Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Use of Gravity Sensors for Free Space Orientation
KTH, School of Information and Communication Technology (ICT).
2015 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

This thesis deals with different approaches to filtering the signal output of a three axis accelerometerfor free space orientation, that is, finding the orientation of a sensor relative to gravity. Theplatform this orientation system is to be developed for is a low-power, high-efficiency fixed-pointmath microprocessor, therefore efficiency and mathematical operation precision are factors thatalso need to be taken into consideration in this work.This is an exploratory work which goals are to analize potential filtering solutions for free spaceorientation with a three-axis accelerometer, develop a tool to validate the theorical analysis, studythe repercusions of limited precision math on those algorithms and implement a filtering solutionas versatile as possible.The goal of finding the orientation with the output of an accelerometer and without a prioriinformation is deceptively simple: while in relaxed state and within inertial systems the outputof a three axis accelerometer and the direction of gravity is the same, when that hypothesis istaken away measurements output by the accelerometer include both gravity and acceleration dueto external forces applied to the system.The contributions of this thesis are a discussion of potential solutions for free space orientationwith unrestrictive preconditions by use of an accelerometer, and an implementation of such solutionfor the MSP430, popular platform of choice for digital signal processing. The main purposeof such a solution is to improve the precision with which gravity is estimated from the outputof the accelerometer. Potential applications of this work are relative position tracking, mapping,positioning systems (for example, within buildings or vehicles, where any other existing positioningsystem cannot work, such as tunnels for GPS).Instead of just low-pass filtering the output of the accelerometer, estimations to the state ofexternal forces applied to the system and tracking of changes to those forces are presented. Tomodel that system, the Kalman filter and the Particle filter are introduced and analyzed as potentialsolutions.This document includes a discussion of both Kalman and Particle filters, implementation ofa tool to compare and validate the models to estimate gravity, a discussion of the effect of fixedpoint math to those models and an implementation of a gravity estimation algorithm that is typeand plattform agnosic based on the output of a 3-axis accelerometer.All relevant code has been included as an appendix to this work

This thesis deals with di_erent approaches to _ltering the signal output of a three axis accelerometer

for free space orientation, that is, _nding the orientation of a sensor relative to gravity. The

plattform this orientation system is to be developed for is a low-power, high-e_ciency _xed-point

math microprocessor, therefore e_ciency and mathematical operation precision are factors that

also need to be taken into consideration in this work.

This is an exploratory work which goals are to analize potential _ltering solutions for free space

orientation with a three-axis accelerometer, develop a tool to validate the theorical analysis, study

the repercusions of limited precision math on those algorithms and implement a _ltering solution

as versatile as possible.

The goal of _nding the orientation with the output of an accelerometer and without a priori

information is deceptively simple: while in relaxed state and within inertial systems the output

of a three axis accelerometer and the direction of gravity is the same, when that hypothesis is

taken away measurements output by the accelerometer include both gravity and acceleration due

to external forces applied to the system.

The contributions of this thesis are a discussion of potential solutions for free space orientation

with unrestrictive preconditions by use of an accelerometer, and an implementation of such solution

for the MSP430, popular platform of choice for digital signal processing. The main purpose

of such a solution is to improve the precision with which gravity is estimated from the output

of the accelerometer. Potential applications of this work are relative position tracking, mapping,

positioning systems (for example, within buildings or vehicles, where any other existing positioning

system cannot work, such as tunnels for GPS).

Instead of just low-pass _ltering the output of the accelerometer, estimations to the state of

external forces applied to the system and tracking of changes to those forces are presented. To

model that system, the Kalman _lter and the Particle _lter are introduced and analyzed as potential

solutions.

This document includes a discussion of both Kalman and Particle _lters, implementation of

a tool to compare and validate the models to estimate gravity, a discussion of the e_ect of _xed

point math to those models and an implementation of a gravity estimation algorithm that is type

and plattform agnosic based on the output of a 3-axis accelerometer.

All relevant code has been included as an appendix to this work.

