Inertial and Magnetic Sensors: Calibration and Data Fusion with Application to Navigation

Παπαφώτης, Κωνσταντίνος; Papafotis, Konstantinos

dc.contributor.author	Παπαφώτης, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Papafotis, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2022-10-26T09:38:43Z
dc.date.available	2022-10-26T09:38:43Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56006
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23704
dc.rights	Default License
dc.subject	Accelerometer	en
dc.subject	Magnetometer	en
dc.subject	Calibration	en
dc.subject	Navigation	en
dc.subject	Αισθητήρες επιτάχυνσης	el
dc.subject	Μαγνητικοί αισθητήρες	el
dc.subject	Αισθητήρες γωνιακής ταχύτητας	el
dc.subject	Βαθμονόμηση	el
dc.subject	Πλοήγηση	el
dc.subject	Gyroscope	en
dc.title	Inertial and Magnetic Sensors: Calibration and Data Fusion with Application to Navigation	en
dc.title	Αδρανειακοί και Μαγνητικοί Αισθητήρες: Βαθμονόμηση και Συνδυασμός Δεδομένων με Εφαρμογή στην Πλοήγηση	el
dc.contributor.department	Circuits and Systems Group	el
heal.type	doctoralThesis
heal.secondaryTitle	Αδρανειακοί και Μαγνητικοί Αισθητήρες: Βαθμονόμηση και Συνδυασμός Δεδομένων με Εφαρμογή στην Πλοήγηση	el
heal.classification	Sensors Systems	en
heal.classification	navigation	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-06-15
heal.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.	el
heal.abstract	Inertial sensors (accelerometers and gyroscopes) and magnetic field sensors are widely used in a broad variety of applications. High accuracy sensors are nowadays available in chip-form including all the necessary electronic circuits for the digitization and in many cases the digital processing of the measurements. This fact enables the wider use of inertial and magnetic field sensors in several applications, ranging from low-cost commercial products (smartphones, activity trackers, alarm systems etc.) to high-end industrial and military devices. This thesis deals with the calibration and the alignment between the sensitivity axes of inertial and magnetic field sensors. In addition, it presents two applications where inertial and magnetic field sensors are used for navigation and tracking purposes. In both the cases of inertial and magnetic field sensors, a calibration procedure is mandatory for every sensor unit when accuracy is required. This work focuses on low-cost, three-axis inertial and magnetic field sensors and explores algorithms and methodologies for calibration and axes alignment. In the first part, algorithms for the calibration and the alignment of the sensitivity axes of inertial and magnetic field sensors are presented. The proposed algorithms are based on optimization techniques and are designed to be computationally efficient while their application requires no special piece of equipment or external references. In the second part, the importance of sensors’ calibration is highlighted, and two applications of inertial and magnetic field sensors are presented. First, an inertial navigation system dedicated to pedestrian navigation is presented. It combines data from inertial and magnetic field sensors mounted on the shoe of a walking person and derives a long-term accurate estimation of his speed, orientation, and position. Finally, an inertial measurement unit architecture including several three-axis accelerometers and a single three-axis gyroscope mounted on a rigid body is presented. The proposed, closed-loop system dynamically compensates for the accelerometers’ measurements error and provides a high-accuracy, low-noise estimation of the specific force and the angular velocity.	en
heal.advisorName	Σωτηριάδης, Παύλος-Πέτρος
heal.advisorName	Sotiriadis, Pavlos-Petros
heal.committeeMemberName	Sotiriadis, Pavlos-Petros
heal.committeeMemberName	Panagopoulos, Athanasios
heal.committeeMemberName	Pekmestzi, Kiamal
heal.committeeMemberName	Hristoforou, Evangelos
heal.committeeMemberName	Papadopoulos, Evangelos
heal.committeeMemberName	Psarrakos, Panayiotis
heal.committeeMemberName	Papananos, Ioannis
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	187
heal.fullTextAvailability	false