Kompassin toteuttaminen mobiililaitteeseen

Abstract

Modernit mobiililaitteet sisältävät anturit magnetismille ja kiihtyvyydelle. Näiden tiedoista voidaan muodostaa kompassisuunta. Asiaa käsittelevät verkkolähteet ovat vaihtelevan tasoisia, joko sisältäen raskasta matemaattista teoriaa vähäisellä yleisesittelyllä, tai ollen vain hyvin kevyitä esityksiä. Tämä insinöörityö pyrki antamaan kompassisovelluksen toteuttamisesta mobiililaitteeseen ymmärrettävän esittelyn, jonka avulla voidaan muodostaa yleiskäsitys aiheesta ja ymmärtää paremmin laskennan periaatteita ja käytäntöä.

Piirivalmistajan julkaisemia kompassilaskentaa ja kalibrointia kuvaavia dokumentteja esiteltiin ja niiden sisältämää laskentaa kuvailtiin havainnekuvin ja sanallisella esittelyllä. Käytännön huomioita esitettiin perustuen mobiilikompassin toteutusprojektista saatuihin kokemuksiin. Kompassin käyttökelpoisuutta nykymaailmassa pohdittiin erityisesti siihen vaikuttavien virhe- ja häiriölähteiden kautta. Kompassisuuntaa vertailtiin sen yleisimpään vaihtoehtoon satelliittipaikannukseen.

Tutkitussa kirjallisuudessa esitetyssä suuntalaskennassa magneettikenttää kuvaava vektori pyöritetään gravitaation osoittamalle tasolle ja kalibroidaan laitekohtaisella tekijällä. Tämän jälkeen vaakasuuntainen suuntakulma kertoo magneettisen pohjoissuunnan. Tulos suodatetaan alipäästösuodattimella ja kompensoidaan erannolla. Piirivalmistajan kuvaamassa kalibrointilaskennassa erotetaan laitekohtainen sisäinen häiriötekijä ulkoisesta kentästä pienimmän neliösumman menetelmällä. Insinöörityön tutkimuksissa havaittiin, että kompassieranto on mahdollista selvittää myös automaattisella ohjelmistoratkaisulla. Kaupunkiympäristössä esiintyvien häiriötekijöiden huomattiin vaikeuttavan kompassin käyttöä navigaatiovälineenä. Näiden vuoksi kompassi ei ehkä sovellu nykyisin kovin hyvin pääasialliseksi navigaatiovälineeksi, ja sitä käytetäänkin usein satelliittipaikannuksen tukena integroiduissa järjestelmissä. Moottoriajoneuvojen todettiin synnyttävän erityisiä haasteita.

Työtä voidaan käyttää antamaan kokonaisvaltainen käsitys sekä kompassilaskennasta itsestään että mobiilikompassiin liittyvistä käytännön kysymyksistä. Analyysit käytännön käytettävyydestä ja vertailu yleisimpään vaihtoehtoiseen välineeseen tukevat päätöksentekoa toteutusprojektiin ryhtymisestä. Häiriötekijöiden jatkotutkimus voisi edesauttaa navigaatiojärjestelmien kehitystä.

This bachelor's thesis aimed to provide an understandable overview of the implementation of a compass application by utilizing the sensors on a mobile device. The thesis was to fulfil a void between brief superficial summaries and heavy mathematical presentations about the topic.

Chip manufacturer documents were overviewed and calculations described with illustrations and textual presentation. Additional practical insights were provided based on experiences from an implementation project. The usability of the compass in the modern world was discussed, and compared with satellite positioning.

The orientation and calibration calculations presented in the studied literature rotate the magnetism vector with the direction of gravity and calibrate it with a device specific term, which is distinguished from the external magnetic field using the least squares method. Research revealed that the local magnetic declination can be determined automatically. The thesis established that electromagnetic disturbances in urban environment degrade compass performance and, therefore, the compass might be better for a supporting role in integrated systems. Motorized vehicles were discovered to be challenging use cases.

This thesis can be used to provide a general understanding of compass calculation and related practical matters. The presented analyses of practical usability and comparison with the most common alternative support decision making.