Title (eng)
Semi-automatic documentation of PV-plant inspections using GNSS RTK and IMU modules through multidimensional Kalman filtering
Parallel title (deu)
Halbautomatische Dokumentation der Überprüfung von PV-Anlagen mit GNSS RTK und IMU Messeinheiten durch Verwendung von mehrdimensionalen Kalman-Filter
Author
Paul Lukas Dreher
Advisor
Viktor Schlosser
Assessor
Viktor Schlosser
Abstract (deu)
Die Zielsetzung dieser Arbeit war die Entwicklung eines preisgünstigen Ortungssys- tems für Thermographie Kameras, welches zur Inspektion von PV-Anlagen ver- wendet werden kann. Da in großen Anlagen mit sehr vielen Modulen eine hohe Verwechslungsgefahr besteht und es schwierig ist den Überblick zu behalten, wäre es wertvoll für jedes aufgenommene Bild zu wissen, wo genau es enstanden ist und wie die Kamera dabei gedreht war. Mit diesen Informationen ist es möglich die Bilder auf eine definierte Fläche rückzuprojizieren und eine dreidimensionale Ge- ometrie als Grundlage der Auswertung zu bauen. Um dieses Konzept zu verwirk- lichen wurden IMUs (inertial measurement unit), welche sich aus mehreren Sensoren (3D-Magnetometer, 3D-Beschleunigungssensor, 3D-Gyroskop, Drucksensor) zusam- mensetzen, mit RTK GNSS Systemen kombiniert und über Teensy Mikrocontroller programmiert. Es wurden verschiedene Methoden getestet, um herauszufinden in welchen Kombinationen die Sensoren als Navigationsysteme dienen können. Weit- ers wurde ein Kalmanfilter entwickelt, welcher die Ausgabe der Höhenmessungen durch das RTK, mit der Höhenberechnung über die Druckmessung vergleicht und gewichtet.
Für statische Messungen konnten Positionsgenauigkeiten von σE = 0.0050 m, σN = 0.0046m und σU = 0.0110m erreicht werden, wobei diese stark reduziert wur- den, sobald die Kamera in Bewegung gesetzt wurde (σE = 0.15 m − 0.30 m, σN = 0.15 m − 0.30 m und σU = 0.40 m − 0.80 m). Vor allem die Höhenmessung durch das RTK hat sich bei Bewegung als kaum zu bewältigende Aufgabe herausgestellt. Die Magnetfeld- und Beschleunigungsmessungen konnten benutzt werden, um die Orientierung der Kamera zu bestimmen und in Folge die Bilder richtig gedreht rück- zuprojizieren. Das System funktioniert und kann für Insepktionen von PV-Anlagen verwendet werden, jedoch nur für kleine Distanzen (bis 5 m) zwischen Kamera und Modulen, da die Ungenauigkeiten sonst zu groß und die Rückprojektionen fehler- haft werden. Die verbleibenden signifikanten Schwierigkeiten setzen sich aus der Fehleranfälligkeit des Magnetfeldsensors auf elektromagnetische Streustrahlung, der Ungenauigkeit in der Höhenmessung und den auftretenden Phasensprüngen in der Auswertung der differentiellen Phasenmessung der GNSS Signale zusammen.
Abstract (eng)
The aim of this work was to develop a low cost tracking device for thermographic cameras, which could be used for PV plant inspections. As it is very difficult to keep track of similar looking modules, it would be beneficial to know where exactly the pictures were taken and how the camera was orientated in space, to make it possible to backproject the images to a certain plane and build a three-dimensional evalua- tion geometry. In order to achieve this concept, an inertial measurement unit (IMU) containing several sensors (3d-magnetic, 3d-acceleration, 3d-gyroscope, barometer) was combined with an evolved RTK GNSS system and programmed using Teensy microcontroller boards. Several methods were tested to use the different sensors as navigation tools, furthermore a Kalman filter was developed to compare and im- prove the barmometric with the RTK altitude measurements.
For a static measurement, position accuracies of σE = 0.0050 m, σN = 0.0046 m and σU = 0.0110 m could be reached, but as soon as the camera was moved, many dif- ficulties appeared and the best achievable accuracies were in the range of σE = 0.15m − 0.30m, σN = 0.15m − 0.30m and σU = 0.40m − 0.80m. Particularly difficult and not achievable was a stable and good GNSS altitude measurement. The magnetic and acceleration measurements were used to evaluate the camera’s orientation, and the pictures were turned and projected fairly correctly. The system works and can be used for PV plant inspections where the distance to the mod- ules is supposed not to exceed 5m. The most significant difficulties remaining are the vulnerability to failures of the magnetic sensor from electromagnetic stray ra- diation, GNSS altitude measurements and so-called cycle slips which corrupt the carrier phase measurement.
