Odhad výšky pomocí barometrických senzorů a jeho využití pro výpočet polohy

Abstract

Práce zkoumá možnosti určování vertikální polohy zařízení pomocí měření atmosférického tlaku. Cílem je vylepšit indoor lokalizační systém, který v současnosti využívá pouze Ultra-wideband (UWB) měření. Je definována závislost výšky na atmosférickém tlaku a dalších veličinách. Využije se diferenciální způsob měření, kdy jsou v systému dva barometry – jeden na lokalizovaném zařízení a druhý ve známé, referenční výšce. Popíšeme současný stav lokalizačního systému, přičemž z možných konfigurací volíme Anchor-to-Tag (A2T) variantu s Time Difference of Arrival (TDoA) měřeními. Je diskutováno několik algoritmů (metody nelineárních nejmenších čtverců, především Levenbergův-Marquardtův algoritmus, nebo rozšířený Kálmánův filtr) pro určení polohy z kombinace TDoA a barometrických dat, přičemž nejlepších výsledků dosahuje rozšířený Kálmánův filtr. Série experimentů ukázala, že doplnění UWB TDoA o barometrické měření zlepšuje stabilitu a přesnost odhadu výšky. Směrodatná odchylka výsledného odhadu se pohybuje kolem 0,2 m. Zároveň je barometrický odhad výšky vlivem nekalibrované systematické chyby oproti skutečné výšce stabilně vychýlený o zhruba 0,6 m, což stále přináší zlepšení oproti samotným UWB TDoA měřením.

This work investigates options for determining the vertical location of a device using atmospheric pressure measurements. The goal is to improve an indoor localization system, which currently rely solely on Ultra-wideband (UWB) measurements. We describe the relationship between height, atmospheric pressure and other physical quantities. Differential mode of measurement will be used meaning that two barometers are employed – one is on the localized device while the other is at known, reference height. We discuss algorithms for determining the location from fusion of TDoA and barometric data (methods of non-linear least squares, especially Levenberg-Marquardt algorithm, or extended Kalman filter). The best results were achieved with extended Kalman filter. A series of measurements showed that integrating UWB TDoA with barometric measurements improves stability and precision of height estimate. The standard deviation of the resulting estimate is approximately 0,2 m. However, the barometric height estimate has stable offset of about 0,6 m due to uncalibrated systematic error, which still represents an improvement over standalone UWB TDoA measurements.