【冬の工作】GPS_RTK技術の調査<cm測位でスキー軌跡測定したい>

昨年正月休みはみちびき対応GPSをいじってみましたが、iPhoneと大差ない程度の精度だったので面白くありませんでしたが、2019年になってトラ技でRTK技術の特集を組んで普及につとめられてます。
●トラ技2019年1月号、2月号、10月号、トラ技で入門キットも売ってます。この1年でublox社モジュールが世代交代しましたので、古いM8Pでなく最新のF9Pがよいです。

※2024年4月追記 RTKスキー計測始めて4年経過して、計測システムも4代目となって実用性と精度が向上してきました。
RTKとIMUを併用してますが、RTKの高精度なくしては、IMUは役に立たないことが判りつつあります。STA24のカテゴリーです。
https://shinshu-makers.net/shinshu_makers/?cat=63
特徴は、3Dプリント防水ケースでスキー板とブーツに固定したことで、アンテナ線が揺動しない点で測定の安定性が向上しです。

 

【STA24】グラフと動画を同期させて板の姿勢確認しました<IMU yaw角精度課題>

【STA24】スキー場実測その1<この4年で最高品質>

 

※2021年3月追記 「コト作りとモノ作りのバランスをとったDIYは重要です」
GPS遊び始めて1年経過して、スキーターンアナライザの開発の初期段階に成功しました。使わせてもらっているF9Pボードの供給メーカーのスペインのArduSimples社のブログで私の開発プロジェクトの紹介記事が公開されました。
海外で発表されると海外のアクセスが増えるのは当然ですが、日本国内でも急増します。日本人は海外での流行に敏感なのだと思います。DIY開発例として、コト作りとモノ作りのバランスをとった事例ですので、若い方にもどんどんDIY開発をしていただきたいと思います。個人のDIYの場合はコト作りは簡単で、自分の身の回しで欲しいモノしたいコトが必ずあるので、それをどのように具体化するかのアイデアを巡らせばいいわけです。
アイデアの原点は、コト作りからです、デバイスがあるからそれを活用するのではモノ作り中心の開発になってしまうので、何かしたいコトがあるコトを分析して、どんな技術とデバイスを使えば達成できるのかを十分検討してから、技術とデバイスの選定に入ります、そうすることによって、世の中にない開発ができます。

【STA】RTK Ski Turn Analyzer[STA] Introduction <for DIY>

 

※2020年12月29日追記
本記事1年1か月前の記事ですが、2月にスキーターン計測成功いたしました。精密な軌跡と速度、板の横滑り角を測定しました。
片足のみでしたが、2021スキーシーズンからは、もう1セットF9PMovingBaseキットを増設して両足測定用システムを開発してます。ここ5年間スキーターンの計測にトライしてきましたが、IMU系センサでは精度と振動が激しくて全然だめでした。cm級GPS2個の測位だけでスキーターンの測定できるかと思ったのですが、2CH間のタイミング誤差で全然精度が出ませんでした。
そこで、MovingBaseモードという2個のアンテナ間で1個が基準局、もう一個い移動局でスキー板の前後にアンテナを2個取り付けます。このアンテナ2点間の3次元測位精度が非常良くてミリ単位で判ります。一般的にRTKのHeading用途専用のモードと言われてます。見事に横滑り角がタイミング誤差なく測定できました。
RTK技術の中でもMovingBaseモードを使うことで、IMUの角度測定では不可能だった用途で運動計測ができることが分かりました。今後、屋外での動作(スキー、歩行、球技、ボート、自転等)で人間の動きの計測技術として発展していくと確信してます。
2021年の目標は、両足でテレマークスキーの計測をすることです。35年間続けてきているテレマークスキーですが、壁にぶち当たってちっとも上達しません。そこで、自分のテレマークターンを客観的に解析して、スキー技術の向上に役立てたいと考えてます。
MovingBaseカテゴリはこちらです。基本的な動作例は下記です。

【L-RTK】MovingBaseモード:RoverとBase軌跡初めてみた<MBデータ初解析>

 

●GPS原理
従来のGPSは複数衛星との距離を電波の到達時間を測定して複数の衛星の位置を計算して自分の緯度経度を計算する測位方式
GPSの原理説明:http://www.ne.jp/asahi/nature/kuro/HGPS/principle_gps.htm

http://www.vboxjapan.co.jp/VBOX/techinfo/About_GPS/VBOX_techinfo_GPS.html

詳細解説ページ 九州大学野村先生:http://maya.phys.kyushu-u.ac.jp/~knomura/museum/GPS/node2.html

●RTK技術
従来のGPSでは、電波が電離層、地形、気象で乱れるため、精度的に限界があるため、地上に基準局を設けてそこでの衛星との距離と移動局と衛星との距離をインターネットで通信して教え合うことで、GPSでは得られないcm級の精度が得られる方式です。
地上で地面に書いた数十cmの文字の測位したYUTUBEあります。
これを見れば、GPSでは不可能な精度がRTKで得られることが分かります。

理解したい方はトラ技2019年2月号の付録をよむとわかりやすいです。
https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MTR/MTR201902.html

これを読んで、理解した点
①RTKでの距離測定は、衛星からの搬送波の波数のカウントでおこなっている。1.5GHzの波長が19cmでそれを256ビットでADCしているので、分解能0.744mmになる。

➁基準局と移動局が近く(数kmから20km)にあるので、電波の外乱状態が両者とも同じ程度になるので、キャンセルされる

③基準局の絶対位置をmm単位で測位しておけば、移動局の絶対位置もcmの精度をもてる

④基準局の位置が適当でも移動局との相対位置がわかるので、スキー場の駐車場に設置した基準局で、スキー滑走の軌跡の測位は可能

 

●CQ出版のU氏にいろいろ教えていただいた
質問メールをトラ技のCQ出版にだしたら、担当のU氏から専門的で詳細な技術情報をいただけました。

 さすがにトラ技の編集部の技術知識はものすごく広くて、深いです。トラ技って凄いと思いました。
 トラ技で販売しているキットより性能がよいキットがアメリカで販売されているのでDIGIKEYで購入しよかと思って調べてます。

 ●2020年2月になってスキーターンモニタリングシステム完成しました
普通のRTKでは、精度が出なかったので、MovingBase法に変更してスキー軌跡と
板の横滑り角度のリアルタイム測定に成功しました。

 

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