Entwicklung eines modularen und skalierbaren Sensorsystems zur Erfassung von Position und Orientierung bewegter Objekte

Abstract

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines modularen und skalierbaren Sensorsystems zur Erfassung von Position und Orientierung bewegter Objekte.<br /> Eine Sensoreinheit, die an dem bewegten Objekt befestigt wird, enthält für jede der drei Raumrichtungen Beschleunigungs-, Drehraten- und Magnetfeldsensoren. Gleichzeitig werden über Laufzeitmessungen mit Ultraschall die Abstände einer Sensoreinheit zu einer Anzahl Referenzeinheiten bestimmt, die an festen und bekannten Punkten im Raum angebracht sind. Aus den Daten aller Sensoren werden mit Hilfe von Kalmanfiltern die aktuelle Position und die Orientierung des Objektes bestimmt. Der modulare Aufbau des Systems ermöglicht die gleichzeitige Verfolgung mehrerer Objekte und eine einfache Anpassung an verschiedene Anwendungen und Anforderungen. Das System eignet sich zum Beispiel zur Analyse von Körperbewegungen oder zur Verfolgung des Kopfes in Augmented oder Virtual Reality Umgebungen und wurde bereits in beiden Fällen erfolgreich eingesetzt.

Development of a modular and scalable sensor system for the estimation of position and orientation of moving objects<br /> A modular and scalable sensor system for the estimation of position and orientation of moving objects has been developed and characterized. <br /> A sensor unit, which is mounted to the moving object, consists of acceleration -, angular rate - and magnetic field sensors for every spatial axis. Customized Kalman filter algorithms provide a robust and low latency reconstruction of the sensor's orientation. Additionally an ultrasound transducer network is used to measure the distance of a sensor unit with respect to several reference points in the room. This allows reconstruction of the absolute position using trilateration methods. The system is scalable with respect to the number of sensor units and the covered tracking volume. It is suitable for various applications for example the analysis of body movements or head tracking in augmented or virtual reality environments.