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Dokument 1. - Dokumentenserverhosting der SUB

1. 23Beim Force Feedback wird ber Motoren mittels Kraftimpulsen auf das Griffelement eingewirkt KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 22 Bearbeitungsprozessen ver ndert werden Diese Ver nderungen k nnen sowohl durch einen einzelnen Nutzer angesto en sein als auch durch mehrere Nutzer innerhalb eines Collabo rative Workspace Es handelt sich dabei um eine Arbeitsumgebung in der die Nutzer an verschiedenen Projekten zusammenarbeiten Bei einem Collaborative Workspace steht das Teamwork stark im Vordergrund entsprechend m ssen die Eingabetechniken auch auf ggf Eingaben mehrerer Personen ausgelegt sein Bei einer genaueren Betrachtung der Anwendungsgebiete erkennt man schnell dass obwohl ihnen allen das gleiche Prinzip der Interaktion zwischen Nutzer und einer Umgebung zugrunde liegt die jeweiligen Anforderungen alles andere als uniform sind Als Beispiele seien die Bereiche der Konstruktion Medizin Grafik aber auch die Spielein dustrie genannt Die Konstruktion wurde hier als ein Oberbegriff f r alle Bereiche gew hlt in denen Kon struktionspl ne erstellt werden Dabei kann es sich um einen Architekten aber ebensogut um einen Ingieneur handeln der eine neue Turbine entwickelt als Beispiel siehe Bild 2 13 Gerade dieser Bereich beinhaltet den derzeit gr ten Bedarf an 3D Interaktion Im Vergleich zu den im Folgenden erw hnten Bereichen steht bei den Eingabeger ten in diesem Bereich der schnelle Nutzen im Vordergrund weniger d
2. 24kleine Kameras am Ende eines d nnen beweglichen Schlauches Armes 25 Computer Tomograph KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 23 T Sur ms nu Pad DR Do en noo CELL gas ba E sn He PDF 3D Ansicht elner Turbine mit Materlal Optionen Bilder Adobe Abbildung 2 13 Beispiel einer Konstruktionszeichnung einer Turbine KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 24 neue M glichkeiten f r neue Eingabeger te und anspruchsvollere Spiele Technologien wie das Eingabeger t der Wii Konsole bieten bereits einige 3D Interaktionsm glichkeiten Die n chste Generation der Konsolen und Computerspiele wird auf diesen Neuerungen aufbauen und wiederum Neues bieten Die 3D Technologien stehen bereits bei vielen Herstellern in den Startl chern Sony entwickelt so zum Beispiel eine neue g nstige Variante des 3D Handschuhes von dem eine Variante bereits in Kapitel 2 1 5 beschrieben wurde Aber auch der Kwisath aus Kapitel 2 1 1 ist direkt im Bereich der Spieleindustrie anzusiedeln Je st rker die Entwicklung neuer Spiele voranschreitet desto mehr w chst der Wunsch besser und nat rlicher mit dieser Spielewelt zu interagieren Die eben genannten Beispiele spiegeln die vielf ltigen Einsatzgebiete wider Mit ihnen gehen ebenso vielf ltige oftmals sehr unterschiedliche Anforderungen einher Die generelle Herangehensweise besteht darin zu anlysieren wie ein Mensch nat rlich mit dem jeweili gen Medium interagieren w rde Welche Gewohnheit
3. KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 11 Abbildung 2 2 Kwisath wird z B von dem Unternehmen ART unter dem Namen ARTtrack DTrack angeboten siehe ART 2007 Dieses System kann die Positionen und Orientierung von bis zu 20 Zielobjekten in einem vorher definierten Messvolumen bestimmem Ein Zielobjekt besteht aus einer starren Anordnung von 4 20 kugelf rmigen Markierungsk rpern Die Infrarotkameras sind mit einer absoluten Position und einem Sichtwinkel versehen Sie sind in der Lage die Markierungen der Zielobjekte innerhalb ihres Bildes zu erkennen Die Bilddaten der Kameras werden an den zentralen Rechner bermittelt welcher