Abstract [sv]

Denna avhandling beskriver olika metoder för filtrering av utsignalen från en tre-axlig accelerationsmätare för orientering i ledigt utrymme, det vill säga att finna en sensors orientering iförhållande till tyngdkraften. Den plattform detta orienteringssystem ska utvecklas för är en högeffektivmikro-processor med fixed-point matematik, därför är även matematisk operationsprecisionoch efiektivitet faktorer som måste beaktas i detta arbete.Detta är ett förberedande arbete där målet är att analysera möjliga filtreringslösningar för friutrymmesorientering med en tre-axlig accelerationsmätare, utveckla ett verktyg för att validerateoretisk analys, studera konsekvenserna av att använda begränsad precisionsmatematik både algoritmernaoch implementera en filtreringslösning för mikroprocessorerna.Målet med att finna orienteringen med hjälp av utsignalen från en accelerationsmätare ochutan a priori-information är bedrägligt enkel: I avslappnat tillstånd och inom interna system ärutgången hos en tre-axlig accelerationsmätare och tyngdkraftens riktning densamma, när den hypotesenär borttagen visar mätningar att utgång av accelerometern inkluderar både gravitationoch acceleration pågrund av yttre påfrestningarna påsystemet.Bidragen från denna uppsats är en diskussion om möjliga lösningar för orientering i frittutrymme med orestriktiva förutsättningar genom användning av en accelerationsmätare, och ettgenomförande av en sådan lösning för fixed-point matematik mikrokontrollerna. Det huvudsakligasyftet med en sådan läsning är att förbättra den precision med vilken gravitation uppskattas frånutsignalen från en accelerationsmätare. Potentiella tillämpningar av detta arbete är relativ positionsspårning, kartläggning, positioneringssystem (till exempel inom byggnader eller fordon, därandra befintliga positioneringssystem inte kan arbeta, till exempel tunnlar för GPS).Istället för att bara lågpass-filtrera utsignalen från en accelerationsmätare appliceras uppskattningartill stadiet av yttre krafter påsystemet och spårning av ändringar i dessa krafter presenteras.För att modellera systemet introduceras Kalman-filter och partikelfilter för att analyseras som potentiellalösningar.Det här dokumentet innehåller en diskussion om både Kalman och Partikelfilter, implementationav ett verktyg för att jämföra och validera modeller i syfte att uppskatta gravitationen,en diskussion om effekten av fixed-point matematik för dessa modeller och ett genomförande aven gravitationsuppskattningsalgoritm för mikrokontrollerna utifrån utgången hos en treaxlig accelerometer.Relevant kod finns som bilaga till detta arbete..

Denna avhandling beskriver olika metoder för filtrering av utsignalen från en tre-axlig accelerationsm

ätare för orientering i ledigt utrymme, det vill säga att finna en sensors orientering i

förhållande till tyngdkraften. Den plattform detta orienteringssystem ska utvecklas för är en högeffektiv

mikro-processor med fixed-point matematik, därför är även matematisk operationsprecision

och efiektivitet faktorer som måste beaktas i detta arbete.

Detta är ett förberedande arbete där målet är att analysera möjliga filtreringslösningar för fri

utrymmesorientering med en tre-axlig accelerationsmätare, utveckla ett verktyg för att validera

teoretisk analys, studera konsekvenserna av att använda begränsad precisionsmatematik både algoritmerna

och implementera en filtreringslösning för mikroprocessorerna.

Målet med att finna orienteringen med hjälp av utsignalen från en accelerationsmätare och

utan a priori-information är bedrägligt enkel: I avslappnat tillstånd och inom interna system är

utgången hos en tre-axlig accelerationsmätare och tyngdkraftens riktning densamma, när den hypotesen

är borttagen visar mätningar att utgång av accelerometern inkluderar både gravitation

och acceleration pågrund av yttre påfrestningarna påsystemet.

Bidragen från denna uppsats är en diskussion om möjliga lösningar för orientering i fritt

utrymme med orestriktiva förutsättningar genom användning av en accelerationsmätare, och ett

genomförande av en sådan lösning för fixed-point matematik mikrokontrollerna. Det huvudsakliga

syftet med en sådan läsning är att förbättra den precision med vilken gravitation uppskattas från

utsignalen från en accelerationsmätare. Potentiella tillämpningar av detta arbete är relativ positionssp

årning, kartläggning, positioneringssystem (till exempel inom byggnader eller fordon, där

andra befintliga positioneringssystem inte kan arbeta, till exempel tunnlar för GPS).

