WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные материалы
 

«Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова Факультет вычислительной математики и кибернетики Магистерская программа «Программное ...»

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Факультет вычислительной математики и кибернетики

Магистерская программа «Программное обеспечение вычислительных сетей»

Магистерская диссертация

Инерциальная навигация мобильных устройств.

Работу выполнил

студент Бутаков Никита Александрович

Научный руководитель:

с.н.с лаборатории ОИТ факультета ВМК МГУ им. М.В.

Ломоносова, к.ф.-м.н Намиот Дмитрий Евгеньевич

подпись научного руководителя:

Москва Содержание Аннотация………………………………………………………………………..4 Введение……………………………………………………………. ……………5 1 Обзор известных средств и методов решения проблемы……………….8

1.1 Типы гироскопов и акселерометров в современных мобильных устройствах……………………………… ……………………………………..8

1.2 Точность гироскопов и акселерометров в современных мобильных устройствах…………………………………………………………………….16

1.3 Существующие типы инерциальных систем навигации для мобильных устройств……………………………………………………………………….18 1.3.1 Физические принципы инерциальной навигации 1.3.2 Обобщенные схемы ИНС на базе ГСП 1.3.3 Классификация ИНС 1.3.4 Особенности инерциальных навигационных систем 1.3.5 Принципы определения текущих координат, скорости и построения вертикали в ИНС 1.3.6 Инерциальная навигационная система 1.3.7 Бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) 2 Исследование и построение решения…………………………………….36

2.1 Предлагаемыйподход к использованию инерциальной навигации в мобильных устройствах……………………………………………………….36



2.2 Способы устранения погрешности……………………………………….43 2.2.1 Использование планировки здания для аналитического устранения погрешности.

2.2.2 Устранение погрешности на этапе измерения.

2.3 Достоинства данного способа ……………………………………………47 3 Практическая часть………………………………………………………..49

3.1 Требования к системе………………………………………………………49

3.2 Описание работы предлагаемой практической системы………………………………..51 Заключение………………………………………………………………………57 Список пронумерованных формул…………………………………………….61 Список литературы………………………………………………………………62 Аннотация В данной диссертации изучена возможность применения инерциальных систем навигации для позиционирования мобильных устройств (мобильных телефонов). Были рассмотрены реальные подходы к инерциальным системам навигации, а также пути уменьшения погрешностей вычисления местоположения мобильных устройств с использованием инерциальной системы навигации.

Были изучены всевозможные виды и типы, доступные в данный момент, акселерометров и гироскопов, для углубления знаний в области их работы и внедрения в разработку навигационных систем.

Приведена информация об устройствах со встроенными датчиками и выделены основные результаты исследований.

Ключевые слова – акселерометр, гироскоп, инерциальная система, навигация, мобильное устройство.

Введение Сегодня проблема навигации является одной из наиболее востребованных задач мобильных технологий. Существует большое количество видов навигации мобильных устройств - системы контрольных точек, GPS - навигация, отслеживание с помощью пеленгации сигнала с помощью нескольких передатчиков - и многие другие. Мобильным устройствам, кроме позиционирования на местности, часто бывает, необходима информация о взаимном расположении этих устройств относительно друг друга.

Все вышеперечисленные способы обнаружения местоположения мобильных устройств (мобильных телефонов, планшетов и другое) применяются в различных сферах деятельности и быту, но, увы, они не являются автономными. GPS-навигация не всегда доступна, а также не всегда имеет большую точность. Измерение задержки сигнала с помощью точек доступа требует усовершенствования, а также поддержки инфраструктуры на местности, на которой будет проводиться навигация.

Системы контрольных точек не всегда дают требуемый объем информации.

Указанные выше проблемы приводят к идее о создании системы, которая позволила бы отслеживать мобильные устройства автономно. С помощью инерциальной системы навигации мы можем достичь автономной работы навигационных систем.

Основная идея этой системы - это, взяв за основу некоторую начальную информацию о местоположении объекта, отслеживать перемещения объекта на основании показаний нескольких датчиков, которые установлены на мобильных устройствах - гироскоп и акселерометр.

Целями данной исследовательской работы являются:

- определение и выяснение актуальности использования инерциальной системы навигации в мобильных устройствах;

- предоставление подхода к использованию инерциальной системы навигации мобильного устройства, с помощью встроенного гироскопа и акселерометра;

- анализ существующих работ в данной области;

- анализ и оценка возможных ошибок в определении местоположения с использованием инерциальных систем.

Инерциальные системы давно применяются в авиации для навигации воздушных суден и еще в некоторых областях. Но можем ли мы применить инерциальную систему навигации в мобильных устройствах? Будет ли точность данных, которые получает пользователь, достаточно высока?

Решению этих вопросов и посвящена данная диссертация.

Задачи данной исследовательской работы:

- определить разновидности акселерометров и гироскопов, которые используются на мобильных устройствах в данный отрезок времени;

- выяснить принцип их работы;

- понять ошибки и негативные факторы, которые возникают во время работы с навигационными системами;

- описать ошибки и негативные факторы, которые присущи данным видам навигационных систем;

- предложить теоретический анализ существующих ошибок и отклонений, на основе полученных данных от опытных исследований;

- проанализировать полученные данные и предложить подход к исправлению ошибок в работе с инерциальными системами навигации, на разных стадиях работы;

- предоставить теоретический расчёт исправленных ошибок 1 Обзор известных средств и методов решения проблемы

1.1 Типы гироскопов и акселерометров в современных мобильных устройствах Перед тем, как перейти к рассмотрению возможности реально использовать инерциальные системы навигации (ИНС) в мобильных устройствах, нужно обратить внимание на то как они работают, есть ли преимущества, каковы недостатки, а также описать подходы к построению ИНС [1].

В последнее время, ИНС имеют большую популярность при решении задач пространственного передвижения объектов, так как они позволяют получить информацию о поступательном и угловом движении заданного объекта. При введении некоторого объема исходной информации об окружающей местности (поля, система координат, возвышенности и т.д.), эти системы позволяют автономно определить необходимые для управления навигационные параметры с высокой точностью во время передвижения объекта. Исходную информацию ИНС измеряется при помощи датчиков измерения поступательного движения (гироинтеграторов (ГИ) линейных ускорений или акселерометров (А)) и датчиков измерения углового движения объектов (гироскопических). Далее, для летательных аппаратов, например, данную информацию (как правило, вектор мнимого ускорения и вектор абсолютной угловой скорости) подвергают обработке бортовым вычислителем с целью получения необходимой навигационной информации о скорости передвижения, ориентации и местоположения объекта.

«Инерциальные системы навигации обладает рядом преимуществ, например, автономность, достаточная точность, помехозащищенность, благоприятные габаритно-весовые характеристики и другие».

[2]Перспективы совершенствования и развития этих систем, несомненно, огромные. Это, не в последнюю очередь, связано с возможностью использовать эти системы при разработке новейших чувствительных элементов (лазерных, динамически настраиваемых, роторных вибрационных гироскопов (РВГ), волновых твердотельных гироскопов, микромеханических гироскопов (ММГ) и т.п.) и прогресса в области создания бортовых вычислительных устройств.

«Гироско п (от др.-греч. — круг + — смотрю) — это приспособление, которое дает возможность вымерять угол отклонения тела от его оси. Простейший гироскоп – это юла». [2] Термин впервые введен Ж. Фуко в его докладе в 1852 году во Французской Академии Наук. Этот доклад посвящался экспериментальным выявлениям отклонений Земной оси. Прибор был назван «гироскопом».





Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

- двухстепенные,

- трехстепенные.

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

- механические гироскопы,

- оптические гироскопы.

Выделяются, среди гироскопов механического действия роторный гироскоп — быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения – он может менять положение тела в пространстве свободно. Ось вращения, при этом движется медленнее, нежели сам прибор. Самым главным свойством данного вида гироскопа является способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа [3].

Свойства трехстепенного роторного гироскопа Рис 1. Прецессия механического гироскопа.

При воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси прецессии, которая перпендикулярна моменту внешних сил.

В инерциальной системе координат движение гироскопа описывается, согласно следствию второго закона Ньютона, уравнением

–  –  –

направлению моменту, приложенному к гироскопу. Такой момент реакции моментом реакции, которое равное по величине и противоположное по принято называть гироскопическим.