daraus die 3D bzw 6D Positionen der Marker berechnet und an den Nutzer weitergibt Die Ergebnisse werden in Echtzeit mit etwa 30 ms Verz gerung ausgegeben Das Hauptaugenmerk der Gruppe lag auf dem Design und der Funktionalit t der Einga beger te Das Projekt ist aufgeteilt in den NaviStick und den Kwisath In den bisherigen Appli kationen wurden diese Eingabeger te haupts chlich f r die Umsetzung von Flugbewegungen oder z B das Fahren eines Motorrades eingesetzt Bei dem Navistick handelt es sich um 2 Ger te die jeweils in einer Hand gehalten werden Nach der Bestimmung der Lagen der jeweiligen Ger te wird die Lage zueinander bestimmt und diese Information in eine Steuerinformation umgewandelt Bei dem zweiten Eingabeger t dieses Projekts dem Kwisath handelt es sich um einen Stab dessen Position und Lag
4. Das iSphere Projekt Jackie Lee 2005 des Medien Labors des MIT wurde mit dem Ansatz entwickelt Objekte innerhalb von 3D Modellierungs Systemen schnell und intuitiv zu bearbei ten Hierzu wurde ein Dodekaeder entwickelt bei dem jede einzelne Seite mit einem kapa zitiven Sensor versehen ist welcher innerhalb eines Winkels von 11 und einer Entfernung 16 Der Wii Stick nutzt Infrarot LED s und eine Infrarotkamera um seine Zeigerichtung zu bestimmen 17 United States Patent Application 20070075966 18 Massachusetts Institute of Technology 191 2 seitiger W rfel KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 19 von etwa 15 cm arbeitet Dieser Sensor kann registrieren ob sich eine Hand in der N he der jeweiligen Seite befindet Es wird ebenfalls registriert wenn sich die Hand weiter n hert oder entfernt Die so gewonnenen Informationen werden in Befehle wie z B dr cken ziehen oder drehen eines 3D Objektes umgewandelt Die Sensoren werden in Zyklen von einem Mikro Abbildung 2 10 Sphere des MIT controller ausgewertet und mittels einer RS232 Schnittstelle an einen Rechner bertragen Das Eingabeger t wurde derzeit f r die Nutzung mittels der Alias Wavefront MAYA 6 0 API konzeptioniert Innerhalb einer Studie in der die Praxistauglichkeit des Sphere mit der Tauglichkeit von Maus und Keyboard verglichen wurden ergab sich dass die gestellten Aufgaben einfache Objektmodellierungen mittels des ISphere schnell und intuitiv l sen l
5. UMSETZUNG 62 Median 200 7 750 a 700 he a 650 f e i T 600 EE nn ka D P Dr E SE e KEE NO 0 D e o a ee 0 E a E E VOE O CA 5 300 Lo P Leg We ee H S Do 450 400 350 Zeit Abbildung 5 9 Der Median ber 5 Messergebnisse bei einer leichten Positions nderung und den damit verbundenen Schwankungen in den Messwerten diese Weise verbraucht der mit einem Messfehler behaftete Wert nicht unn tig Rechenleistung Der Mittelwert Filter wird im Positionsberechnungs Prozess eingesetzt Der Mittelwert wird hierbei ber die Werte der X Y und Z Achsen der globalen Datenstruktur Empfangene Da ten gebildet in die nach dem Stack Prinzip FIFO neue Werte geschrieben werden Dieser Filter bietet sich daher vor allem bei einer sehr hohen Datenrate und dem verbundenem hohen Zulauf von neuen Messergebnissen an Der Median Filter kommt genau wie der Mittelwert Filter im Positionsberechnungs Prozess zum tragen Er liest aus der Datenstruktur Empfangene Daten die Werte der einzelnen Ach sen aus und sortiert diese nach ihrer Wertigkeit Anschlie end wird nur das Medianelement f r die Positionsberechnung herangezogen In den meisten Versuchen wurde jedoch nur entweder der Mittelwert Filter oder der Me dian Filter eingesetzt da eine Eingangsrate die die Kombination der beiden Filter interessant machen w rde derzeit noch nicht gegeben ist 50 First In First Out Kapitel 6 Ergebnisse der Prototypene
