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Positionierung mobiler Plattformen in Non-Line-of-Sight Szenarien

Hellmers, Hendrik :
Positionierung mobiler Plattformen in Non-Line-of-Sight Szenarien.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Positionierung mobiler Plattformen in Non-Line-of-Sight Szenarien
Language: German
Abstract:

Durch die beschleunigte Entwicklung von handlicher Sensortechnik zur Beobachtung der Umwelt steigt in Industrie und Forschung das Verlangen nach modernen, echtzeitfähigen Applikationen auf Basis standortbezogener Daten. Diese Dienste stellen in Abhängigkeit der Anwenderposition ausgewählte Information mit Raumbezug, z.B. den kürzesten Weg zu einem gewünschten Zielort, bereit und können durch das Global Navigation Satellite System im Außenbereich mittlerweile global bedient werden. Eine Übertragung von Ortung und Navigation in den Innenraum ist hingegen aufgrund von Abschattungen der dabei verwendeten Signale nicht zu realisieren. Neben der Positionierung von Fußgängern können jedoch speziell Applikationen für mobile Plattformen einen erheblichen Beitrag zur Unterstützung logistischer Problemstellungen in Industrie und Wirtschaft leisten. Anwendungsgebiete ergeben sich zum Beispiel in der Erstellung von Gebäudeinformationssystemen, der Objektverfolgung in Industriehallen oder der Positionierung von autonom fahrenden Robotern in Rettungsszenarien. Zwar existieren bereits kommerzielle Systeme für die Positionsbestimmung in überbauten Arealen, die dabei angewendeten Technologien für präzise Lösungen setzen in der Regel jedoch eine direkte Sichtverbindung zwischen fest installierten Referenzstationen sowie dem zu positionierenden Objekt voraus, sodass komplexe Anwendungen nicht oder ausschließlich durch erheblichen Aufwand bezüglich Kommunikation und Datentransfer bedient werden können. Zur Erweiterung dieser bestehenden, zumeist auf elektromagnetischen Signalen beruhenden, Systeme wird daher seit einigen Jahren an der TU Darmstadt sowie der RWTH Aachen eine auf künstlich erzeugten Magnetfeldern basierende Technologie für die Positionsbestimmung erprobt. Magnetfelder profitieren von der Eigenschaft, Objekte jeglicher Art zu durchdringen und somit umgebungsunabhängige Lösungen zu erzielen. Dadurch lassen sich auch in schlecht zugänglichen Bereichen Positionierungsaufgaben bewerkstelligen. Die generierten Signale sind jedoch in ihrer Reichweite begrenzt, sodass die dabei eingesetzten Elektromagneten in der Praxis keine vollständige Problemlösung darstellen. Zur Realisierung einer nachhaltigen Objektpositionierung erfolgt deshalb in modernen Anwendungen die Fusion mit sogenannten Inertialmesseinheiten. Durch die Erfassung und Integration von Bewegungsänderungen - in diesem Fall Beschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten - werden dazu zunächst hochfrequente Lösungen prädiziert. Die aufgrund von langfristigen Sensordrifts entstehenden Unsicherheiten lassen sich darüber hinaus durch den Einsatz unabhängiger, absoluter geometrischer Beobachtungen mittels spezieller Fusionsalgorithmen minimieren. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines echtzeitfähigen Algorithmus für die Positionsbestimmung fahrbarer Plattformen in überbauten Arealen. Die Umsetzung stützt sich dabei auf die Integration einer Inertialmesseinheit mit der ausschließlich im akademischen Bereich existierenden Technologie auf Basis künstlich erzeugter Magnetfelder sowie einem bereits auf dem Markt befindlichen Positionierungssystem. Nach der durchgeführten Verarbeitung sämtlicher Signale sowie einer varianzbasierenden Gewichtung der verwendeten Sensorsysteme mündet die Arbeit in einer Tauglichkeitsuntersuchung beider Fusionsarten für bestehende Positionierungsanwendungen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Through the emergence of compact sensor technologies for realizing realtime positioning, in recent years the research on location based services has been focused from both industry and economy. Although GNSS ensures availability of global applications in outdoor areas, a transition to indoor environments is disabled caused by signal shading and fading effects. However, especially localization for wheeled platforms enables reliable industrial applications with focus on Building Information Modeling, object tracking in warehouses or robots in rescue scenarios. Although several technologies are already in use for realizing positioning, the applied signals in common approaches (for example electromagnetic waves, ultrasonic or WLAN) suffer from signal delay and multipath inside overbuild areas, which leads to the restriction that only line-of-sight scenarios can be handled up to now. Therefore, to extend the amount of existing methods a DC magnetic field based localization system2 for academic research has been created in the past decade. Utilising several electrical coils to generate artificial magnetic signals, the technology benefits by the fact, that magnetic fields penetrate obstacles and building materials without signal delay, which consequently enable distance- and angle-observations in non-line-of-sight-scenarios. However, although this technology facilitates localization regardless of the environment, the approach is limited by its restricted reach and therefore does not represent a complete solution for industrial applications. For this reason, in practical applications a combination with so called inertial measurement systems is performed for providing high frequency predictions utilising acceleration- and angular rate measurements, which are supported by external observations to counter sensor noise caused long-term deviations. Therefor, methods of sensor fusion enable an integration of the different technologies. This work aims at the development of a complete evaluation algorithm for indoor positioning in the context of wheeled platforms. Beside the digital signal processing of all acquired data a capable method for variance-based sensor fusion is been established. In practical use, the inertial measurement system provides high frequency predictions, which are supported by external geometrical observations caused by two different approaches. While the electromagnetic wave based system is in industrial use already, the applied artificially generated magnetic fields are only field-tested in the context of research. Finally the suitability of of the fusions’ approaches is elaborated for getting reliable statements of both techniques’ efficiency.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Faculty of Civil and Environmental Engineering > Institute of Geodesy
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institute of Geodesy > Geodetic Measuring Systems and Sensor Technology
Date Deposited: 08 Nov 2017 11:40
Last Modified: 08 Nov 2017 11:40
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-68892
Referees: Eichhorn, Prof. Andreas and Blankenbach, Prof. Jörg
Refereed: 22 September 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6889
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