То же самое движение прибора можно обсуждать по другому в не инерциальной системе координат, связанной с кожухом ротора. Для этого требуется введениеобманной силы инерции — так называемой кориолисовой силы. Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего момента (нутационный бросок). Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переносной угловой скоростью вращения вследствие действия этого момента. Но ротор гироскопа, помимо этого, и сам вращается, поэтому каждая частица будет иметь относительную скорость. В результате возникает кориолисова сила, которая заставляет гироскоп двигаться в перпендикулярном приложенному моменту направлении, то есть прецессировать. [3]

Вибрационные гироскопы

Вибрационные гироскопы — приборы, которые сохраняют поворачивающие или сохраняющие направление своих колебаний при повороте основания пропорционально угловой скорости (ДУС — датчики угловой скорости) или углу поворота основания (интегрирующие гироскопы). В сравнении с роторными гироскопами, этот вид гироскопов является более простым и дешёвым. В англо-язычной литературе также употребляется термин «Кориолисовы вибрационные гироскопы» — хотя принцип их действия основан на эффекте действия силы Кориолиса, как и у роторных гироскопов.

Например, в системе измерений наклона электрического самоката Сигвей применяются вибрационные гироскопы. Эта система состоит из 5-ти гироскопов вибрационного вида и суммарные данные, поступающие от них обсчитываются двумя микропроцессорами.

Такие и подобные микро-гироскопы широко используются в современных технологиях. Ими оснащены автомобили, телефоны, камеры и другая техника, подразумевающая использование гироскопов в своих технологиях, для обеспечения их работы и безопасности.[4] Принцип работы Принцип работы заключается в следующем: два грузика, которые подвешены, вибрируют в MEMS-гироскопе с частотой

–  –  –

-Пьезоэлектрические гироскопы.

-Твёрдотельные волновые гироскопы. Работа одной из разновидностей ТВГ разработанные с 80-х гг. компаниями GE Marconi, GE Ferranti (ВБ), WatsonIndustiresInc. (США), InertialEngineeringInc. (США) Innalabs, и другими основаны на управлении двумя стоячими волнами в физическом теле — резонаторе, который может быть как осе-симметричным, так и циклически-симметричным. При этом, симметричная оси форма резонатора позволяет достичь характеристик гироскопа, а именно: очень увеличить и продлить срок эксплуатации и обеспечить ударостойкость, что важно для обеспечения работы современных систем. Резонаторы подобных КВГ вибрируют по второй форме колебаний (как и в HRG). Из этого следует, что стоячие волны — это колебания эллиптических форм с четырьмя пучностями и четырьмя узлами, которые располагаются по окружности края резонатора.

Угол между смежными узлами / пучностями составляет 45 градусов.

Эллиптическая форма колебаний возбуждается до определенной амплитуды.

Когда гироскоп поворачивается вокруг оси чувствительности, результирующие Кориолисовы силы, воздействующие на элементы вибрирующей массы резонатора, возбуждают парную форму колебаний.

Угол между главными осями двух режимов составляет 45 градусов.

Замкнутый контур управления (компенсационная обратная связь — КОС) гасит парную форму колебания к нулю. Амплитуда силы (то есть сигнал пропорциональные току или электрическому напряжению в цепи КОС), необходимая для этого, пропорциональна угловой скорости вращения датчика.

Данная система управления контура называется компенсационной аналогично КОС маятниковых акселерометров и классических роторных ДУС. Для сотворения компенсационной силы и считывания вызванных движений используются пьезоэлектрические элементы, закреплённые на резонаторе. Эта система очень полезна своей шумоизолирующей функцией и является необходимой в работе для многих «тактических» применений (хотя и снижает чувствительность датчика пропорционально расширению его диапазона измерений). Эти гироскопы в своих системах применяют высокоэффективные сплавы, которые облегчают работу с ними и являются очень удобными. В любом случае, их добротность теоретически ограничена величинами порядка 100тыс. (на практике, обычно, не выше 20тыс.), что на несколько порядков ниже много-миллионной добротности резонаторов КВГ из кварцевого стекла или монокристаллов, используемых для «стратегических» применений.[6]

-Камертонные гироскопы.

-Вибрационные роторные гироскопы (в том числе динамически настраиваемые гироскопы).

-МЭМС-гироскоп.[7]

–  –  –

Рис 3. Схема лазерного гироскопа. Здесь луч лазера циркулирует с помощью зеркал и постоянно усиливается лазером. Замкнутый контур имеет ответвление в датчик на базе интерферометра.

Делятся на лазерные (активные оптические) гироскопы, пассивные оптические гироскопы, волоконно-оптические и интегрально-оптические (ВОГи ИОГ). Принцип действия основан на эффекте Саньяка, открытом в 1913 году. Теоретически он объясняется с помощью специальной теории относительности (СТО). Согласно СТО скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта. В то время как в неинерциальной системе она может отличаться от c. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения разница во времени прихода лучей (определяемая интерферометром) позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча.

Величина эффекта прямо пропорциональна угловой скорости вращения интерферометра и площади, охватываемой путём распространения световых волн в интерферометр:

–  –  –

гироскопа. Так как величина очень мала, её прямое измерение с помощью направлениях, S— площадь контура,— угловая скорость вращения пассивных интерферометров возможно только в волоконно-оптических гироскопах с длинной волокна 500—1000 м. Во вращающемся кольцевом интерферометре лазерного гироскопа можно измерить фазовый сдвиг встречных волн, который равен:

–  –  –

где — длина волны.

1.2 Точность гироскопов и акселерометров в современных мобильных устройствах Акселерометр (лат. accelero – ускоряю и др.-греч.

(G-сенсор) «измеряю») – это прибор, который измеряет проекцию ускорения тела.

Изначально, акселерометр – это масса, которая закреплена на отвесе.

Отклонение этой массы, от первоначальных координат и есть кажущееся ускорение. Иначе, он определяет угол отклонения тела, по отношению к Земле. Программа, которая отвечает за отображение информации, получая данные от акселерометра, поворачивает экран. Например, «на устройстве с G-сенсором для перехода в альбомную ориентацию экрана достаточно всего лишь повернуть устройство на 90 градусов. Изображение на экране повернется «само», так как сработает акселерометр».[8] Рис 4. Схема простейшего Рис. 5. Датчик акселерометра, акселерометра встраиваемый в смартфон Акселерометр реагирует на изменения, которые сделал пользователь и передает эти данные программному обеспечению, которое в свою очередь отображает их. Типичным сценарием для использования акселерометра является потряхивание устройства для очистки экрана. Так же на данных акселерометра основана функция автоматической смены ориентации дисплея. [9] «Гироскоп (от др.-греч. – круг, смотрю) – это приспособление, которое замеряет угол отклонения тела, на котором установлено, от первоначальных координат, относительно инерциальной системы отсчета» [10]. Гиродатчик – это приспособление, которое отслеживает отклонения в изменении положения тела, для прослеживания перемещения объекта. Программы, которые используются вместе с датчиками, способны быстро обрабатывать и отображать изменения координат объекта. Например, в ноутбуках гироскоп позволяет быстро включить режим фиксации жесткого диска в случае падения или просто резкого перемещения устройства. Впрочем, во многих ноутбуках для аналогичных целей используется и акселерометр.

–  –  –

1.3 Существующие типы инерциальных систем навигации для мобильных устройств 1.3.1 Физические принципы инерциальной навигации Методы инерциальной навигации и инерциальные навигационные системы (ИНС) на этапе сегодняшнего развития широко используются и применяются во всех мобильных устройствах, которые используются в повседневной жизни и во всех сферах деятельности человека. На сегодняшний день именно инерциальные системы навигации обладают всеми функциями, нужными для современной работы. Среди них помехоустойчивость, полная автономность работы, универсальность и скрытность работы. «Вместе с тем, эти системы, в данный момент отличаются достаточной точностью. Также они могут совершенствоваться по отношению к развивающемуся прогрессу данной области знаний» [10].

Физические принципы инерциальной навигации неразрывно связаны с решением основной задачи динамики: когда на тело действует сила, с помощью параметров и существующих данных нужно определить местоположение тела в определенный момент.

