Indoor Dead Reckoning System
Pekkalin, Olli (2013)
Pekkalin, Olli
2013
Signaalinkäsittelyn ja tietoliikennetekniikan koulutusohjelma
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2013-12-04
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201312121482
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201312121482
Tiivistelmä
In this thesis a positioning system, that can provide accurate reference coordinates for indoor usage is described and analysed. Those coordinates are needed in the development of various indoor positioning systems. Satellite navigation systems such as GPS can provide accurate positioning outdoors but their accuracy is poor when used indoors. Inertial navigation can provide accurate positioning indoors using accelerometers and gyroscopes but an accurate system is extremely expensive. Accurate indoor positioning is also achievable using a floor plan, a measuring tape or both but these methods are prone to human errors. The system presented in this thesis is designed to overcome the aforementioned problems using dead reckoning navigation. Dead reckoning is a positioning method, that starts always from a known location and attitude. In dead reckoning, gyroscope and odometer measurements are used to obtain position by updating the previous position.
The dead reckoning system uses a micro electro mechanical (MEMS) gyroscope and two odometers to measure attitude and travelled distance, respectively. A data acquisition program was written to save their measurements to log files on a PC and position was computed by post processing those. The system has been mounted on a cart for easy transportation.
Before testing accuracy of the system the gyro and odometers were calibrated. The gyro was attached to a turn table to calibrate its scale factor and bias. From the turn table study it became obvious that the gyro needs to be calibrated just before testing accuracy of the system. Odometers were calibrated by driving the cart in a known straight line distance several times. Based on the drives a scale factor was calculated to compensate the difference in odometer readings.
The gyro scale factor was calibrated just before accuracy test of the system by turning the cart around several times. The accuracy of the system was tested in a test drive lasting 30 minutes. During the test the gyro bias was calibrated whenever the system was stopped at reference positions for positioning accuracy estimation. Positioning error of less than 30 cm was achieved in the test drive. Tässä työssä kehitettiin ja analysoitiin tarkka sisätilapaikannusjärjestelmä. Sitä voidaan käyttää tarkkojen koordinaattien määrittämiseen, joita tarvitaan kehitettäessä muita sisätilapaikannusjärjestelmiä. Satelliittipaikannusjärjestelmiä, kuten GPS:ää, voidaan käyttää ulkotiloissa tarkkojen koordinaattien määrittämiseksi, mutta sisällä niiden tarkkuus on heikko. Tarkkaan sisätilapaikannukseen soveltuvat esimerkiksi gyroskooppeja ja kiihtyvyysantureita käyttävät inertiapaikannusjärjestelmät, mutta ne ovat erittäin kalliita. Pohjapiirustusta, mittanauhaa tai molempia voidaan käyttää tarkkaan sisätilapaikannukseen, mutta niitä käytettäessä tulee tehtyä helposti virheitä. Työssä esitetty vektorisuunnistusjärjestelmä on suunniteltu ratkaisuksi edellä mainittuihin ongelmiin. Vektorisuunnistus on paikannusmenetelmä, joka alkaa aina tunnetusta sijainnista ja suunnasta. Siinä käytetään gyroskoopin ja matkamittarin mittauksia paikan määrittämiseksi päivittämällä edellinen sijainti.
Työssä esitetty järjestelmä käyttää mikromekaanista (MEMS) gyroskooppia suunnan määrittämiseksi ja kahta matkamittaria kuljetun matkan mittaamiseksi. Mittausten lukemiseksi antureilta kirjoitettiin tietokoneohjelma, joka tallensi ne lokitiedostoihin. Järjestelmän sijainti määritettiin jälkikäteen käyttäen lokitiedostoihin tallennettuja mittauksia. Järjestelmä on kiinnitetty kärryyn, jotta sitä on helppo kuljettaa sisätiloissa.
Järjestelmän gyroskooppi ja matkamittarit kalibroitiin ennen sen tarkkuuden tutkimista. Skaalauskertoimen ja biaksen määrittämiseksi gyroskooppi kiinnitettiin pyörityspöytään. Kalibrointituloksista kävi ilmi, että gyroskooppi täytyy kalibroida juuri ennen järjestelmän tarkkuuden tutkimista. Matkamittarit kalibroitiin työntämällä kärryä suoraan tunnetun pituinen matka, jonka mittaus toistettiin useampia kertoja. Mittausten perusteella määritettiin skaalauskerroin, jolla kompensoitiin matkamittareiden lukemissa havaittu ero.
Gyroskoopin skaalauskerroin kalibroitiin juuri ennen järjestelmän tarkkuuden tutkimista pyörittämällä kärryä useampi kerta ympäri. Järjestelmän tarkkuutta tutkittiin koeajossa, joka kesti 30 minuuttia. Koeajon aikana gyroskoopin bias kalibroitiin aina pysähdyttäessä tunnetuissa sijainneissa paikannustarkkuuden tutkimiseksi. Paikannusvirhe koeajon aikana oli alle 30 cm.
The dead reckoning system uses a micro electro mechanical (MEMS) gyroscope and two odometers to measure attitude and travelled distance, respectively. A data acquisition program was written to save their measurements to log files on a PC and position was computed by post processing those. The system has been mounted on a cart for easy transportation.
Before testing accuracy of the system the gyro and odometers were calibrated. The gyro was attached to a turn table to calibrate its scale factor and bias. From the turn table study it became obvious that the gyro needs to be calibrated just before testing accuracy of the system. Odometers were calibrated by driving the cart in a known straight line distance several times. Based on the drives a scale factor was calculated to compensate the difference in odometer readings.
The gyro scale factor was calibrated just before accuracy test of the system by turning the cart around several times. The accuracy of the system was tested in a test drive lasting 30 minutes. During the test the gyro bias was calibrated whenever the system was stopped at reference positions for positioning accuracy estimation. Positioning error of less than 30 cm was achieved in the test drive.
Työssä esitetty järjestelmä käyttää mikromekaanista (MEMS) gyroskooppia suunnan määrittämiseksi ja kahta matkamittaria kuljetun matkan mittaamiseksi. Mittausten lukemiseksi antureilta kirjoitettiin tietokoneohjelma, joka tallensi ne lokitiedostoihin. Järjestelmän sijainti määritettiin jälkikäteen käyttäen lokitiedostoihin tallennettuja mittauksia. Järjestelmä on kiinnitetty kärryyn, jotta sitä on helppo kuljettaa sisätiloissa.
Järjestelmän gyroskooppi ja matkamittarit kalibroitiin ennen sen tarkkuuden tutkimista. Skaalauskertoimen ja biaksen määrittämiseksi gyroskooppi kiinnitettiin pyörityspöytään. Kalibrointituloksista kävi ilmi, että gyroskooppi täytyy kalibroida juuri ennen järjestelmän tarkkuuden tutkimista. Matkamittarit kalibroitiin työntämällä kärryä suoraan tunnetun pituinen matka, jonka mittaus toistettiin useampia kertoja. Mittausten perusteella määritettiin skaalauskerroin, jolla kompensoitiin matkamittareiden lukemissa havaittu ero.
Gyroskoopin skaalauskerroin kalibroitiin juuri ennen järjestelmän tarkkuuden tutkimista pyörittämällä kärryä useampi kerta ympäri. Järjestelmän tarkkuutta tutkittiin koeajossa, joka kesti 30 minuuttia. Koeajon aikana gyroskoopin bias kalibroitiin aina pysähdyttäessä tunnetuissa sijainneissa paikannustarkkuuden tutkimiseksi. Paikannusvirhe koeajon aikana oli alle 30 cm.