6. der Software innerhalb der IMAPS Module und der Software des Rechners in der die erhaltenen Informationen in ein Anzeigesi gnal umgewandelt werden Die Software der IMAPS Module sei an dieser Stelle nur kurz in ihrer Funktion erl utert da sie als eine bereits bestehende Grundlage ins Projekt eingebunden wurde Routinen ber pr fen ob ihnen ein Senden gemeldet wurde Ist das nicht der Fall so senden sie selber eine Nachricht an alle IMAPS Module um diese am Senden zu hindern Das Senden besteht daraus dass ein Funksignal und ein Ultraschallsignal zeitnah ausgesandt werden Wie bereits in voherigen Kapiteln beschrieben wird die beim Empf nger gemessene Zeitdifferenz sp ter f r die Ortung genutzt Nachdem dieser Vorgang abgeschlossen ist wird das Senden f r die restlichen Module wieder erm glicht F r eine genaue Beschreibung der IMAPS seitigen Software Architektur wird auf 2006 verwiesen KAPITEL 5 UMSETZUNG 51 Das Empfangsmodul liefert die erhaltenen Daten ber eine ElA232 Schnittstelle an einen Rechner weiter Im Folgenden sollen die Architektur und die Prozesse innerhalb der Software welche die Schnittstellendaten verarbeiteten erl utert werden Das Programm auf der Rechnerseite besteht aus 3 Prozessen Sensoreingangs Prozess Dieser Prozess erstellt ein Objekt DataControl welches die Kommunikation mit dem IMAPS Empfangsmodul steuert Das Objekt bedient sich hier bei der Methoden eines CSerial
7. ein Pro gramm das jeweils vor der Nutzung gestartet werden muss Die erste Idee einer einfachen Plug and Play Software mit im Hintergrund laufenden Treibern konnte aus zeitlichen Gr nden bisher noch nicht im Rahmen des Projekts umgesetzt werden F r die Umsetzung der Funktionalit ten in einem Plug and Play Treiber m ssen einige Proble me angegangen werden Als ein Beispiel hierf r w re die ver nderliche COM Port Nummer innerhalb des Windows Betriebssystems zu nennen Derzeit ist es nicht ungew hnlich dass Windows dem simulierten COM Port welcher die Ansteuerung der einer seriellen Schnittstelle anhand eines USB auf Seriell Adapter erm glicht nach einem Neustart eine neue Nummer zuweist 5 4 7 Anpassung an andere Betriebssysteme In der bisherigen Version des Programms ist nur eine Nutzung unter dem Betriebssystem Windows implementiert Um das System an ein anderes Betriebssystem z B Linux oder MAC OS anzupassen m ssen nur innerhalb des Hauptprogrammes auf der Rechnerseite Ver nderungen vorgenommen werden Auf Grund der modularen Bauweise der Software sind diese nderungen nur an zwei Stellen des Programmes notwendig siehe Bild 5 7 Es handelt sich hierbei um die Klassen DataControl und USMouse Die DataControl Klasse ist f r die Kommunikation mit der seriellen Schnittstelle zu st ndig In diesem speziellen Fall ist die serielle Schnittstelle nicht real vorhanden sondern wird softwarem ig unter Nutzung ein
8. lt ss s aw ca wu nn 4 271 RED our E a in E 4 2 2 Ultraschall Funkl 2 2222 2 oo oo 4 2 3 6PD GPS vio 42 25 2 2 2 2 2 u a a ne 4 2 4 Kriterien f r die Hardwareauswahll 2 2 2222 2 2 2 nn nn INHALTSVERZEICHNIS 5 4 25 Die IMAPS Modulel 2222222 ran nn 39 4 3 Software Konzeption 2 2 222 nn nn nn 42 46 5 1 Projektbezogene Anwendung 46 5 2 IMAPS Module Platinenaufbaul 22222222 nn nn nn 47 5 3 Ergonomie des Systems 22 2 22m nn m nn nn 48 A ee de EE ee ed 50 5 4 1 Software Archtektu 50 De Br ee EE E See Ss 53 5 4 3 BibliOtheken o nn 55 5 4 4 Fehleranf llige Bereiche und deren Absicherung 55 5 4 5 Das Windows AP 56 5 4 6 Vorf hrungsanwendung 2222222 nn nn 58 5 4 7 Anpassung an andere Betriebssystemel 2 2 22 20 58 5 4 8 Messungenauigkeiten und Filter 2 222222 2 nn nn nn 60 6 Ergebnisse der Prototypenentwicklung 63 6 1 Genauigkeitl 63 6 2 Reaktionszeit des Systems 65 6 3 Winkelabh ngigkeitl 65 6 4 Nicht verwendete Bibliotheken 22 22 2 nn nn nn 67 6 41 MIDD 67 SE A a A a A dee ee en 67 6 4 3 Bucher Algoritnmusl 222222 2 e e 68 ee a ee gr 68 6 5 1 Auswirkungen dieser Probleme und deren Einstufungl 69 6 6 Ergebnisbewertung 69 7 Zusammenfassung 71 7 1 Ausblick auf m gliche weiterf hrende Projekte 72 doe Platinendssignl u au a a a na de aa 74 A a a a ia a e