Решение этой задачи разбивают на два этапа:

- определение движения центра масс;

- определение движения тела вокруг центра масс. Например, если на какойлибо объект, что вращается не далеко от поверхности Земли, установлен трехкомпонентный акселерометр, то модель такого акселерометра можно представить в виде материальной точки единичной массы (чувствительного элемента), установленной в трехкомпонентном упругом подвесе (рис. 7).

При решении задач общей теории инерциальной навигации движение этой 2 материальной точки рассматривается как поступательное движение объекта. Кроме того, считают, что на чувствительный элемент (ЧЭ) акселерометра действует две силы – сила притяжения Земли и сила упругой деформации подвеса.

–  –  –

1 – чувствительный элемент (ЧЭ); 2 – элемент упругого подвеса.

Начало инерциальной системы координат свяжем с центром Земли.

Одну из этих осей направим вдоль оси собственного вращения Земли.

Уравнение движения ЧЭ акселерометра в этой системе координат запишем в виде:

–  –  –

где – неизменная величина.

Если измерить деформацию подвеса, то при известной его жесткости можно найти силу n, в осях, связанных с корпусом акселерометра, по отношению к инерциальной системе координат, и при начальных условиях 0 = ( = 0); = ( = 0), (9) значения векторов r и (соответственно положения и скорости движущегося в результате интегрирования уравнения могут быть получены текущие объекта).

Ориентация осей, связанных с корпусом акселерометра, определяется с помощью гироскопов. В простейшем случае акселерометр может быть установлен на гиро-стабилизированной платформе, сохраняющей заданную ориентацию в инерциальной системе координат.

–  –  –

= = ;

+ + 3 = (10) где точкой обозначены локальные производные в подвижной системе координат. Подготовка ИНС к началу работы состоит в определении и введении в вычислительное устройство начальных значений местоположения и скорости объекта и параметров начальной ориентации подвижного и неподвижного (основного) трехгранников.

ИНС разделяются на два основных класса: платформенные и бесплатформенные. В платформенных ИНС все чувствительные элементы (акселерометры, размещаются на гиростабилизированной платформе). В бесплатформенных ИНС чувствительные элементы размещаются так, что бы ось симметрии датчиков была расположена параллельно продольной оси подвижного объекта-носителя. При подготовке к работе ИНС платформенного типа гиростабилизированная платформа устанавливается в заданное положение по отношению к географической системе координат (то есть по отношению к местным географическим вертикали и меридиану).[11] В настоящее время наибольшее распространение получили платформенные ИНС.

1.3.2 Обобщенные схемы ИНС на базе ГСП

Обобщенная схема ИНС:

рис 8

–  –  –

3– интегрирующее устройство[12].

Трехкомпонентный акселерометр расположен на гиростабилизированной платформе (ГСП). Акселерометр измеряет вектор ускорения V активными силами. После суммирования ускорения с вектором гравитационного ускорения g0, образуется вектор полного ускорения W=r Данная система координат принята за базовую. Ось направлена по радиус-вектору r, соединяющему центр Земли с точкой нахождения объекта.

Две другие оси лежат в плоскости местного горизонта. Ось направлена по касательной к параллели на восток E, ось - по касательной к местному меридиану на север Pсев.

–  –  –

1 – нулевой меридиан; 2 – экватор; – долгота; – широта = П ; = П ; = (11) где, – северная и восточная составляющие скорости объекта;

- истинный курс объекта

Также, можно получить следующее:

= ; =, = = =,(12) где = – радиус параллели.

Предположим, что с помощью гиростабилизированной платформы (ГСП) смоделирована на борту объекта географическая система координат и на ней установлены два однокомпонентных акселерометра.

–  –  –

Вектор скорости объекта и его составляющие.

Акселерометры на ГСП установлены так, что измерительная ось одного из них ориентирована на север (северный акселерометр An), а измерительная ось другого – на восток (восточный акселерометр Ae).

Акселерометры An и Ae измеряют соответственно северную Vn и восточную Ve составляющие ускорения объекта. После интегрирования на первых интеграторах 1N I северного и восточного 1E I каналов получают приращение скоростей VN и VE. Если VN и VE просуммировать с начальными значениями скоростей Vn0 и Ve0, то в итоге получим проекции векторов скоростей северного и восточного направлений

–  –  –

вторых интегралов: северного 2 и восточного. С входов вторых интегралов получают приращение географических координат объекта и.

рис 11 Схема принципа построения инерциальной навигационной системы 1 – ГСП; 2 – акселерометр северного направления ; 3 – акселерометр восточного направленияЕ ; 4 – интеграторы северного канала; 5 – интеграторы восточного канала; 6,7 – масштабирующие элементы; 8 – вычислительный канал курса После суммирования и с начальными значениями географических координат местоположения окончательно получают информацию о текущих значениях широты и долготы:

= 0+; = 0+(14) Истинный курс объекта вырабатывается в вычислительном канале курса 8 на основании составляющих Vn и Ve.

В дальнейшем моделировании е системы координат с помощью ГСП может осуществляться двумя путями:

- в разомкнутых ИНС – без использования акселерометров;

- в замкнутых ИНС – по сигналам акселерометров.

1.3.3 Классификация ИНС Счисление пути и определение параметров движения объекта осуществляется в одной из систем координат, связанных с Землёй. И поскольку инерциальные чувствительные элементы (гироскопы и акселерометры) измеряют параметры углового и поступательного движения в инерциальном пространстве, – это вызывает необходимость учета суточного вращения Земли при работе системы навигации. С учетом этих данных приветствуется использование двух или трехканальные автономные ИНС замкнутого типа, то есть системы с обратными связями. Применение отрицательных обратных связей позволяет существенно повысить точность навигации и получить систему, не возмущаемую силами инерции. В зависимости от способа построения цепи обратной связи, от способа реализации на подвижном основании горизонтальной системы координат или вертикали ИНС разделяют на полуавтоматические, геометрические и аналитические.

«В системах геометрического типа имеются геометрические образы плоскости местного горизонта, углов широты и долготы местоположения объекта» [13].

В системах полуаналитического типа плоскость местного горизонта строится геометрически, а широта и долгота места вычисляются аналитически в вычислительном устройстве. В системах аналитического типа и построение вертикали, и определение географических координат места осуществляется аналитически в вычислительном устройстве.

ИНС полуаналитического еще классифицируется по типу азимутной ориентации осей чувствительности акселерометров в плоскости горизонта:

- системы с географической ориентацией, в которых вырабатываются географические координаты места объекта;

- системы с ортодромической ориентацией, в которых вырабатывается пройденный объектом путь вдоль заданной траектории и перемещение объекта в направлении, перпендикулярном ортодромии;

- системы со свободной в азимуте ориентацией – с помощью дополнительного пересчетного устройства вырабатываются географические координаты места объекта.

Чтобы ИНС обладала свойством невозмутимости ускорениями движения объекта, построитель вертикали настраивается на период маятника Шуллера T= 84,36 мин.

–  –  –

В общем случае при построении инерциальных систем необходимо учитывать следующее:

- способы измерения навигационных параметров объекта относительно навигационной системы отсчета Oo;

- виды ориентации акселерометров;

- особенности моделирования систем координат;

- методы учета гравитационного ускорения;

- методы учета начальных параметров движения. В связи с этим в состав любой инерциальной системы входят следующие функциональные элементы: [13]

- система акселерометров, измеряющая составляющие вектора a ускорения движения центра масс объекта под действием активных сил;

- датчики угловой ориентации, моделирующие навигационную систему координат или измеряющие ее угловую скорость вращения;

- датчики первичной и исходной информации, в том числе и данных о гравитационном поле;

- счетно-решающие устройства для вычисления навигационных алгоритмов;

- системы отображения выходной информации или выдачи выходных сигналов различным потребителям;

- системы управления и коррекции погрешностей [14,15].

Для определения особенностей инерциальных навигационных систем предлагается рассмотреть данные, полученные вследствие проведенного эксперимента определения принципов текущих координат скорости и построения вертикали в ИНС.

Целью является выяснение приблизительных графиков движения разнообразных предметов.

Оборудование, используемое для определения принципов текущих координат - смартфон iPhone с акселерометром.

Программное обеспечение: «Sensorkinetics» [16].

В данном исследовании в качестве опытных предметов были взяты – стиральная машина и маятник. Их движение выяснялось опытным путём.

