Entwicklung und Implementierung einer INS-Softwareplattform für die referenzlose Low-cost Indoornavigation auf Basis einer modularen Systemarchitektur

Diplomarbeit von Ersan Günes

Einleitung:

Das referenzlose Navigieren im Indoorbereich ist in den letzten Jahren immer mehr zu einer Notwendigkeit in der Industrie geworden. Das Bedürfnis in Industrie und Medizin referenzlos rotatorische und translatorische Bewegungen von Personen, Industriewerkzeugen und sonstigen Objekten zu erfassen ist in den letzten Jahren stark gestiegen.

Waren doch bisher die Einsatzgebiete der inertialen Sensorsysteme auf Airbagsysteme und Avionik (High-End) fokussiert, so zeigt die Entwicklung der letzten Jahre eine steigende Notwendigkeit an industriellen und medizinischen Anwendungen dieser Systeme. Im Gegensatz zur Industrie und Medizin haben sich die Applikationen im Consumer und Entertainmentsegment rapide verbreitet. Die größten Erfolge erzielte Ende 2006 die Firma Nintendo mit ihrer Spielekonsole ‘Wii’, sowie diverse Hersteller von mobilen Endgeräten wie zum Beispiel die Firma Apple mit dem Smartphone ‘iPhone’. Die Plattform zum Erstellen von Inertialsensorapplikationen für mobile Endgeräte haben einige Hersteller mit sogenannten SDK-Paketen (Software-Development-Kits) gelöst.

Anwender können sich die vom Hersteller kostenlos bereitgestellten SDK‘s herunterladen und direkt mit dem Entwickeln von Anwendungen für das entsprechende Endgerät beginnen. Diese sogenannten ‘Apps’ sind bis heute jedoch auf die reine Lage- und Beschleunigungsdetektion (Neigung und Beschleunigung in X, Y und Z Richtung) beschränkt.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit geht es nun um die Entwicklung einer modularen auf LabVIEW basierenden INS-Plattform, mit der es möglich ist, Applikationen für die referenzlose Navigation zu entwickeln. Das bedeutet, dass es nicht ausreicht eine reine Neigungsdetekion vorzunehmen, sondern über inertiale Beschleunigungssensoren eines Sensorboards und über die doppelte Integration jener Daten eine Objektposition und die Orientierung im Raum zu ermitteln. Ferner gehört es zum Umfang der Softwareplattform, Vergleichsmessungen mittels eines auf Infrarot basierenden Tracking-Systems zu erstellen.

Dieses sogenannte Referenzsystem dient zur Verifikation der konzipierten Algorithmen und sonstigen Erweiterungen innerhalb der Softwareplattform. Die Vorteile der Sensordatenfusion zur Validierung von Algorithmen und Verifikation von Softwareerweiterungen liegen hier klar auf der Hand. Eine effizientere Entwicklung durch deutliche Verbesserung der Usability im Zusammenhang mit Evaluierungsvorgängen ist ein Schlüsselmerkmal der Softwareplattform.

Die hier im Rahmen der vorliegenden Arbeit realisierte Softwareplattform bietet eine sehr gute Skalierbarkeit und Flexibilität im Bereich der Entwicklung von Applikationen für inertiale Sensortechnologien. Die weiterentwickelte Plattform bietet so ein wichtiges Framework für zukünftige Entwicklungen. Hierzu wird in Kapitel 2 der aktuelle Stand der Inertialsensor-Technologie untersucht und erläutert. In Kapitel 3 werden die für das Konzept nötigen Softwaretechnologien und Strategien erläutert. Die Ausgangssituation und der wissenschaftliche Handlungsbedarf werden in Kapitel 4 abgeleitet. Das Lösungskonzept und die damit verbundenen Verbesserungen werden in Kapitel 5 vorgestellt. In Kapitel 6 werden die Implementierung der Neuerungen sowie die Weiterentwicklung der bestehenden Bestandteile abgehandelt. In Kapitel 7 werden die vorgenommenen Verbesserungen durch Simulationsmessungen evaluiert sowie Aussagen bezüglich der Performanceoptimierung und der verbesserten adaptierbarkeit abgeleitet. Beendet wird diese Arbeit in Kapitel 8 mit einem Fazit und einem abschließenden Ausblick.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 2.8, Applikation in LabVIEW:

Der Funktionsumfang der Visualisierungseinheit ist auf das wesentlichste beschränkt. Der grundlegende Vorteil der Anwendung in LabVIEW liegt allerdings in der Weiterverarbeitung der Sensordaten hinsichtlich der Berechnungen von mathematischen Funktionen, Implementierung von Filtern, Erweiterbarkeit von grafischen Visualisierungsmethoden und Zusammenführung von anderen Hardwaremessdaten sowie weitere benutzerspezifische Anpassungen.

2.8.1, Warum LabVIEW?

Der Vorteil von LabVIEW als Plattform von wissenschaftlichen Anwendungen ist hinsichtlich der Möglichkeit von schnellen Änderungen und dem hohen Funktionsumfang, in Anbetracht der wissenschaftlichen Zusatzfunktionen dem konventionellen C oder VisualBasic Programm überlegen. Des Weiteren werden Kosten durch softwarebasierte Messgeräte-Tools sowie der kurzen Einarbeitungs- und Schulungsphase eingespart.

Eine wichtige Konsequenz LabVIEWs graphischer Programmierung ist die Einfachheit, mit der in LabVIEW parallele Abläufe programmiert werden können. Es reicht zwei Sub-VIs ohne Datenabhängigkeit nebeneinander zu legen, um sie gleichzeitig mit Multithreading abzuarbeiten. Dies ist in der Plattformentwicklung von großer Bedeutung. Man muss allerdings, ähnlich wie in text-basierten Programmiersystemen, auf mögliche Race Conditions achten und, wo nötig, Ressourcen sperren. Zur Synchronisierung bzw. Kommunikation zwischen mehreren Threads stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung (z.B. Semaphoren, Melder, Warteschlangen).

Das Frontpanel von LabVIEW ist ein sehr bequemes Mittel, um Programme mit guter grafischer Bedieneroberfläche zu erstellen. Bei allen Programmierarbeiten in LabVIEW muss der Programmierer prinzipiell keinen Text eingeben, außer Beschriftungen von Gestaltungselementen.

Die graphische Darstellung des Programmablaufs erhöht zumindest bei nicht zu umfangreichen Vorhaben die Lesbarkeit deutlich. Insbesondere Naturwissenschaftler und Techniker verstehen die Programmlogik meist recht schnell und können Software damit an ihre konkreten Bedürfnisse anpassen. Die je nach Lizenz mitgelieferten umfangreichen Funktionsbibliotheken decken insbesondere die Datenanalyse und Mathematik weitgehend ab. Aber auch die Ansteuerung von zusätzlichen (auch externen) (Mess-)Geräten und Systemfunktionen ist gut gelöst.

Über die unterstützten Kommunikationsprotokolle und Verbindungstechniken ist es möglich, auch weit entfernte Geräte (z. B. an unzugänglichen Stellen oder in anderen Ländern) zu steuern und zu nutzen. Hier kommt unter anderem TCP zum Einsatz. LabVIEW ermöglicht seit der Version 8.6.1 auch die Programmierung auf/von Mikrocontrollern und DSPs. Es unterstützt auch einige Echtzeitbetriebssysteme. Im Rahmen dieser Arbeit wurde LabVIEW 2009 verwendet.