Schoen helpt GPS-systeem

Radar als aanvulling op positiebepaling

In vrijwel iedere telefoon zit tegenwoordig wel een GPS-sensor. Handig, want daarmee kun je gemakkelijk je positie bepalen. Maar wat als je mijnwerker bent of je moet je weg vinden in een urban canyon, een stedelijk gebied waar de hoge gebouwen de satellietsignalen in de weg zitten?

Je kunt je voorstellen dat je GPS-signaal niet zo sterk is als je in Hong Kong loopt.

Marije Nieuwenhuizen

Veel GPS-apparaten bevatten voor zulk soort situaties een zogenaamde inertia measurement unit (IMU). Die meet de versnelling en richting en bepaalt op basis daarvan hoe snel je je verplaatst en waarheen. Als je dit ‘optelt’ bij de laatst genoteerde GPS-positie, weet je dus alsnog waar je bent.

Het probleem is alleen dat kleine meetfoutjes grote gevolgen kunnen hebben. Als je stilstaat, maar de IMU denkt dat je 0.1 meter per seconde vooruit beweegt, dan ben je binnen 3 minuten toch zo’n 18 meter verplaatst. Het is daarom belangrijk om ‘snelheid = 0’ exact vast te kunnen stellen en dáár hebben onderzoekers van North Carolina State University en Carnegie Mellon University wat op bedacht.

Zhou et al., 2010

Verschoven radiogolf

De wetenschappers ontwikkelden een ‘schoenradar’: een kleine sensor die ingebouwd wordt in de hak van je schoen. “De radar houdt de afstand tussen de hak en de grond in de gaten. Blijft die afstand gedurende een bepaalde periode gelijk, dan weet de computer (waaraan de radar gekoppeld is) dat de schoen niet is verplaatst”, vertelt Dr. Dan Stancil, professor aan de afdeling Electrical and Computer Engineering van North Carolina State University.

De radar die is ontwikkeld, is een variatie op de continuous wave (CW) radar. Die zendt radiogolven niet in korte pulsen naar een object (de grond in dit geval), maar de hele tijd door. Zo’n radar is gemakkelijker te maken en dus goedkoper. Een nadeel is echter dat hij de afstand naar een object niet kan bepalen. Normaal gesproken -bij het gebruik van korte radarpulsen- meet het systeem hoe lang het duurt voor het signaal terug is. Maar omdat het signaal nu voortdurend wordt uitgezonden, is het onmogelijk na te gaan hoeveel tijd het weerkaatsen kost.

In deze grafiek zie je de gemeten (blauw) en echte (rood) afstand tussen de schoen en de grond. De meting lijkt goed te werken, want de waarde verschilt maximaal slechts 1 mm van de echte afstand.

Zhou et al., 2010

Daar bedachten de onderzoekers een oplossing voor. Hun Terrain Relative Velocity radar (TRV) vergelijkt de fase van het uitgezonden signaal met die van de weerkaatsing. Dat faseverschil geeft aan hoeveel de radiogolf is ‘verschoven’ en dat zegt iets over de afgelegde afstand. Op deze manier kan het systeem berekenen hoever de hak van de schoen zich van de grond bevindt.

Geen beweging

Als de radar de afstand kan bepalen, kan het ook de snelheid van bewegen berekenen (door afstand door tijd te delen):

Deze grafiek toont de snelheid waarmee de hak van de schoen beweegt. Je ziet dat de snelheid rond nul schommelt wanneer de afstand een tijdje gelijk blijft (zie de andere grafiek).

Zhou et al., 2010

Zo kan de TRV-radar dus exact vaststellen wanneer een voet niet beweegt. Of dat tijdens het lopen is (tussen twee stappen in) of wanneer je daadwerkelijk stilstaat, maakt niet uit. Stancil: “Wat de reden ook is, door de snelheid te ‘resetten’ tijdens die pauzes, beperk je het opeenstapelen van meetfouten”.

En daar gaat het uiteindelijk om. De TRV-radar doet op zichzelf verder niets, hij geeft alleen zijn ‘nulpunten’ door aan de IMU. Die kan met deze informatie de versnelling corrigeren, zodat het de verplaatsing goed uitrekent. In combinatie met de meest recente GPS-meting, kom je zo toch op de juiste positie uit.

Lees meer over radar en GPS op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/gps/radar/index.atom?m=of", “max”=>"8", “detail”=>"minder"}