Все данные акселерометра представляют собой величину ускорения g в заданной системе координат. Система координат изображена на рис. 12. Это iPhone на неподвижной поверхности, который лежит экраном вверх, при этом устройство ориентировано камерой вверх. Если устройству придано ускорение, направленное влево вдоль оси х, то значение х, полученное через класс является положительным. В противном случае accelerometer, используется отрицательное значение. Если устройству придано ускорение, направленное в сторону нижней грани устройства, то значение y, полученное через класс accelerometer, является положительным. В противном случае используется отрицательное значение. «Если устройству придано ускорение, направленное в сторону земли, и при этом ускорение превышает 9,8, то значение z, полученное через класс accelerometer, является положительным.

В противном случае используется отрицательное значение»[17].

Рис. 12. Система координат данных акселерометра В идеале, если планшет неподвижно лежит на плоской поверхности, значения x и y равны 0, а значение z равно 9,8, поскольку ускорение всегда рассчитывается относительно силы тяготения на уровне моря.

Мы получаем фактические данные акселерометра с помощью Sensorkinetics для типового смартфона в неподвижном состоянии на плоской поверхности, а затем строим график для этих данных, как показано на рис.

13. Как можно заметить, значения x, y и z отличны от идеальных (0, 0, 0,15), поскольку поверхность не является абсолютно ровной.

Рис. 13: Данные акселерометра (устройство лежит на плоской поверхности экраном вверх и камерой вверх) В нашем примере показана возможность применения низкочастотного акселерометра для построения графика движения.

Для второго опыта с акселерометром опыта мы положили смартфон на работающую стиральную машину и построили график, показанный на рис.

14.:

Рис. 14: Данные акселерометра (устройство работающей стиральной машине) В третьем опыте мы получаем график движения качелей, используя акселерометр.

–  –  –

Результаты исследования показывают, что устройство можно использовать для изучения различных видов движения н уроках физики.

Измерения расстояния, размеров и углов объектов.

2.

Цель: определить углы, расстояние и размеры объекта.

Оборудование: смартфон iPhone с акселерометром.

Программное обеспечение: FlyingRuler.

В этом исследовании мы измеряли параметры книги.

Когда требуется что-то измерить точно, то мы берем линейку или рулетку и меряем. Иногда возникают ситуации, что таких аксессуаров поблизости нет, и начинаются поиски альтернатив. Чтобы решить проблему можно использовать приложение, способное заменить рулетку и измеритель углов. Пока в AppStore существует лишь одно такое – FlyingRuler. Аналог в системе android – SuperRuler. [18] В программе существует возможность выбора единиц измерения — сантиметры или дюймы, а также установка толщины чехла, если таковой надет на телефон. Дело в том, что в программе есть режим, когда замер производится по габаритам телефона, то есть начальная точка отсчета — это верхняя грань устройства, конечная — нижняя. При наличии чехла физические размеры iPhone, естественно, чуть больше.

Производится измерение расстояния между стенами. Устройство 1.

прикладывается к одной стене, после чего по нажатию на центральную кнопку запускается измерение. Пользователь плавно переносит устройство по прямой к противоположной стене и прикладывает его к ней экраном (можно и спинкой, но для точности лучше не крутить прибор в воздухе, пока происходит его перенос от стены к стене). После сигнала становится доступен результат:

Рис. 16. Измерения расстояния между стенами На скриншоте выше желтым цветом отображен средний результат. Под ним — это количество замеров. А голубыми цифрами, слева — обозначен результат последнего замера. Как показала практика, хватает 3–4 замера для довольно точного среднего результата. Погрешность обычно не превышает 2–4%.

Вторая основная функция FlyingRuler — это измерение углов, и у 2.

нее есть два режима работы: «транспортир» (позволяет измерить угол на одной плоскости), и режим измерения угла между двумя плоскостями. [19]

–  –  –

Как и в случае с измерением длины, результаты замера углов тоже можно сохранять, сделав фото объекта и отметив замеряемую область.

Рис. 19. Измерение углов между плоскостями при сохраненном рисунке в смартфоне Программа действительно работает, причем в случае с замером углов точность очень высокая, благодаря хорошему встроенному гироскопу.

.

2 Исследование и построение решения

–  –  –

Инерциальный метод счисления пути основывается на двукратном интегрировании по времени абсолютных ускорений, измеряемых акселерометрами с целью получения информации о скоростях и координатах местоположения объекта.

Однако, показания акселерометра при произвольной ориентации его оси чувствительности определяются вектором кажущегося ускорения (векторной суммой абсолютного ускорения и напряженности поля тяготения Земли):

= ()(15)

–  –  –

Показания пространственного акселерометра можно представить в виде:

= = (16)

При к=1 его показания:

= ()(16) Так как решение проблем связанных с навигацией требует внедрения ускорения, которые вызваны активными силами, заставляющими информацию о()нужно исключить. К данному результату можно прийти акселерометр работать, то имеющуюся в результатах акселерометра двумя способами:

–  –  –

- исключать проекции вектора()на направления осей чувствительности акселерометров аналитически, обрабатывая их выходные сигналы. Для этого и высчитывать проекции вектора()на измеренные или вычисленные нужно определять ориентацию в базовых осях движение измерительных осей направления. [20] Этим способам компенсации ускорения тяготения Земли в результатах исключающих вектор () : физически (при удерживании прибора в акселерометров отвечают и способы строения инерциальных систем, плоскости существующего горизонта) и аналитически (вычисляя его проекции на направления осей чувствительности акселерометров) или

–  –  –

данные навигации можно использовать релятивистский и нерелятивистский подходы к построению задач. Отличие заключается в сопоставлении «бортового» времени в навигационной системе с глобальным временем в неподвижной системе отсчёта. В нерелятивистских уравнениях, «бортовое»

время совпадает с координатным. В то время как в релятивистские используют понятие параметра скорости, связанного с вектором скорости.

от нерелятивистских при( 0)[21] Сами по себе релятивистские уравнения представляют предельный переход В зависимости от способа построения цепи обратной связи и, в частности, от способа реализации на подвижном объекте горизонтальной системы координат различают несколько схем построения ИНС. Традиционными схемами построения ИНС являются аналитическая, геометрическая и полуаналитическая. Общим для упомянутых схем является использование гироскопических стабилизированных платформ, управляемых и неуправляемых. Однако, в последнее время все большее внимание уделяется созданию ИНС, формально подпадающих под определение аналитической схемы, но отличающихся отсутствием гиростабилизированной платформы (для стабилизации акселерометров, тогда как для решения задачи определения ориентации, например, могут быть использованы одноосные гиростабилизаторы) и называемых бесплатформенными инерциальными навигационными системами (БИНС). В ИНС аналитического типа акселерометры располагаются на гироплатформе, стабилизированной относительно заданной инерциальной системы отсчета. «Горизонтальная система координат на движущемся объекте при этом физически не материализуется, кроме, может быть, начального момента работы системы, что может упростить проблемы начальной выставки системы, а необходимые преобразования сигналов и их интегрирование осуществляются с помощью вычислительного устройства (ВУ) цифрового типа (бортовая цифровая вычислительная машина БЦВМ)» [22]. ИНС аналитического типа является замкнутой динамической системой. Основные источники погрешностей ошибки начальной выставки. Погрешности акселерометров, дрейф гироскопов (неопределенность которого обусловлена поворотом осей гироскопов в поле тяготения Земли в функции от координат места в процессе движения объекта), нестабильность параметров элементов системы и др.

ИHC аналитического типа целесообразно использовать для высокоскоростных объектов с малым временем работы системы (чтобы не ужесточать требований к датчикам моментов гороскопов ИНС иных типов, построенных на использовании управляемых гиростабилизированных платформ). К ИНС аналитического типа также могут быть отнесены и бесплатформенные или бескарданные инерциальные системы (БИНС), чувствительные элементы которых (гироскопы и акселерометры) устанавливают непосредственно на корпусе подвижного объекта. Гироскопы (датчики угловой скорости, поплавковые интегрирующие, свободные и одноосные гиростабилизаторы.) служат для определения параметров углового движения (ориентации в конечном счете) объекта, а акселерометры (или гироинтеграторы линейных ускорений) для определения параметров поступательного движения (скоростей и координат местоположения). [23] Бесплатформенная система может быть построена, например, на трех гироскопических датчиках угловой скорости (ДУС) и трех акселерометрах измерителях проекций кажущегося ускорения на оси связанной с корпусом объекта системы координат. Требования к диапазонам и точностным характеристикам приборов – чувствительных элементов БИНС весьма жесткие и высокие, что обусловлено условиями их работы при жестком закреплении на корпусе движущегося объекта. Аналитическая схема построения ИНС и бесплатформенные системы компенсируют вектор аналитически (в вычислителе). Не меньшее распространение имеют для подвижных объектов и системы инерциальной навигации, физически устраняющие составляющие вектора в показаниях акселерометров (удерживающие в процессе движения объекта оси чувствительности акселерометров в плоскости местного горизонта). К таким схемам ИНС относятся геометрическая и полуаналитическая.

В ИНС геометрического типа акселерометры со взаимно перпендикулярными осями чувствительности при движении объекта разворачиваются относительно свободной гиростабилизированной платформы (ГСП), неизменно ориентированной в инерциальном пространстве и геометрически воспроизводящей базовую СК в собственном кардановом подвесе. «Эти повороты осуществляются с помощью исполнительных двигателей (ИД) на углы поворота вертикали места (равно плоскости местного горизонта) в инерциальном пространстве вследствие движения объекта вокруг Земли таким образом, что оси чувствительности двух (горизонтальных) акселерометров остаются перпендикулярными вектору, чем и достигается физическое устранение информации об этом векторе из показаний горизонтальных акселерометров». [24] В геометрической ИНС вторые интеграторы горизонтальных каналов охвачены отрицательными обратными связями, что несколько снижает влияние их инструментальных погрешностей на точность работы ИНС.

Вместе с тем, из-за дополнительного подвеса акселерометров, кинематика и конструкция такой системы сложнее ИНС других типов. По совокупности упомянутых моментов ИНС геометрического типа целесообразно применять для маломаневренных, движущихся с малыми ускорениями, объектов, таких как корабль или подводная лодка.

Основные инструментальные погрешности ИНС обусловлены дрейфом гироскопов, меняющих при движении объекта ориентацию в поле тяготения Земли; погрешностями акселерометров; нестабильностью параметров системы; ошибками начального ориентирования и др.

«В ИНС полуаналитического типа акселерометры располагаются на управляемой гироплатформе (с интегральной коррекцией по схеме, предложенной в 1932 г. В.Б. Левенталем)»[25]. Цепь обратной связи в каждом из двух горизонтальных каналов системы образуется формированием сигнала с выхода первого интегратора на датчик момента соответствующего гироскопа: сигналы пропорциональны угловым скоростям разворота плоскости местного горизонта при движении объекта вокруг Земли x, y, z. [26] Гироскопы, управляемые по скорости разворота вертикали места (плоскости местного горизонта), вызывают прецессию площадки с акселерометрами в инерциальном пространстве таким образом, что оси чувствительности их остаются в горизонтальной плоскости. Применение интегральной коррекций устраняет скоростные девиации и позволяют осуществить невозмещаемую ускорениями движениями объекта инерциальную вертикаль. В азимуте стабилизированная платформа ориентируется в соответствии с выбранной системой отсчета и может корректироваться в полете.

Трехосная ГСП может быть реализована по любой схеме построения (например, на трех двухстепенных гироскопах), а площадка с гироскопами и акселерометрами должна быть точно выставлена в горизонт в момент начала работы системы.

Вычислительное устройство (ВУ) для двойного интегрирования измеренных ускорений (с целью коррекции инерциальной вертикали и получения значений текущих скоростей и координат) формирует и сигналы компенсации центростремительных и кориолисовых ускорений, содержащихся в выходных сигналах акселерометров.

Процесс построения вертикали обеспечивается совместной работой систем стабилизации (разгрузки) и интегральной коррекции. Обе системы трехканальные. Система стабилизации платформы включает в себя гироскопы Гx, Гy, Гz с датчиками углов, усилители стабилизации (на рисунке не показаны), двигатели стабилизации ДСx, ДСy, ДСz и преобразователь координат (ПК), исполнительные элементы системы коррекции датчики моментов гироскопов. По осям карданова подвеса платформы располагаются датчики углов (вращающиеся трансформаторы ВТ) для измерения угловой ориентации объекта в горизонтальной СК, реализованной стабилизированным элементом. Чаще всего ИНС полуаналитического типа используется на летальных аппаратах (самолетах или некоторых классах крылатых ракет). Вторые интеграторы горизонтальных каналов, служащие для вычисления составляющих пути, не охвачены обратными связями и работают в разомкнутой схеме.

Погрешности этих интеграторов непосредственно влияют на выходную точность ИНС.

Основные инструментальные погрешности построения инерциальной вертикали и определения навигационных параметров обусловлены дрейфом гироскопов, погрешностями акселерометров и начальной выставки и другими.

2.2 Способы устранения погрешности 2.2.1 Использование планировки здания для аналитического устранения погрешности.

Подобную инерциальную систему навигации можно использовать в больших производственных или торговых помещениях, таких как торговые центры, производственные цеха и другие по масштабу помещения.

Преимущественно на данных территориях не требуется высокая точность вычисления расположения и местоположения мобильного устройства.

Просторы подобных зданий большие, это упрощает задачу с выявлением места пребывания пользователя, поскольку уменьшает количество парадоксальных ситуаций. Когда используют инерциальную систему навигации важно учитывать также характеры перемещений пользователей.

Человек, когда идет по коридору, двигается быстрее, но когда находится в магазине, то основательно снижает скорость передвижения. Например, возникает ситуация, когда человек или повернул за угол или зашёл в магазин, дверь которого также находится в зоне этого угла. Выяснить это можно после подтверждения дальнейшего прямолинейного движения мобильного устройства, это покажет и докажет, что человек всё-таки повернул за угол.

Но, если он остановится, то мы не получим ни одного подтверждения какому то варианту. Тем не менее, вариантом развития событий – будет заход в бутик, поскольку там у него будет причина провождения бездейственных манипуляций: он может просматривать товар, тогда как остановка в коридоре имеет меньше логического смысла. Также, если человек будет совершать нелогические малые передвижения в разных направлениях, это уверит нас в том, что он действительно находится в бутике. Но альтернативный вариант удалять не стоит.

Так, возникает несколько параллельных развитий событий и линий передвижения, которые в свою очередь могут порождать новые. Чтобы не засорять и не заполнять ограниченную память устройства, следует контролировать количество одновременных операций. Для этого следует заняться оценкой реального и более вероятного места положения мобильного устройства. В то время, когда парадоксальная ситуация образовалась в области с большим разбросом, она имеет меньше шансов быть реальной, нежели та, которая возникла в области разброса с меньшей погрешностью.

Также, можно комбинировать эти варианты с теми, которые описывались ранее. Эта система не имеет своего автономного способа отметить начальное место положения. Очень разумно было бы поместить контрольную точку хотя бы у входа в помещение, что бы мобильное устройство могло примерно рассчитывать свое начальное место положения. Также, когда мобильное устройство в первый раз появляется в данном помещении, ему нужно получить данные о планировке здания. Логично будет передавать эти данные при входе, вместе с информацией о том, что в данном помещении поддерживается соответствующая функция. Также, если в каком либо бутике находится электронный каталог, то мобильное устройство может, подключившись обновить и выровнять свои координаты относительно передающего каталог устройства [27,28].

Есть еще одна возможность для данного вида навигации – это синхронизация и выравнивание координат, относительно друг друга. На данном этапе разработок, мобильные устройства способны вычислить расстояние, которое разделяет их, но не направление в котором они движутся. Но оценить и определить направление движения может инерциальная система навигации, которая отдельного мобильного устройства и совместная также, которые будут выравнивать координаты друг друга.

Также этот вариант может исключить или значительно снизить количество вариантов развития координатных расположений, за счет того, что мобильные устройства будут иметь разные показания и погрешности. При хорошей разработке карты и должном внимании к деталям инерциальная навигационная система будет справляться со своей задачей отлично.

2.2.2 Устранение погрешности на этапе измерения.

Рассматривая вопрос об устранении уже появившейся погрешности, не стоит забывать и о возможности уменьшения погрешности датчиков мобильных устройств на этапе измерения. Показания мобильных акселерометров подвержены многочисленным шумовым эффектам, особенно если речь идёт о системах персональной навигации для людей. Движение человека отклоняется от прямой траектории, существуют подъёмы и спуски, вибрации – всё это шум, который необходимо каким-то образом подавлять.

Существует несколько распространённых подходов к сглаживанию и фильтрации получаемых акселерометром данных.

Метод средних значений. Одним из самых простых методов для фильтрации шума является метод средних значений. Он заключается в том, что на каждом шаге k, значение вычисляется как среднее из n предыдущих значений акселерометра.

При средних значениях n, данный метод предоставляет хороший уровень сглаживания, но, к сожалению, его недостатком является достаточно большая задержка в значениях.

Фильтрация данных.

Применение фильтра является распространённым и эффективным способом борьбы с зашумлением. При решении задачи навигации, основным требованием к фильтру является достаточно высокая производительность, чтобы получать положительный эффект в реальном времени и с как можно меньшей задержкой. Далее будут рассмотрены несколько фильтров: фильтр низких частот, его модифицированная версия и фильтр Калмана.

Под фильтрами низких частот понимают группу фильтров, общая характеристика которых способность фильтровать сигналы выше

– определённой указанной частоты, пропуская сигналы более низкой частоты.

Это позволяет устранить шумовые помехи сигнала и применимо, в том числе, к акселерометрам.

Фильтр Калмана – распространённый способ фильтрации значений, встречающийся во многих областях, где необходима обработка показаний датчиков и сигналов. Это рекурсивный фильтр – на каждом шаге работы для вычисления оценки состояния системы ему, помимо информации об измерениях на текущем шаге, необходима информация об оценке предыдущего шага [29,30].

Итерации фильтра Калмана делятся на две фазы: экстраполяция и коррекция. В первой фазе фильтр определяет состояние системы по предыдущему шагу. Для такой оценки не используют наблюдение текущего шага, поэтому эту фазу называют априорной. В фазе коррекции априорная экстраполяция дополняется соответствующими текущими измерениями для коррекции оценки.

Скорректированная оценка, полученная в результате второй фазы, называется апостериорной оценкой состояния или оценкой вектора этого состояния. Самое распространённое явление – это когда эти две фазы чередуются между собой, тем самым корректируя одна другую, добавляя качественные изменения и внося коррективы.

2.2 Достоинства данного способа

–  –  –

Самым главным плюсом является тот факт, что инерциальные системы навигации будут становиться всё более актуальными в будущем по мере совершенствования акселерометров и гироскопов, применяемых в мобильных устройствах [31].

При дальнейшем рассмотрении данной темы и более детальном изучении основных ошибок, возникающих в работе акселерометра, гироскопа и инерциальной навигационной системы, в целом, можно говорить об использовании данного вида навигации в разнообразных областях жизни, науки. Главной особенностью и большим достоинством, перед другими видами навигационных систем – инерциальная система навигации обладает автономность. Это значит, что подобный вид навигатора, который установлен в мобильном устройстве будет универсальным. Мобильное устройство, также, дает инерциальной системе навигации большое преимущество – это компактность, мобильность и удобство. Тем самым обеспечивая безоговорочное внедрение его в жизненный обиход людей.

Подобные системы полезны и могут использоваться в навигации зданий, городов, разнообразных походах и путешествиях. Это не заменимая вещь для человека с плохой ориентацией в пространстве, если говорить о личностном использовании мобильного устройства.

3 Практическая часть

3.1 Требования к системе Инерциальная система навигации – это очень хорошая альтернатива существующим системам, по отношению к мобильным устройствам.

Основным большим преимуществом инерциальных систем является их автономность, чем не могут порадовать остальные системы. Для них приходится развивать очень большую инфраструктуру, что иногда приводит к большим денежным затратам. Работа инерциальной системы зависит от гороскопов и акселерометров, которые работают после установки на мобильном устройстве контрольной точки. Для них не требуется особых типов связи или дополнительных средств существования и работоспособности.

Но, на этапе сегодняшнего развития навигационных систем, инерциальная система не приобрела достаточного распространения. Такая проблема возникает потому, что данный вид навигационных систем является не точным и дает погрешность из-за неточности измерительных приборов мобильных устройств. Со временем данные накапливают достаточно большую погрешность, которая требует устранения. Выход из этой ситуации

– время от времени обновлять данные. Но именно из-за этого удобство пользования мобильным устройством утратиться из-за необходимости выравнивания координат на контрольных точках, или ввода их в ручном режиме. Есть возможность комбинировать и использовать другие технологии. Например: если на предприятии развита система контрольных точек, то можно их использовать, выравнивая координаты с помощью них, пронося мобильное устройство. В остальное время можно и нужно использовать гироскопы и акселерометры устройства. Также, с теми же целями можно использовать беспроводные контрольные точки, установив расстояние между мобильным устройством и точкой, которая основывалась бы на моменте передачи и получения данных.

Но, все эти выходы являются не полными и только частично решают некоторые проблемы и задачи. Изначальное требование – это автономность и независимость, которую могут обеспечить инерциальные системы навигации. Но есть решение данной проблемы. Имеется в виду данные об объекте, на котором будет происходить навигация.

Исходя их этого, можно сказать, что использование данного вида навигации реально и его нужно исследовать более детально с внедрением новых технологий, опытных исследований и тестов разнообразных видов.

3.2 Описание работы предлагаемой практической системы Из-за того, что GPS-навигация сейчас доступна на открытых пространствах, мы ставим задачу рассмотреть навигацию внутри помещения.

Это значит, что данные для инерциальной системы навигации будут обновляться с помощью карт помещений, имеющихся в памяти мобильного устройства.

Мобильное устройство, которое есть у человека может совершать горизонтальные движения. Если человек спустится на этаж ниже, то на мобильном устройстве это отобразиться сменой расположения, а точнее на несколько метров вниз. Эта информация дает нам знания о том, что человек не только спустился на этаж, но и нашел выход, дверь или лифт. Это означает, что можно осуществить выравнивание координат в горизонтальной плоскости, за основу взяв лестничный пролет или лифт на карте. Таким же образом осуществляется коррекция координат по отношению поворота в коридоре. Например, мы зафиксировали проход мобильным устройством сквозь стену – это означает, что человек нашел дверь и прошел в неё. (рис.20)

–  –  –

На практике эту модель воплотить в жизнь не так просто. Существует потребность придумать метод, с помощью которого мы сможем осуществлять обновление координат на основе полученных данных. Далее будет описан более-менее приемлемый метод отслеживания мобильного устройства с помощью инерциальной системы навигации [32].

Система инерциальной навигации, которая подразумевается в мобильном устройстве, способна достаточно точно определить и отобразить направление, в котором осуществляется движение. Гораздо труднее с помощью инерциальной навигационной системы осуществить замер расстояния, на которое переместилось мобильное устройство. При смещении на 10 метров мобильное приложение дает погрешность в 1 метр, при стандартной скорости человека, эта погрешность индивидуальна для различных мобильных устройств.

Рис 21. Построение области возможного разброса координат.

В процессе перемещения в пространстве мобильного устройства предлагается менять координаты позиции так, что бы вокруг этой позиции отображалась область разброса. В этих пределах и будет находиться устройство. От всего пройденного пути мобильного устройства прямопропорционально зависит величина отклонения координат, и область разброса–корда устройство переместится на 20 метров по оси X и 10 метров по оси Y, то при максимальной погрешности в 10% областью возможного реального местоположения человека будет соответствующий прямоугольник.

Так можно рассчитывать область разброса, когда известно начальное положение объекта. Область разброса будет представлять собой

–  –  –

показывает направление, где нужно увеличить область многоугольника, а – угол между вектором и вектором направления движения. Вектор разброса координат местоположения мобильного устройства на данном (где – погрешность измерителя при максимальном накоплении), у нас отрезке периметра. После чего, при помощи параллельного переноса ребра на получается область между старым положением ребра и вновь полученным – она накладывается на уже существующую область разброса координат. При условии, что для этого ребра cos = 0, можно сказать, что оно параллельно и вносить изменения не имеет смысла. [33,34,35] Для результата, который мы преследуем, а именно выявление точного местоположения объекта, информация об области разброса нам не интересна.