Istället för att bara lågpass-filtrera utsignalen från en accelerationsmätare appliceras uppskattningar

till stadiet av yttre krafter påsystemet och spårning av ändringar i dessa krafter presenteras.

För att modellera systemet introduceras Kalman-filter och partikelfilter för att analyseras som potentiella

lösningar.

Det här dokumentet innehåller en diskussion om både Kalman och Partikelfilter, implementation

av ett verktyg för att jämföra och validera modeller i syfte att uppskatta gravitationen,

en diskussion om effekten av fixed-point matematik för dessa modeller och ett genomförande av

en gravitationsuppskattningsalgoritm för mikrokontrollerna utifrån utgången hos en treaxlig accelerometer.

Relevant kod finns som bilaga till detta arbete..

Abstract [es]

Este documento presenta y discute diferentes soluciones para filtrar la señal de salida de un

acelerómetro triaxial con el objetivo de conocer su orientación en el espacio libre, es decir, estimar

la orientacifion del senson en relación con la gravedad. La plataforma sobre la cual estos

algoritmos han de ser desplegados es un microcontrolador de bajo consumo y alta eficiencia, TI

MSP430, por ello, la eficiencia y la precisión de las operaciones matemáticas en los diferentes algoritmos

son también tratadas en este documento.

Éste es un trabajo de exploración cuyos objectivos son el análisis de soluciones para el filtrado

de la señal de un acelerómetro triaxial, el desarrollo de una herramienta para la validación del

análisis teórico, el estudio de la repercusión sobre los algoritmos de filtrado de la limitada precisión

en las operaciones matemáticas, y la implementación de una solución de filtrado para el microcontrolador

MSP430 de Texas Instruments.

Encontrar la orientación de un sensor con la señal de salida de un acelerómetro es un abjetivo

relativamente complejo: mientras el sensor están estacionario, la señal de salida es la orientación,

pero cuando fuerzas externas son aplicadas sobre el sensor, estas fuerzas contribuyen como ruido

al problema que se presenta.

Las contribuciones de este documento son una discusión sobre potenciales soluciones para el

filtrado de la señal de un acelerómetro triaxial para la orientación en el espacio libre, y una implementación de una solución para el microcontrolador MSP430, plataforma popular para el proceso

digital de señales. La principal misión de esta implementación es la mejora de la precisión con la

que se estima la dirección de la gravedad mediante el uso de un acelerómetro triaxial. Aplicaciones

potenciales están relacionadas con seguimiento de posición, mapeado, sistemas de posicionamiento

(por ejemplo, dentro de vehiculos o edificios donde otros sistemas no funcionarían, como por ejemplo

GPS en un túnel).

En lugar de un simple filtro paso bajo para eliminar el ruido introducido por fuerzas externas,

estimaciones del estado de las fuerzas externas y filtros para el seguimiento de las mismas son

presentados en este documento. Para modelar dicho sistema, se introcucen el filtro de Kalman y

el filtro de Partículas, y ambos se analizan como soluciones para este problema.

Este documento incluye una discusión de ambos tros, la implementacion de una herramienta

de validación para los mismos, anfialisis del efecto de la introducción de álgebra de punto fijo sobre

los modelos, y una implementacion del sistema para el MSP430 de Texas Instruments.

El código relevante de este trabajo se incluye como apéndice a este trabajo.

Place, publisher, year, edition, pages
2015.
Series
TRITA-ICT-EX, 2015:21
Keyword [en]
Kalman, Particle filter, Fixed-point math, MSP430
Keyword [sv]
Kalman, Partikelfilter, fast punkt matematik, MSP430.
Keyword [es]
Kalman, filtro de partículas, álgebra de punto fijo, MSP430
National Category
Computer and Information Science
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-174845OAI: oai:DiVA.org:kth-174845DiVA: diva2:859505
Examiners
Available from: 2015-10-07 Created: 2015-10-07 Last updated: 2017-06-13Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2905 kB)11 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2905 kBChecksum SHA-512
6f399b6fbf5df5007bb9ceabe54a9d3e8109af7e5ae4496333c6d724d9d55484242d4bd1be2ff9f9355956a95a972c3ad0fc635fca75cf53faf248b4823ce570
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Information and Communication Technology (ICT)
Computer and Information Science

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 11 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 35 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf