Sensormessungen

Sascha Henke, Peer Wagner

Die vorangegangenen Punkte haben deutlich werden lassen, dass die Sensorik in Smartphones in keinem Fall ohne Überprüfung eingesetzt werden sollte. Da wir während unserer Projektarbeit über manche der angesprochenen Punkte gestolpert sind haben wir die Sensorwerte auf ihre Genauigkeit und auch Zuverlässigkeit getestet. Die nachfolgenden Bilder geben diese Tests der Sensoren wie GPS und die Lageberechnung auf Grund der Beschleunigungs- und Magnetfeldsensoren wieder. Die Angaben der Lageberechnung erfolgen dabei in Grad. Die so erhaltenen Daten wurden in ihrer rohen Form mit einer Glättung der Daten verglichen. Die Glättung ist dabei der im Abschnitt Beschleunigungssensoren beschriebene Tiefpassfilter, welcher sich auch als exponentieller Glättungsansatz 1. Ordnung sehen lässt. Die Formel für die Glättung der Werte ist damit wie folgt:

Hierbei ist das Ergebnis x der geglättete Wert und das Alpha der sogenannte Gegenwartswert und liegt für diese Glättung bei einem Wert von alpha=0,1. Dieser Gegenwartswert ist in der Literatur oftmals beschrieben und hat auch für unsere Messungen brauchbare Ergebnisse geliefert.

Zur Messung lässt sich sagen, dass alle hier gezeigten Ergebnisse entstanden sind aus Messungen, die in einer möglichst störfreien Umgebung aufgenommen wurden. Das Smartphone wurde dabei auf einer Apparatur fixiert, wobei hier der Pitch- beziehungsweise Roll-Winkel eingestellt wurden. Die Messungen haben im Schnitt 100 Messpunkte, von denen jeweils die ersten und letzten 20 Werte aus der Bewertung genommen wurden da hierbei noch Einstellung am Smartphone selbst gemacht werden mussten um die Programme zu starten.

Kompass

Im Folgenden sei der Kompass getestet, indem das Gerät in einer gleichbleibenden Position Messreihen aufgenommen hat, welche später dann von einem selbstgeschriebenen Tool ausgewertet wurden. Hierbei beschreibe "Difference" die Differenz zwischen Maximum und Minimum, wobei der "0-Durchgang" zu beachten ist. Weiterhin beschreibe "Average" den durchschnittlichen Wert des Kompasses und "Deviation" die Ablenkung von diesem.

Abb. 1: Ungeglättet
Abb. 2: Nach Glättung mit Exponentiellen Glättungsansatz
Maximum: 149.626071815
Minimum: -172.962682918
Median: -39.9645533473
Average: -40.5885227469
Deviation: 8.40884361703
Difference: 37.411245267
Maximum: -13.647577082
Minimum: -45.9064525553
Median: -32.6066395982
Average: -32.6690365382
Deviation: 0.840884361703
Difference: 32.2588754733

Beispielhaft ein Datensatz aufgenommen innerhalb eines grossen Stahlbeton-Gebaeudes (AVZ):

Abb. 3: Ungeglättet
Abb. 4: Geglättet
Maximum: 3.68465869271
Minimum: -125.676739646
Median: -1.30598309597
Average: -1.47843925891
Deviation: 3.94275255656
Difference: 129.361398339
Maximum: -4.97066873204
Minimum: -17.9068085659
Median: -5.46973291091
Average: -5.4869785272
Deviation: 0.394275255656
Difference: 12.9361398339

Man erkennt das beim Kompass immer ein gewisses Rauschen und einige Peaks vorhanden sind, was bei der rohen Nutzung in der AR zu einer Unruhe bzw. Ruckeln führt. Die exponentielle Glättung hingegen bietet hier eine gut Möglichkeit das Grundrauschen zu minimieren und die Peaks zu verkleinern.

GPS Daten

Zu Messung der GPS Daten wurden vom Handy immer ohne Bewegung Daten aufgezeichnet. Danach wurde das Handy fünf Meter bewegt und dann wieder eine Datenreihe aufgenommen. So kann nun anhand der durchschnittlichen Position und dem gemessenen Abstand zwischen den Messreihen ein Fehler berechnet werden. Bei jeder Messung wurden etwa 40 GPS Daten aufgezeichnet, wenn die einzelnen Punkte nun im Diagramm nicht zu erkennen sind liegt dies daran, dass diese auf den selben Koordinaten liegen.

Abb. 5: GPS - 1.Datenreihe
Abb. 6: GPS - 2.Datenreihe
Durchschnitt Longitude: 8.02343612909
Durchschnitt Latitude: 52.2845016003
obere Abw. longitude -4.82797622681e-06
untere Abw. longitude -5.36441802979e-07
obere Abw. latitude -8.15391540243e-06
untere Abw. latitude -2.57492065714e-06
Durchschnitt Longitude: 8.02345765264
Durchschnitt Latitude: 52.2845186685
obere Abw. longitude -3.17159451928e-05
untere Abw. longitude -0.000107758923582
obere Abw. latitude -1.98577579695e-05
untere Abw. latitude -5.52440944475e-05

Hier ist, besonders in der linken Abbildung, zu sehen, dass die GPS Daten nicht allzu häufig streuen. Vergleicht man beide Grafiken, so sieht man, dass der Unterschied zwischen den durchschnittlichen Positionen 1,86 Meter beträgt, was einen Fehler von etwa 3.2 Metern in der durchschnittlich aufgenommenen Position anzeigt. Weitere Messreihen zeigen, dass diese Fehlerzahl ungefähr gleich ist bzw. sich etwa in einem Intervall von etwa 3,2 bis 3,7 Metern Fehlerabweichung zwischen den Messungen möglich ist.


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