Συνδυασμός των τεχνολογιών χαμηλού κόστους αδρανειακών μονάδων μέτρησης και του παγκόσμιου δορυφορικού συστήματος πλοήγησης σε εφαρμογές φωτογραμμετρίας

Abstract

The scope of the Ph.D Thesis is to investigate the capabilities of the combination of low cost inertial measurement units, global navigation satellite system and image sensor technologies in photogrammetry and on location-based services. This scope is considered under static and kinematics conditions by developing the appropriate algorithms that can be used into portable devices with limited computational power. In the framework of this effort, there was an attempt to understand the above mentioned technologies at the lowest possible level. This option is consider from the perspective view of research and also for acquiring the know-how itself. This will serve as a knowledge platform that will be used for the development of innovative applications, taking advantage of the most of these new features, giving the ability to use low cost hardware. The findings of the investigation, that concerns instruments that are available today and some typical applications where these systems can be used, are being presented. The principles of operation of inertial sensors and magnetometers are presented. Mathematical models and methodologies, based on the scientific method of observations adjustment for sensors auto calibration, without the use of specialized equipment and laboratory conditions are being developed. The estimated accuracy of results was then calculated. Methodologies for the fusion of inertial and magnetometer data are being presented. A mathematical model and methodology, which uses the rotation matrix and an extension of rotation angles, as an attitude and heading representation method is being developed. An algorithm, for the synthesis of measurements in real time, using the method of Kalman filter, is being developed and implemented. The information necessary to create an exemplar system that combines inertial and satellite navigation are presented and analyzed. Mathematical models and methodologies for fusing data, using Kalman filter are being developed. The methodologies are applied with real datasets. A methodology for connecting inertial measurement unit and image sensor coordinates systems with the ground reference system is being presented. Applications that were developed are being presented. Specifically, a prototype implementation of a system for determining position and orientation, in static and kinematics applications and an application for the recognition of georeferenced vector objects. Conclusions about the potentials and prospects of the examined technology and the methodologies that were developed in the framework of this thesis are being composed.

Το αντικείμενο της Διδακτορικής Διατριβής είναι η έρευνα και η αξιοποίηση των δυνατοτήτων του συνδυασμού των τεχνολογιών των χαμηλού κόστους αδρανειακών μονάδων μέτρησης, του παγκόσμιου δορυφορικού συστήματος πλοήγησης και των αισθητήρων απεικόνισης, στη φωτογραμμετρία και κατά επέκταση στις υπηρεσίες που βασίζονται στη θέση. Η έρευνα λαμβάνει υπόψη στατικές και κινηματικές συνθήκες, με τη δημιουργία των κατάλληλων αλγορίθμων, που θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε φορητές συσκευές περιορισμένης υπολογιστικής ισχύς. Επιχειρείται η εξοικείωση και η κατανόηση αυτών των τεχνολογιών στο χαμηλότερο δυνατό επίπεδο λειτουργίας τους. Η επιλογή αυτή έγινε τόσο από τη σκοπιά της έρευνας αλλά και για την ίδια την τεχνογνωσία, που στο τέλος θα αποτελέσει μια πλατφόρμα γνώσης, για την ανάπτυξη καινοτόμων εφαρμογών, αξιοποιώντας στο έπακρο αυτές τις νέες δυνατότητες, χωρίς περιορισμούς, δίδοντας τη δυνατότητα για τη χρήση υλικού χαμηλού κόστους. Παρουσιάζονται τα ευρήματα έρευνας, που αφορούν τα όργανα αυτών των τεχνολογιών που είναι διαθέσιμα σήμερα και παρατίθενται χαρακτηριστικές εφαρμογές, όπου αυτά τα συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Διατυπώνονται οι αρχές λειτουργίας των αισθητήρων των αδρανειακών μονάδων μέτρησης και των μαγνητόμετρων. Αναπτύσσονται μαθηματικά μοντέλα, μεθοδολογίες και αλγόριθμοι, που στηρίζονται στην επιστημονική μέθοδο της συνόρθωσης των παρατηρήσεων, για την αυτοβαθμονόμηση των αισθητήρων, χωρίς τη χρήση ειδικού εξοπλισμού και εργαστηριακών συνθηκών. Υπολογίζονται οι εκτιμήσεις των ακριβειών των παράγωγων αποτελεσμάτων. Διατυπώνονται μεθοδολογίες για τη σύνθεση των μετρήσεων από τους αδρανειακούς αισθητήρες και τα μαγνητόμετρα. Αναπτύσσεται μαθηματικό μοντέλο και μεθοδολογία, που χρησιμοποιεί ως μέθοδο αναπαράστασης της θέσης, τον πίνακα στροφής και μία επέκταση της έννοιας των γωνιών στροφής. Αναπτύσσεται και υλοποιείται αλγόριθμος για τη σύνθεση των μετρήσεων σε πραγματικό χρόνο, με τη μέθοδο του φίλτρου Kalman. Παρουσιάζονται και αναλύονται τα απαραίτητα στοιχεία για τη δημιουργία ενός πρότυπου συστήματος για το συνδυασμό της αδρανειακής και της δορυφορικής πλοήγησης. Αναπτύσσονται μαθηματικά μοντέλα και μεθοδολογίες για τη σύνθεση των μετρήσεων, με το φίλτρο Kalman. Εφαρμόζονται οι μεθοδολογίες σε πραγματικά δεδομένα. Παρουσιάζεται μια μεθοδολογία για τη σύνδεση των συστημάτων συντεταγμένων της αδρανειακής μονάδας μέτρησης, του αισθητήρα απεικόνισης και του επίγειου συστήματος αναφοράς. Παρουσιάζεται ένα πρότυπο σύστημα προσδιορισμού του προσανατολισμού και της θέσης στο χώρο, σε στατικές και κινηματικές εφαρμογές και μια εφαρμογή για την αναγνώριση γεωαναφερμένων διανυσματικών αντικειμένων. Διατυπώνονται συμπεράσματα για τις δυνατότητες και τις προοπτικές αυτής της τεχνολογίας και των μεθοδολογιών που αναπτυχθήκαν στη Διατριβή.