Keywords (eng)
GNSSphotovoltaicsRTKcarrier phaseIMUtrackingnavigationKalmanmicrocontrollersensor
Keywords (deu)
GNSSPhotovoltaikRTKTrägerphaseIMUNavigation, KalmanMikrocontrollerSensor
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1337509
rdau:P60550 (deu)
X, 99 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Number of pages
109
Study plan
Masterstudium Physik
[UA]
[066]
[876]
Association (deu)
Title (eng)
Semi-automatic documentation of PV-plant inspections using GNSS RTK and IMU modules through multidimensional Kalman filtering
Parallel title (deu)
Halbautomatische Dokumentation der Überprüfung von PV-Anlagen mit GNSS RTK und IMU Messeinheiten durch Verwendung von mehrdimensionalen Kalman-Filter
Author
Paul Lukas Dreher
Abstract (deu)
Die Zielsetzung dieser Arbeit war die Entwicklung eines preisgünstigen Ortungssys- tems für Thermographie Kameras, welches zur Inspektion von PV-Anlagen ver- wendet werden kann. Da in großen Anlagen mit sehr vielen Modulen eine hohe Verwechslungsgefahr besteht und es schwierig ist den Überblick zu behalten, wäre es wertvoll für jedes aufgenommene Bild zu wissen, wo genau es enstanden ist und wie die Kamera dabei gedreht war. Mit diesen Informationen ist es möglich die Bilder auf eine definierte Fläche rückzuprojizieren und eine dreidimensionale Ge- ometrie als Grundlage der Auswertung zu bauen. Um dieses Konzept zu verwirk- lichen wurden IMUs (inertial measurement unit), welche sich aus mehreren Sensoren (3D-Magnetometer, 3D-Beschleunigungssensor, 3D-Gyroskop, Drucksensor) zusam- mensetzen, mit RTK GNSS Systemen kombiniert und über Teensy Mikrocontroller programmiert. Es wurden verschiedene Methoden getestet, um herauszufinden in welchen Kombinationen die Sensoren als Navigationsysteme dienen können. Weit- ers wurde ein Kalmanfilter entwickelt, welcher die Ausgabe der Höhenmessungen durch das RTK, mit der Höhenberechnung über die Druckmessung vergleicht und gewichtet.
Für statische Messungen konnten Positionsgenauigkeiten von σE = 0.0050 m, σN = 0.0046m und σU = 0.0110m erreicht werden, wobei diese stark reduziert wur- den, sobald die Kamera in Bewegung gesetzt wurde (σE = 0.15 m − 0.30 m, σN = 0.15 m − 0.30 m und σU = 0.40 m − 0.80 m). Vor allem die Höhenmessung durch das RTK hat sich bei Bewegung als kaum zu bewältigende Aufgabe herausgestellt. Die Magnetfeld- und Beschleunigungsmessungen konnten benutzt werden, um die Orientierung der Kamera zu bestimmen und in Folge die Bilder richtig gedreht rück- zuprojizieren. Das System funktioniert und kann für Insepktionen von PV-Anlagen verwendet werden, jedoch nur für kleine Distanzen (bis 5 m) zwischen Kamera und Modulen, da die Ungenauigkeiten sonst zu groß und die Rückprojektionen fehler- haft werden. Die verbleibenden signifikanten Schwierigkeiten setzen sich aus der Fehleranfälligkeit des Magnetfeldsensors auf elektromagnetische Streustrahlung, der Ungenauigkeit in der Höhenmessung und den auftretenden Phasensprüngen in der Auswertung der differentiellen Phasenmessung der GNSS Signale zusammen.
Abstract (eng)
The aim of this work was to develop a low cost tracking device for thermographic cameras, which could be used for PV plant inspections. As it is very difficult to keep track of similar looking modules, it would be beneficial to know where exactly the pictures were taken and how the camera was orientated in space, to make it possible to backproject the images to a certain plane and build a three-dimensional evalua- tion geometry. In order to achieve this concept, an inertial measurement unit (IMU) containing several sensors (3d-magnetic, 3d-acceleration, 3d-gyroscope, barometer) was combined with an evolved RTK GNSS system and programmed using Teensy microcontroller boards. Several methods were tested to use the different sensors as navigation tools, furthermore a Kalman filter was developed to compare and im- prove the barmometric with the RTK altitude measurements.
For a static measurement, position accuracies of σE = 0.0050 m, σN = 0.0046 m and σU = 0.0110 m could be reached, but as soon as the camera was moved, many dif- ficulties appeared and the best achievable accuracies were in the range of σE = 0.15m − 0.30m, σN = 0.15m − 0.30m and σU = 0.40m − 0.80m. Particularly difficult and not achievable was a stable and good GNSS altitude measurement. The magnetic and acceleration measurements were used to evaluate the camera’s orientation, and the pictures were turned and projected fairly correctly. The system works and can be used for PV plant inspections where the distance to the mod- ules is supposed not to exceed 5m. The most significant difficulties remaining are the vulnerability to failures of the magnetic sensor from electromagnetic stray ra- diation, GNSS altitude measurements and so-called cycle slips which corrupt the carrier phase measurement.
Keywords (eng)
GNSSphotovoltaicsRTKcarrier phaseIMUtrackingnavigationKalmanmicrocontrollersensor
Keywords (deu)
GNSSPhotovoltaikRTKTrägerphaseIMUNavigation, KalmanMikrocontrollerSensor
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1337510
Number of pages
109
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