Область разброса, которая образовалась можно корректировать, по отношению неподвижных предметов. Если накопленная погрешность составляет 3 метра, а полученные теоретические координаты мобильного устройства находятся в 3-х метрах от стены, то можно отсечь часть области, поскольку никакое физическое тело не может пройти сквозь стену. То же самое касается лифтом, узких проходов и дверных проёмов, которые встречаются на пути идущего человека с мобильным устройством. Все эти изменения и коррективы позволяют отсечь из области разброса не нужные значения и области, оставляя только возможные места перемещения объекта, что значительно сужает теоретическое местоположение мобильного устройства.

Рис 22. Отделение части области разброса на основании данных опрепятствиях.

Опять же, если физическое местоположение определяется как парадоксальное, например если устройство находится в стене, то делается взвод, что оно находится в другом месте области разброса. Так, можно рассчитать и предположить, проследив примерное движение объекта, которое привело к парадоксальному месту положение, и логически заключить его реальное место положения. Если поворот устройства осуществлен в стену, при этом настоящая дверь находится на два метра дальше, логично перенести координаты устройства в положение, при котором логично и возможно осуществляется поворот в дверной проём.

Очень сложно определить настоящее местоположение объекта, когда в сложившейся ситуации существует более чем один альтернативный и предполагаемый выход из сложившейся парадоксальной ситуации. Можно рассмотреть следующую ситуацию: место положения мобильного устройства расположено в стене, но при этом на области разброса в наличии более чем одна дверь, каждая из которых попадает в разряд возможных вариантов маршрута устройства. В таком случае предлагается параллельно вести две потенциально возможных линии передвижения мобильного устройства до тех пор, пока один из вариантов передвижения не попадёт в парадоксальную ситуацию, которая докажет не верную догадку. Так станет понятно, что мобильное устройство передвигалось в соответствии со вторым вариантом.

Пока не разрешена спорная ситуация, данные о передвижении должны отображаться для пользователя, чтобы он выбрал вариант, подходящий наилучшим образом – на рисунке это будет дверь. (рис. 23) Комната, куда ведет эта дверь (на рисунке 23, вверху), частично охвачена областью разброса. Она обладает большим количеством преимущественно позитивных качеств (свойств) для определения положения мобильного устройства в пространстве : большая площадь и большее количество точек, которые указывают на предполагаемое местоположение мобильного устройства.

Рис 23. Ситуация, приводящая к разветвлению версий положения объекта.

Заключение В данной работе рассматривались инерциальные системы навигации, разнообразные виды акселерометров и гироскопов, с целью провести исследования по возможности их использования для навигационных систем мобильных устройств.

Результаты исследовательской работы:

выделены и проанализированы недостатки и достоинства инерциальной навигации, датчиков разных параметров и типов;

- выделены ошибки и негативные факторы, которые возникают во время работы с навигационными системами;

- описаны разновидности акселерометров и гироскопов, которые используются на мобильных устройствах в данный отрезок времени, а также принципы их работы;- приведена и рассмотрена информация о существующих ошибках и отклонениях, на основе имеющихся данных от опытных исследований;

обоснована возможность и целесообразность использования инерциальных навигационных систем в мобильных устройствах разных видов, типов и параметров;

- предложен подход к исправлению ошибок инерциальной навигации в работе с мобильными устройствами.

- предложены вариации корректирующих действий, выполнив которые, возможно использовать инерциальную навигацию в мобильных устройствах с помощью контрольных точек и коррекции данных относительно начальной точки координат.

Список литературы:

1. Коваленко В.В., Лысов А.Н. Малогабаритная инерциальная система.

Учебное пособие. 2010.

2. Журнал «Новости электроники» КОМПЭЛ., выпуск № 4., 2011 // http://www.compel.ru/lib/ne/

3. Федор Крекотень. Современные МЭМС-гироскопы и акселерометры.

«Петербургский журнал электроники», Январь 2011 (1). С.85

4. Соловьев Ю.А. Спутниковые системы навигации., ЭКО-Трендз., Москва 2000

5. FabioPasolini. МЭМС-акселерометры, гироскопы и геомагнитные датчики. Журнал «Радиолоцман». Июнь 2012.А. с. № 184465 СССР, МКИ Навигационный прибор для регистрации пройденного пути и скорости/Л. М. Кофман, Е. В. Левенталь.

7. Характеристики МЭМС устройств (электронный ресурс), 2013.

http://www.analog.com

8. Электронный журнал «Радио Лоцман». Архив // http://www.rlocman.ru/magazine/

9. Кулаков Д.Л. Сенсорные технологии, Молодёжный научнотехнический вестник, Москва 2013

10. IX САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

ПО ИНТЕГРИРОВАННЫМ НАВИГАЦИОННЫМ СИСТЕМАМ//

http://www.elektropribor.spb.ru/cnf/icins02/rfinprg.html

11. Мелешко В.В., Нестеренко О.И., Бесплатформенные инерциальные навигационные системы., учебное пособие., Кировоград., 2011

12. Волович Г.И., Схемотехника., Додэка-ХХІ., 2007

13. Селиванова Л.М., Шевцова Е.В. Инерциальные навигационные системы Часть 1 Одноканальные инерциальные навигационные системы., учебное пособие., Москва, Издательство МГТУ им. Н.Э.

Баумана 2012. С.8

14. Borza P. V. Recognizing Physical Exercises :дис. – Master’s thesis, BabesBolyai University, Faculty of Mathematics and Computer Science, 2010;

15. Pettersson G., Tysk J., Vallgren H. Conversion of Hidden Markov Model computation to C#, Uppsala University. – 2013.

16. Александр Райхман. STMicroelectronics — мировой лидер в производстве датчиков движения//Новости электроники № 2, 2009.

17. Пестов Е. Распознавание движения мобильного устройства //International Journal of Open Information Technologies. – 2013. – Т. 1. – №. 3. – С. 5-10.

18. Никамин. В.А., Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи., Корона-принт., 2012

19. Liu J., Pan Z., Xiangcheng L. An accelerometer-based gesture recognition algorithm and its application for 3d interaction //Computer Science and Information Systems. – 2010. – Т. 7. – №. 1.

20. Уилдермут. Ш., Основы Windows Phone 7.5. Разработка приложений с помощью Silverlight. ДМК-Пресс, 2012.

21. He Z. Accelerometer based gesture recognition using fusion features and SVM //Journal of Software. – 2011. – Т. 6. – №. 6.

22. Намиот Д., Сухомлин В. О проектах лаборатории ОИТ //International Journal of Open Information Technologies. – 2013. – Т. 1. – №. 5. С.76

23. Pavel Senin. "Dynamic Time Warping Algorithm Review", Information and Computer Science Department, University of Hawaii at Manoa Honolulu, USA, December 2008.

24. Пестов Е.А. Московский Государственный Университет им. М.В.

Ломоносова., Курсовая работа., Анализ и обработка данных акселерометра для задачи распознавания движения мобильным устройством., Москва 2012 С.13

25. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования., Коллектив авторов., Радиотехника., 2010. С.108

26. Jiayang Liu, Lin Zhong, JehanWickramasuriya, and VenuVasudevan, "User evaluation of lightweight user authentication with a single tri-axis accelerometer," in Proc. ACM Int. Conf. Human Computer Interaction with Mobile Devices and Services (MobileHCI), September 2009.

27. Матвеев В.В., Инерциальные навигационные системы., Учебное пособие. Изд-во ТулГУ, 2012.-199 с;

28. Матвеев В.В. Гироскоп это просто., МГТУ, 2012

– http://software.intel.com/ru-ru/articles/using-accelerometer-in-windows-8metro-style-app-and-a-case-study-of-tap-detection

29. Akl A., Feng C., Valaee S. A novel accelerometer-based gesture recognition system //Signal Processing, IEEE Transactions on. – 2011. – Т. 59. – №. 12.

30. D.Edson. “Using the Accelerometer on Windows Phone 7”, in The Windows Phone Developers Blog, http://windowsteamblog.com/windows_phone/b/wpdev/archive/2010/09/08/ using-the-accelerometer-on-windows-phone-7.aspx

31. Материалы Всеукраинской научно-практической конференции 11-12 апреля 2013 года., Современные темпы развития информационных технологий., Луганск

32. Гурьев Д.Е., Намиот Д.Е., Шнепс М.А. О телекоммуникационных сервисах //International Journal of Open Information Technologies. – 2014.

