Inertial pocket navigation system for pedestrians
- Autores: Estefanía Muñoz Díaz Ropero
- Directores de la Tesis: Juan Jesús García Domínguez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2016
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jesús Ureña Ureña (presid.), Álvaro Hernández Alonso (secret.), Adriano Jorge Cardoso Moreira (voc.), Raúl Montoliu Colás (voc.), Alfonso Bahillo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes por la Universidad de Alcalá
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
- español
Hoy en día existe una gran demanda de sistemas de navegación personales integrados en servicios como gestión de desastres para personal de rescate. También se demandan sistemas de navegación personales como guía en grandes superficies, por ejemplo, hospitales, aeropuertos o centros comerciales. En esta tesis doctoral los escenarios estudiados son interiores y urbanos. La navegación se realiza por medio de sensores inerciales y magnéticos, idóneos por su amplia difusión, tamaño y peso reducido y porque no necesitan infraestructura. Se llevarán a cabo investigaciones para mejorar los algoritmos de navegación ya existentes y cubrir determinados aspectos aún no resueltos.
En primer lugar se ha llevado a cabo un extenso análisis sobre los beneficios de usar medidas magnéticas para compensar los errores sistemáticos de los sensores inerciales, así como su efecto en la estimación de la orientación. Para ello se han usado medidas de referencia con valores de error conocidos combinando diferentes distribuciones de campos magnéticos. Los resultados obtenidos quedan respaldados con medidas realizadas con sensores reales de medio coste. Se ha concluido que el uso de medidas magnéticas es beneficioso porque acota errores en la orientación. Sin embargo, los escenarios bajo estudio suelen presentar campos magnéticos perturbados, lo que provoca que el proceso de estimación de errores sea prohibitivamente largo.
En esta tesis doctoral se proponen algoritmos alternativos para el cálculo del desplazamiento horizontal del usuario, que han sido comparados con respecto a los ya existentes, ofreciendo los propuestos un mejor rendimiento. Además se incluye un innovador algoritmo para calcular el desplazamiento vertical del usuario, haciendo por primera vez posible obtener trayectorias en 3D usando solamente sensores inerciales no colocados en el zapato.
Por último se propone un novedoso algoritmo capaz de prevenir errores de posición provocados por errores de rumbo. El algoritmo está basado en puntos de referencia automáticamente detectados por medio de medidas inerciales. Los puntos de referencia elegidos para los escenarios cubiertos son escaleras y esquinas, que al revisitarse permiten calcular el error acumulado en la trayectoria. Este error es compensado consiguiendo así acotar el error de rumbo. Este algoritmo ha sido extensamente probado con medidas de referencia y medidas realizadas con sensores reales de medio coste. La compensación de este error se adapta a las características del sistema de navegación personal.
- English
There is nowadays a high demand of pedestrian navigation systems, which are integrated in safety-of-life services such as disaster management for rescue personnel or locationbased services such as guidance in hospitals, airports or shopping malls. In this work, indoor and urban environments constitute the targeted scenarios and the navigation is performed with inertial and magnetic sensors due to their wide availability, light-weight and infrastructureless nature. Investigations are carried out that improve or cover specific gaps of pedestrian navigation areas to offer versatile pedestrian navigation systems for a wide range of applications.
First, the use of magnetic field measurements to compensate the systematic errors of inertial sensors and their effect on the estimated orientation of the sensor has been comprehensibly analyzed. Reference measurements with known error values have been used combined with different magnetic field distributions and the results have been endorsed with real measurements of medium-cost sensors. It is concluded that the use of magnetic measurements is beneficial to estimate the systematic errors, yielding to bounded orientation estimation errors. However, the targeted scenarios commonly present perturbed magnetic fields and the error estimation becomes prohibitively slow.
Second, several algorithms have been proposed in this work that outperform the accuracy of the horizontal displacement of the pedestrian with respect to the state of the art.
Additionally, an innovative vertical displacement estimation algorithm has been proposed and tested in real-world scenarios. This algorithm makes it possible for the first time to solve unaided 3D inertial positioning for non-foot-mounted sensors.
Lastly, a novel drift estimation algorithm capable of preventing positioning errors caused by heading errors is proposed. The computation of the drift is based on landmarks automatically detected using solely inertial measurements. Landmarks defining the building or city layout have been chosen to be stairs and corners. By re-visiting these landmarks it is possible to observe the accumulated drift, which is fed back to the orientation estimation algorithm in order to bound the heading error. The proposed algorithm has been extensively tested with reference and real measurements of medium-cost sensors. Two types of corrections, online and offline, are presented to adapt the pedestrian navigation system to the particular application.
- español
