 Orientierungsbestimmung magn. Deklination ist korrigiert Bias sind magn. Störungseffekte Einfluss in den groben Kompasssignalen detektierbar Funktion der Bias berück- sichtigt die Distanz anstelle von der verstrichenen Zeit seit der letzten Biasbestimmung

22 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 22 Koordinatenbestimmung Beide Elemente k der DR Methode werden mechanisiert Mechanisierung enthält die Navigationspa- rameter dist k = s dt zurückgelegte Distanz Koordinate Azimut

23 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 23 C DR mit Parameter N und E C xx Kovarianzmatrix von Position, Azimut, Strecke und Sensorparametern (b,, dist) Genauigkeitsuntersuchung Fehlerfortpflanzungsgesetz angewendet –auf Koordinaten (Nord (N) und Ost (E)) –bei der berechneten Orientierung durch Kreisel

24 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 24 Kalman Filter Distanz wird als fehlerfrei betrachtet ausgeglichene grobe Kreiseldaten Genauigkeit des Kreisels erreicht einen bestimmten Wert (z.B. 5°) Verwendung des Azimuts des magn. Kompass als fremde Beobachtung für den KF Berechnung neuer Kreiselparameter diese Näherung erlaubt ein Update der Kreiselparameter Position genau so gut wie mit GPS

25 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 25 Kalman Filter 2 unabhängige Modelle, die je einen stocha- stischen und funktionalen Teil aufweisen (aus der Statistik): Kinematisches Modell Beobachtungsmodell (mit GPS) Ý Update (Kombination beider) Hauptfehler bei Positionsbestimmung Azimutberechnung

26 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 26 Update Vorherige Linearisierung Kombination beider Modelle Abschätzung zur Varianzminimierung der Beobachtungen und Mechanisierungen GPS ist verfügbar – Position und Azimut sind zuverlässig Varianz der Navigationsparameter (Position, Azimut) erreicht vordefinierten Schwellwert

27 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 27 Update Kontrolle durch Berechnung von Verbesser- ungen und unter Berücksichtigung hinsicht- lich der Änderungen des GPS Azimuts verglichen mit den groben Kreiseldaten Verbesserte Parameter Geschätzt als Differenzverteilung zwischen GPS und DR in Parametererweiterungen

28 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 28 Kalman Filter Kalman Filter Winkel, Bias, Maßstabsfunk- tion, Position KreiselWinkel Dig. magn. Kompass Wechselgeschwin- digkeit des Azimuts wenn keine Störungen Störungs- detektion..... Mechanisierung

29 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 29 Filterung und de-noising Kompass bestimmt direkt das Azimutsignal anstatt die Winkelgeschwindigkeit –direkte Konsequenz: sehr verrauschtes Signal bei 60 Hz –signifikante Azimutänderungen werden berücksichtigt im begrenzten Frequenzbereich von 3 Hz einfacher Filter kann das Signal nicht optimal glätten Kaskade von folgenden low-pass Filter zum de-noising

30 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 30 Genauigkeiten Maßstabsfaktor 1% Azimut 1% Winkelgeschwindigkeit 0.1°/s Bias 0,1°/s Schrittlänge: variiert (abhängig von Frequenz) –130 Schritte/min 4% –60 Schritte/min 15% zurückgelegte Distanz (unabhängig von absoluter Distanz) 0,45% - 1,93% Differenz zw. effektiver und vorhersagbaren Distanz > 2%

31 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 31 Beispiel 4 GPS Satelliten initiale Orientierung für den Kreisel 1. Update Bias- kalibrierung

32 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 32 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Noch Fragen?


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