– Т. 2. – №. 4. – С. 13-17.

33. Сборник трудов международной конференции «Планирование глобальной радионавигации» 2001;

34. Электронный журнал «Радио-ежегодник» 2013 выпуск №11 // http://www.rlocman.ru/book/book.html?di=141582;

35. Электронное издание «Электронные компоненты» выпуск №4., 2012 //

Похожие работы:

«Микропроцессорный регулятор (блок управления) температуры центрального отопления "АТОС" Инструкция пользователя 1. Предназначение Регулятор "Атос" предназначен для регулировки работы вентилятора, а также насоса (вк...»

«ДОКЛАДЫ БГУИР № 4 (20) ОКТЯБРЬ–ДЕКАБРЬ УДК 681.511.4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ Л.Ю. ШИЛИН, Д.С. ОЛИФЕРОВИЧ, Д.Л. ШИЛИН Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь Поступ...»

«БЛОК ФОРМИРОВАНИЯ ХЭШ-ФУНКЦИЙ КАК СРЕДСТВО ЛОКАЛИЗАЦИИ ВЫЧИСЛЕНИЙ В ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ПОТОКОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ Змеев Дмитрий Николаевич научный сотрудник, Институт проблем проектирова...»

«Современные подходы к интеграции информационных технологий / Труды V Всеросс. семинара Информационные технологии в энергетике, Иркутск, 2000. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2001. – 235с. – С.157-165. НЕЙРОСЕТЕВЫЕ АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ СВЯЗЕЙ КЛИМАТА И РАСТИТЕЛЬНОСТИ В.Г. Царегородцев Институт вычислительного м...»

«11.08.2016 ДИСТРИБУТИВ ОС GNU/LINUX НА БАЗЕ BUILDROOT ДЛЯ 1892ВМ14Я. РУКОВОДСТВО СИСТЕМНОГО ПРОГРАММИСТА Версия v2.0.1-14 11.08.2016 support@elvees.com, www.multicore.ru 11.08.2016 ОГЛАВЛЕНИЕ 1 О документе 3 2 Общие сведения о дистр...»

«Российская академия наук ИНСТИТУТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ Информационно-вычислительная система вариационной ассимиляции данных измерений ИВС-T2 Агошков В.И., Ботвиновский Е.А., Гусев А.В., Кочуров А.Г., Лебедев С.А., Пармузин Е.И., Шутяев В.П. Москва 2008 Введение Проект...»

«Зв’язок, радіотехніка, радіолокація, акустика та навігація УДК 621.391 А.И. Кушнир1, К.С. Васюта2, А.В. Крыжный3, Ф.Ф. Зоц2 Командование Воздушных Сил Вооруженных Сил Украины, Винница Х...»

«Участники фестиваля: учащиеся организаций общего и дополнительного образования по трм возрастным категориям: "Подмастерье" (учащиеся 1 4 классов), "Мастер" (учащиеся 5 8 классов), "Компьютерный Ас" (учащиеся 9 – 11 классов).Прог...»

«"Труды МАИ". Выпуск № 82 www.mai.ru/science/trudy/ УДК:629.197.005, 629.7.05 Оценка точности определения траектории самолета в режиме посадки с помощью информационно-вычислительного комплекса бароинерциального...»

«УДК 378.147 https://doi.org/10.24158/spp.2017.1.23 Трефилина Елена Рудольфовна Trefilina Elena Rudolfovna кандидат физико-математических наук, доцент, PhD in Physical and Mathematical Sciences, доцент кафедры математики и информатики Assistant Professor, Mathemat...»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет В.Н. ГОРЛОВ, Н.И. ЕРКОВА МЕТОДЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ. АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММЫ У...»

«Л.А. Внукова, С.А. Зырянова, И.М. Мурсеев КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИНФОРМАТИКЕ Для студентов всех специальностей заочного факультета СибАДИ Министерство образования Российской Федерации Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Кафедра информационных технологи...»

«МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ СССР Всесоюзный научно-исследовательский геологоразведочный нефтяной институт (ВНИГНИ) Труды Выпуск 152 ГЕОЛОГИЯ И НЕФТЕГАЗОНОСНОСТЬ ПРИКАСПИЙСКОЙ ВПАДИНЫ Под редакцией Я. С. Эеентова, И. В. Долицкой, С. Б. Кочаръянц Москва 1974 В.А.Зорькина, С.Б. Кочарьянц ИСПОЛЬЗОВАНИЕ С ТР У К ТУ Р...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" Кафедра вычисл...»

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ АКСЕНОВА Е.В., КШЕВЕЦКИЙ М.С. Учебно-методическое пособие (для...»

«Санкт-Петербургский государственный университет Кафедра Системного Программирования Болотов Сергей Сергеевич Разработка компилятора для языка РуСи на платформу MIPS Бакалаврская работа Научный руководитель: д. ф.-м. н.,...»

«Применение параллельных алгоритмов для решения системы линейных алгебраических уравнений с ленточной матрицей итерационными методами на кластерной системе Демешко И.П., Акимова Е.Н., Коновалов А.В. Представлены результаты применения параллельных итер...»

«22 вычислительные методы и программирование. 2014. Т. 15 УДК 004.832.23; 519.245 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА МОНТЕ-КАРЛО К ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ВРЕМЕНИ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ БУЛЕВОЙ ВЫПОЛНИМОСТИ О. С. Заикин1, А. А. Семенов2 Рассматривается применение метода Монте-Карло к планированию решения сложных вариантов задачи о б...»

«Московский государственный университет М.В.Ломоносова Факультет вычислительной математики и кибернетики Кафедра системного программирования Дипломная работа Эффективные методы замещения страниц в кэше XML СУБД Автор: гр. 528 Сиващенко Дмитрий Витальевич Научные...»

«Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вятский государственный гуманитарный университет" Дополнительная подготовка школьников по дисциплине "Информатика и информационные технологии" Учебный модуль Программирование. Н...»

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова ФАКУЛЬТЕТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И КИБЕРНЕТИКИ ISSN 2411-1473 Современные информационные технологии и ИТ-образование Научный журнал Том 2 (№ 11) Москва УДК [004:377/378](...»

«1 УДК 004.382 Особенности архитектуры и организации вычислительного процесса в ПВС с гиперкубовой топологией Власов А. А. Аннотация. Рассматривается вариант организации параллельной вычислительной системы (ПВС) на основе...»

«Описание функциональных характеристик, установки и эксплуатации программного обеспечения Система учёта энергоресурсов I-EMS (InduSoft Energy Management System) Регистрационный номер ПО в едином реестре российских программ для электронных вычислительных машин и баз д...»

«Министерство образования Российской Федерации Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова Факультет вычислительной математики и кибернетики Кафедра Математические методы прогнозирования Дипломная работа Методы предсказания информативности логических закономерностей Работу выполнила Студентка...»

«Вычислительные технологии Том 10, часть 1, Специальный выпуск, 2005 ИНТЕГРАЦИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ В ОБЛАСТИ МОРСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Е. Д. Вязилов, Н. Н. Михайлов Всероссийский НИИ гидрометеорологической информации Мировой центр данных, Обнинск, Россия e-mail: vjaz@meteo.ru,...»

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "НОВОСИБИРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ, НГУ) Кафедра систем информатики Ручка Елена Влади...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Ивановский государственный университет Математический факультет Кафедра вычислительной и прикладной математики Бакалаврская работа по основной образовательной программе бакалавриата направления МАТЕМАТИКА.КОМПЬЮТЕРНЫЕ НАУКИ на тему Численное интегрирование с использова...»

«Вычислительные технологии Том 14, № 6, 2009 Технологии для геоинформационных Интернет-систем О. Э. Якубайлик, В. Г. Попов Учреждение Российской академии наук Институт вычислительного моделирования СО РАН, Красноярск, Россия e-mail: ol...»

«УДК 004.7 А.М. Тыныбекова, Д.Б. Мухаев, Д.М.Скачков, О.Л.Жижимов 1,2 Новосибирский Государственный Университет ул. Пирогова, 2, Новосибирск, 630090, Россия E-mail: alyatynybekova@gmail....»










 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.