Elektroninen kompassi

Abstract

Tämän opinnäytetyön aiheena oli elektronisen kompassin suunnittelu ja toteutus sulautettuun järjestelmään. Työ tehtiin Trelab Oy:lle, joka suunnittelee ja valmistaa seuraavan sukupolven langattomia mittalaitteita. Kompassi oli suunniteltava siten, että se toimisi osana Trelabin Oloni-järjestelmää ja täyttäisi yrityksen vaatimukset langattoman mittalaitteen ohjelmiston suhteen. Koska varsinainen mittalaite sensoreineen oli jo olemassa, elektronisen kompassin toteuttaminen oli käytännössä ohjelmistoprojekti.

Oloni-järjestelmän käyttökohteet ja mittalaitteen arkkitehtuuri määrittelivät ominaisuudet ja vaatimukset kompassiohjelmistolle. Keskeisimmät vaatimukset ohjelmistolle olivat kallistuksen ja magneettisten häiriöiden kompensointi sekä kompassisuunnan alipäästösuodatus. Kallistuksen kompensointi oli tarpeen, sillä kohdejärjestelmää käytetään joko kiinteästi asennettuna tai esimerkiksi ranteeseen kiinnitettynä, jolloin sen asento voi muuttua jatkuvasti. Samasta syystä tarvittiin alipäästösuodatusta, joka poistaa liikkeessä olevan mittalaitteen rekisteröimät lyhytaikaiset häiriöt, esimerkiksi kävelyn aiheuttaman tärinän. Suurin osa kompensoitavista magneettisista häiriöistä syntyi itse mittalaitteen aktiivisista komponenteista, kuten lähettimestä.

Kallistuksen kompensointi toteutettiin käyttämällä kiihtyvyysanturin dataa, Eulerin kulmia ja alipäästösuodatusta. Näin saatiin aikaan kompensointi, joka takaa kohtuullisen vakaan tuloksen, on mittalaite sitten liikkeessä tai paikallaan. Lisäksi toteutettu toisen asteen alipäästösuodin suodattaa lähes kaikki lyhytkestoiset mittalaitteeseen kohdistuvat impulssit lasketusta kompassisuunnasta. Myös toteutettu magneettinen kompensointi toimii hyvin, eivätkä mittalaitteen muut aktiivikomponentit vaikuta laskettuun kompassisuuntaan.

Valmis kompassiohjelmisto ylittää kaikki odotukset ja siinä toteutuvat kaikki sille asetetut vaatimukset. Heti valmistuttuaan ohjelmistosta tuli osa kaupallista tuotetta. Mahdollinen jatkokehitys kartoitetaan ja toteutetaan ensimmäisten asiakaskokemusten jälkeen.

The subject of this bachelor’s thesis was to design and implement the electronic compass to an embedded system. The thesis was made for Trelab Ltd. which designs and manufactures wireless measurement solutions of the next generation. The compass had to be designed in such way that it can be working part of the Oloni-system made by Trelab Ltd. The software also had to meet the requirements of the architecture set by the company. Because the actual wireless measurement device and its sensors already exist-ed, implementation of the compass was practically software project.

Usage and hardware architecture of the Oloni-system defined the requirements and the features of the electronic compass. Most important features needed were tilt and mag-netic compensation and low-pass filtered magnetic bearing. The tilt compensation was needed because measurement device could be installed on fixed position or it could be attached on person’s wrist. In that case tilt of the compass can be in continuous change which is also the reason why low-pass filtering was needed. The low-pass filter removes all fast interference registered by the accelerometer of the measurement device. This kind of interference can be derived from the vibration caused by walking for example. Most of the magnetic interference that had to deal was originated from the measurement device itself and from its active components like wireless transmitter.

The tilt compensation was implemented by using accelerometer, Euler’s angles and the low-pass filter. In this way the implemented tilt compensation was able to produces good result for stationary and moving measurement devices. The implemented second order low-pass filter filtered almost all short term interference from the magnetic bear-ing. Also the magnetic compensation which was implemented with matrices among other methods was working as intended and active devices on measurement device were not effecting to the compass outcome.

Ready compass software exceeded all the expectations and it put all the requirements into practice. Immediately after the compass was ready it became part of the commercial product. Further development of the compass will be surveyed and implemented after the first customer experiences.