Anhand der Fußgängernavigation Positionsbestimmung ohne GPS – Dead Reckoning (DR) Anhand der Fußgängernavigation

Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning Anwendungsbereiche Autonavigation Fußgängernavigation Flugzeugnavigation Schifffahrt alle Systeme verwenden GPS, wenn möglich 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Gründe für Dead Reckoning (DR) GPS nicht empfangbar: a) Abschattung zu groß (Bsp.: Gebäudeinneres, dichte Vegetation) b) elektrische Störungen c) Mehrwegeeffekte 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Benötigte Beobachtungen für DR A (GPS) X Y Z Distanz B (ohne GPS) Höhe Richtung Beobachtungen: Richtung(en) Distanz Tachymeter: 2 Richtungen Distanz Dead Reckoning: 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Bauplan Fußgängernavigation(PND) Physiologische Charakteristik Physiologische Charakteristik Beschleunigungsmesser 1. Vertikale Richtung 2. Gangrichtung vorwärts 3. Seitliche Richtung Beschleunigungsmesser 1. Vertikale Richtung 2. Gangrichtung vorwärts 3. Seitliche Richtung Schritt-model Schritt-modell Barometer (P,T) Digitaler Magnet Kompass Gyroskop Richtung: Azimut Distanz Distanz Höhe GPS GPS Position Kalmanfilter 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Bauplan Fußgängernavigation(PND) Physiologische Charakteristik Schrittmodell Beschleunigungsmesser 1. Vertikale Richtung 2. Gangrichtung vorwärts 3. Seitliche Richtung GPS Distanz 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Funktionsweise Schrittmodell (Distanz) + 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Funktionsweise Schrittmodell (Distanz) Normale Schrittlänge variiert (Gangart) Keine Symmetrie zwischen Rechts- und Linksschritt (Differenz bis zu 5 cm) Physiologische Aspekte (Körpergewicht, Größe) Modellierung der Schrittlänge über Frequenz Schrittfrequenz über Fast Fourier Transformation => individuell pro Person und nach Gangart 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Funktionsweise Schrittmodell (Distanz) Detektion eines Schrittes über Beschleunigungs- messer (auftreffen des Schuhes auf Boden) - begutachten der Maxima im Intervall - Filter (Wavelets) wegen leichtem und schwerem Kontakt des Schuhes mit Boden Über Schwellwertdefinition Festlegung der Gangart Schrittfrequenz muss kalibriert werden je Benutzer 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Funktionsweise Schrittmodell (Distanz) => Distanz = Schrittanzahl*Schrittlänge wenn GPS empfangbar, dann Kalibrierung der Frequenz bei bekanntem Punkt Anbringung von Beschleunigungssensoren am Torso in Gangrichtung (Gürtel) für vorwärts- rückwärts, einer orthogonal zum Ersten (Rücken) einer für Seitwärtsbewegungen (seitlich Gürtel) 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Bauplan Fußgängernavigation (PND) Beschleunigungsmesser 1. Vertikale Richtung 2. Gangrichtung vorwärts 3. Seitliche Richtung GPS - Digitaler Magnet Kompass - Gyroskop Richtung: Azimut 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Bestimmung des Azimut (Richtung) Über “Digitaler Magnet Kompass“ (DMK) und Gyroskop kombiniert Vorteil Nachteil DMK Gyros-skop - Absolute Azimut nicht zeitabhängig Magnetfeldstörung - Ortsabhängig Genauigkeit Keine externen Störungen Keine ortsabh. Genauigkeit Drift, Maßstab Relativer Azimut zeitabhängig Genauigkeit 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Bestimmung des Azimut (Richtung) - Gyroskop besitzt über kurze Zeit höhere Genauigkeit - magnetischer Azimut entspricht der Horizontalen des Ganges Magnetisch Nord a Trajektor 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Bestimmung des Azimut(Richtung) Magnetfeldstörungen Arten: Harte: permanent Magnet, elektr. Leitungen Weiche: Magnetisches Material abhängig von der Stärke des Erdmagnetfeldes Anbringung des Gerätes (Torso vorn) =>Bewegung: links AZ-90°; rechts AZ+90°;rückw. AZ+180° - Berücksichtigung Deklination (Problem Gehrichtung nach N) - Filtersystem 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Bestimmung des Azimut(Richtung) 2 Strategien: Azimut über Kompass und Magnetfeldstörungen über Gyroskop (Kalibriert zuvor Drift, Maßstab über GPS oder Kompass) Azimut über Gyroskop und DKM oder GPS für Kalibrierung des Gyroskops => Erste ist die bessere (+GPS wenn empfangbar) 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

