Αδρανειακοί και Μαγνητικοί Αισθητήρες: Βαθμονόμηση και Συνδυασμός Δεδομένων με Εφαρμογή στην Πλοήγηση

Abstract

Οι αδρανειακοί αισθητήρες (αισθητήρες επιτάχυνσης και γωνιακής ταχύτητας) και οι μαγνητικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως σε μεγάλο πλήθος εφαρμογών οι οποίες εκτείνονται από εμπορικά προϊόντα χαμηλού κόστους (κινητά τηλέφωνα, συστήματα συναγερμού κ.λπ.) μέχρι εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας σε τομείς όπως η βιομηχανία, η ναυτιλία κ.α. Αισθητήρες υψηλής ακρίβειας είναι πλέον διαθέσιμοι σε μορφή τσιπ μαζί με τις απαραίτητες ηλεκτρονικές διατάξεις για τη ψηφιοποίηση και πολλές φορές και τη ψηφιακή επεξεργασία των μετρήσεων κάνοντας εύκολη την ενσωμάτωση των μαγνητικών αισθητήρων σε μεγαλύτερα συστήματα. Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη βαθμονόμηση (calibration) αδρανειακών και μαγνητικών αισθητήρων καθώς και την αξιοποίηση των μετρήσεών τους σε εφαρμογές εντοπισμού θέσης (tracking) και πλοήγησης (navigation). Τόσο στην περίπτωση των αδρανειακών αισθητήρων όσο και σε αυτή των μαγνητικών αισθητήρων, κάθε μονάδα αισθητήρα χρειάζεται μια διαδικασία βαθμονόμησης μετά την παραγωγή της προκειμένου να παράγει μετρήσεις υψηλής ακρίβειας. Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται σε αδρανειακούς και μαγνητικούς αισθητήρες τριών αξόνων και χαμηλού κόστους και εξερευνά μεθόδους και αλγορίθμους για την καλύτερη εκμετάλλευση των δεδομένων τους σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ακρίβεια, όπως για παράδειγμα η πλοήγηση. Στο πρώτο της μέρος παρουσιάζονται μέθοδοι και αλγόριθμοι για την βαθμονόμηση αδρανειακών και μαγνητικών αισθητήρων καθώς και για την ευθυγράμμιση των αξόνων ευαισθησίας τους χωρίς την χρήση ειδικού εργαστηριακού εξοπλισμού. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι στηρίζονται σε μεθόδους βελτιστοποίησης ενώ η εκτέλεση τους δεν απαιτεί σημαντικούς υπολογιστικούς πόρους. Στο δεύτερο μέρος, αναδεικνύεται η σημασία της βαθμονόμησης σε εφαρμογές πλοήγησης και στη συνέχεια παρουσιάζονται δύο χαρακτηρίστηκες εφαρμογές. Συγκεκριμένα, αρχικά, παρουσιάζεται ένα σύστημα αδρανειακής πλοήγησης το οποίο συνδυάζει τα δεδομένα αδρανειακών και μαγνητικών αισθητήρων τοποθετημένων στο παπούτσι ενός πεζού ανθρώπου και παρέχει μακροπρόθεσμα μια μεγάλης ακρίβειας εκτίμηση της θέσης. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ένα αδρανειακό σύστημα μέτρησης αποτελούμενο από πολλαπλούς αισθητήρες επιτάχυνσης σε συνδυασμό ένα αισθητήρα γωνιακής ταχύτητας. Το προτεινόμενο σύστημα κλειστού βρόχου αντισταθμίζει δυναμικά το σφάλμα μέτρησης των αισθητήρων επιτάχυνσης και προσφέρει μια εκτίμηση της επιτάχυνσης και της γωνιακής ταχύτητας με πολύ χαμηλά επίπεδα θορύβου.