Zastosowanie czujników inercyjnych i metody Monte Carlo do

I Wyjazdowa Sesja Naukowa Doktorantów
Politechniki Łódzkiej
Kwiecień 17 – 19, 2011; Rogów - Polska
ZASTOSOWANIE CZUJNIKÓW INERCYJNYCH I METODY MONTE CARLO
DO KOREKCJI ODCZYTÓW GPS W TERENIE MIEJSKIM
Doktorantka: Przemysław Barański
Promotor: Paweł Strumiłło
* Instytut Elektroniki, EEIiA, Politechnika Łódzka, Polska
e-mail: [email protected]
Streszczenie:
W artykule omówiono zastosowanie symulacyjnej metody Monte Carlo do poprawy
dokładności odczytów GPS (ang. Global Positioning System) w terenie miejskim. Zaprojektowany
układ elektroniczny jest elementem systemu do nawigacji pieszej osób niewidomych. W terenie
miejskim, na skutek odbić i wielodrogowości sygnałów od satelitów, odczyty GPS są obarczone
znacznym błędem dochodzącym do kilkudziesięciu metrów. Jednoczesne odczyty z akcelerometru
oraz żyroskopu służą do pomiaru względnego przemieszczenia, a następnie są porównywane
z odczytami GPS. Algorytm symulacji wykorzystujący metodę Monte Carlo, służy do wyznaczenia
najbardziej prawdopodobnego położenia geograficznego. Zastosowany układ umożliwia nawet
kilkukrotne zmniejszenie błędu wyznaczanego położenia geograficznego. W artykule omówiono
metodę korekcji odczytów GPS, w którym zastosowano metodę Monte Carlo oraz zbudowany układ
elektroniczny do pomiaru względnego przemieszczenia obiektu nawigowanego, na podstawie
odczytów z akcelerometru oraz żyroskopu elektronicznego. Opracowany algorytm polega
na tworzeniu dużej liczby tzw. cząstek, które symbolizują hipotetyczny stan pewnego układu
sterowania. Każda cząstka jest reprezentowana przez położenie geograficzne (długość oraz szerokość
geograficzną) oraz związaną z nim wagę. Waga odzwierciedla prawdopodobieństwo wystąpienia
danego stanu. Położenie geograficzne układu jest zatem dane przez rozkład przestrzenny cząstek
o różnych prawdopodobieństwach ich wystąpienia.
I Wyjazdowa Sesja Naukowa Doktorantów
Politechniki Łódzkiej
Kwiecień 17 – 19, 2011; Rogów - Polska
APPLICATION OF INERTIAL SENSORS AND RASTER MAPS FOR CORRECTING
GPS READOUTS IN URBAN TERRAIN
PhD Student: Przemysław Barański
Supervisor: Paweł Strumiłło
*Institute of Electronics, Faculty of Electrical, Electronic, Computer and Control Engineering,
Technical University of Lodz, Poland
e-mail address: [email protected]
Abstract:
The paper describes a method based on particle filtering to correct GPS readouts. The method
uses different sources of information: accelerometer, gyroscope, GPS receiver, raster maps of terrain.
These data are processed by the algorithm to estimate the most probable geographical location of the
user. A prototype was designed with a view of an application for blind pedestrians. The method yields
superior results to sole GPS readouts. Moreover, the location of the user can be effectively estimated
when GPS fixes are not available (e.g. tunnels) GPS readouts are very inaccurate in an urban
environment as for pedestrian navigation. This is due to multipath propagation and other related
phenomena. The estimation error can reach as much as several dozens of meters. The presented
solution copes with these inaccuracies reducing them several times. The method employs particle
filtering which merges the data from accelerometer, gyroscope, GPS receiver and raster maps. The
accelerometer serves as an stepometer which calculates the number of steps as well as estimating their
length. The gyroscope provides angular velocity which is used to calculate a relative rotation of the
traveler. Should the GPS fixes err, the user location is predicted on the base of the stepometer and
gyroscope. The raster map reflects the probability of the user occurrence in a given place. The traveler
is more likely to walk along a pavement than traversing walls, fences or ponds. The introduction of
unlikely areas suppresses the problem of gyroscope readouts drifting away. Raster maps of a terrain
are easy to acquire e.g. from Google Maps. There are however some cases where the estimated
location strays away and reaches a deadend (e.g. connected building or other forbidden areas).