Fußgängernavigation Dead - Reckoning

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner Übersicht Motivation Sensoren Dead Reckoning Algorithmus (DR) Kalman Filter (KF) Genauigkeiten Beispiel 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner Motivation Navigationssystem für Fußgänger Bestimmung der Position auch innerhalb von Gebäuden  GPS nicht verfügbar 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

Navigationssystem Beschleunigungsmesser + Kreisel Grobe Daten Vorverarbeitung Physiologische Charakteristik Schrittmodell Azimut der Verlagerung Dead Reckoning Position Schnelligkeit Orientierung GPS Vorfilter Integrationsprozess 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

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 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

Platzierung der Sensoren Verschiedene Auswertungen bei Platzierung an: Körperglieder (Arme, Beine) Rumpf (Brust, Rücken) Kopf Ausrichtung am Körper gegenseitige Ausrichtung 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner Erste Komponente: Berechnung von Geschwindigkeit Distanz zweite Komponente: Orientierung 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 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 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

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) 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner Sensorvergleich 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 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. 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner Störungen keine Störungen harte magn. Störungen weiche magn. Störungen gemessene Störungen korrigierte Störungen 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

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 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner Störungsdetektion Detektion der magn. Störungen wird durch Vergleich zweier Winkelgeschwindigkeiten ausgeführt Differenz zwischen Azimutgeschwindigkeit und gefilterten Kreiseldaten wird berechnet 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 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 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

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 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner Pedometer Pedometer ist am Fuß befestigt, so dass man einen Winkel  erhält Beschleunigung in x- und y-Richtung Statische Gravitationskraft 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

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 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

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 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

Orientierungsbestimmung Magn. Kompass zu bestimmende Parameter: gem. Azimuth z.Z. k azk lokale magn. Störungen bias magn. Deklination  Kreisel zu bestimmende Parameter: Skalierungsfaktor , Bias b gemessene Winkelge-schwindigkeit  (initiale Orientierung) k Orientierung zur Zeit k, wenn k=0  initiale Orientierung 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

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 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

Koordinatenbestimmung Beide Elemente k der DR Methode werden mechanisiert Mechanisierung enthält die Navigationspa-rameter distk= s dt zurückgelegte Distanz Koordinate Azimut 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

Genauigkeitsuntersuchung Fehlerfortpflanzungsgesetz angewendet auf Koordinaten (Nord (N) und Ost (E)) bei der berechneten Orientierung durch Kreisel CDR mit Parameter N und E Cxx Kovarianzmatrix von Position, Azimut, Strecke und Sensorparametern (b, , dist) 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 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 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner Kalman Filter 2 unabhängige Modelle, die je einen stocha-stischen und funktionalen Teil aufweisen (aus der Statistik): Kinematisches Modell Beobachtungsmodell (mit GPS) Update (Kombination beider) Hauptfehler bei Positionsbestimmung Azimutberechnung 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 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 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 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 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner Kalman Filter Mechanisierung . . . Kreisel Winkel Kalman Filter Winkel, Bias, Maßstabsfunk-tion, Position Störungs-detektion wenn keine Störungen . Wechselgeschwin-digkeit des Azimuts Dig. magn. Kompass . 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

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 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner 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% 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner Beispiel 4 GPS Satelliten initiale Orientierung für den Kreisel 1. Update  Bias-kalibrierung 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner

Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Noch Fragen? 20.06.2002 GIS-Seminar Fußgängernavigation - Deadreckoning Verena Lobner