DKM mit Gyroskop mit/ohne Störungen - Azimut ist die größte Fehlerquelle bei der Positionsbestimmung!! 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Bauplan Fußgängernavigation(PND) Barometer (P,T) Höhe GPS 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning Bestimmung der Höhe Höhe ist die schwächste Komponente bei GPS - Signalstörungen meistens vertikal Barometer (Druck, Temperatur) ein Barometer starke Drift daher 1 Barometer als Referenzstation Anbringung an Gürtel 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning Bestimmung der Höhe Speziell geeignet: Bestimmung Neigungen (klein oder groß) Treppen (5 Stufen= +/-1m, da genormt ) Fahrstühle Verbesserungen Trajektorien über cosinus der Neigung Filter Exponential für (Neigung, Fahrstuhl) 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Bauplan Fußgängernavigation(PND) - Digitaler Magnet Kompass - Gyroskop Höhe Richtung: Azimut Distanz Kalmanfilter Position 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning Kalmanfilterablauf Minimierung der Varianz von vorausgesagten Parameter zwischen vorherigen Zeitpunkt und den gegenwärtigen äußeren Beobachtungen Kinematisches Modell (KM) (stochastisch+funktional) Beobachtungsmodell (BM) (stochastisch+funktional) => Update (1+2) 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning Kalmanfilterschema Parameter Mechanisierung DM Gyroskop/DKM Kalibrierungsdaten Parameter l Stoch.Modell Funk.Modell Neue Parameter Update 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning Kalmanfilterablauf Parameter: Distanz, Bias, Maßstab, Azimut, Ost,Nord und Höhe Mechanisierung: stochastischer Teil (Modell) über Varianzfortpflanzung Dynamisches Modell : Mechanisierung*Übergangsmatrix+Rauschen db, dm über Gauß-Markoff dA und dB mit vorkalibrierten Parametern (Ausnahme: Neigung >7%) =>Echtzeitdetektion noch Problem) 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning Kalmanfilterablauf Parameter l: äußere Beobachtungen (Position, Azimut von GPS) Stochastische Modell: l- v=f(x) v= Residuen von Beobachtungen Funktionales Modell: Vk = l- f(xk) xk= Vektor der Mechanisierung Vk = Differenz zwischen GPS (Position,Azimut) und DR nach Mechanisierung =>Indikator für Zuverlässigkeit 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning Kalmanfilterablauf Update: Kombinierung von (1) und (2) Folgende Bedingungen müssen gelten: GPS erreichbar Vordefinierte Level der Varianz von (Azimut,Position) GPS-Position und Azimut sind zuverlässig vk 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning Kalmanfilterablauf Update: Abschätzung der Mechanisierung Der Update kann als Verteilung von Differenzen zwischen GPS Und DR als Zuwachs der Parameter angesehen werden. 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Genauigkeiten der Komponenten Barometer (2) : 0,1 mbar < 1 m Gyroskop: Maßstab: 1% Bias: 0,1°/s DMK: Azimut: 1% d) Schrittmodell (Frequenz): 130 Schritte/min: 4% 60 Schritte/min: 15% e) Fehler in der zurückgelegte Distanz: 0,45% - 1,93% f) Diff. zu effektiver und vorhersagb. Distanz: >2% 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning Beispiel: 4 Satelliten initiale Orientierung über 1.Update (Kalibrierung Bias) 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Visualisierung der Sensorstandpunkte Rücken: GPS Gürtel: Barometer,DKM,Gyroskop,Beschleunigungsmesser Fuß: Schrittdetektor 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Technische Daten des System Batterie : 9 V Lithium (8 Stunden) Gewicht: 50 Gramm Größe : 73,7 mm * 48,3 mm * 18 mm Preis : 2.000 Dollar 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Verbesserung des Systems Gyroskop (Kreisel) Batterie (Verbrauch der Schaltung) Antennen genauere Detektion (Schrittfrequenz) 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning

Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. 05.06.03 Positionsbestimmung ohne Gps- Dead Reckoning