9. stark beeintr chtigt 6 3 Winkelabh ngigkeit Das Eingabeger t weist einen weiteren vorher absehbaren Nachteil auf die Winkelabh ngig keit Wie in Bild 4 4 auf Seite 41 zu sehen ist und im Zuge der IMAPS Module 4 2 5 bereits angesprochen wurde strahlen die Ultraschallmodule ihr Schallsignal nur in einem gewissen Winkel aus Das Empfangsmodul muss mit seinem Ultraschallempf nger innerhalb dieses Winkels den Sendern zugewandt angebracht sein Um diese Stellung ber einen m glichst gro en Zeitraum inne zu haben erwies sich eine Befestigung auf dem Handr cken als optimal siehe Kapitel 5 3 Der Winkel zwischen dem Sende und dem Empfangsmodul kann jedoch nicht nur Einfluss darauf haben ob ein Signal empfangen wird oder nicht sondern es kann auch die gemesse ne Entfernung beeinflussen Dies ist in Bild 6 4 zu erkennen Die Daten wurden wie in Bild 6 3 veranschaulicht bei einer festen Position und einer sich ver ndernden Orientierung des Empfangsmoduls aufgenommen Das Empfangsmodul wurde im Laufe der Messungen in be stimmten Winkeln zum Sendemodul ausgerichtet Es ergab sich dass bei einer Abweichung von 15 vom optimalen Sendekegel der Module ein 60 Kegel die gemessenen Werte um bis zu 25 Prozent abweichen k nnen In den Versuchen ergab sich jedoch auch dass der nutzbare Winkel von etwa 60 in dem das Empfangsmodul von allen Sendern ausreichend viele Signale f r eine zuverl ssige Positionsbestimmung erh l
10. wie schnell neue Eingabeger te von den Benutzern akzeptiert werden k nnen wenn sie die Vorteile durch die Nutzung solcher Produkte erkennen 2 1 3 Hybrid Input Device Das Hybrid Input Device des Instituts f r Computer Graphic and Vision an der Technischen Universit t Graz verwendet eine Technik basierend auf IR Kameras zur Steuerung wie sie bereits im Projekt SpaceActor Kapitel erl utert wurde In diesem Projekt wird diese Technik in Verbindung mit anderen Techniken zu einem neuen System zusammengef hrt das vielseitige Eigenschaften aufweist Das Projekt f r dieses Eingabeger t tr gt den Namen Eye of Ra Das Gesamtsystem wurde entwickelt um bei medizinischen Anwendungen mit dargestell ten Daten besser interagieren zu k nnen Darunter f llt zum Beispiel das Bild das von einem CT aufgenommen wurde Um den Medizinern eine Hilfestellung zu geben werden die ein zelnen Bilder des CT zu einem 3D Bild der gescannten K rperzone zusammengesetzt Zur 11 Computer Tomograph KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 14 Abbildung 2 5 Arbeitsumgebung des Hybrid Input Device Eye of Ra Zu sehen ist eine Ka mera des optischen Tracking Systems 1 ein Tablet PC und das Eye of Ra Eingabeger t 2 sowie das stereoskopische Grossbild Projektions System 3 optimalen Vorbereitung auf eine Operation sollte es nat rlich m glich sein dieses 3D Bild von allen Seiten zu betrachten Dies bedarf einer Interaktion was uns di
11. 1 und 3 und bei einer Spannung von 4 7V ber eine Taktung von 16Mhz Die vorhandene Erfahrung im Umgang mit diesem Prozessor erwies sich bereits im Vorfeld des Projektes als vorteilhaft Der Ultraschallteil der Sender Platine besteht im wesentlichen aus zwei Bausteinen die zusammen mit mehreren Operationsverst rkern verschaltet sind Bei den Bausteinen han delt es sich um den MAX5405 und den MA40B8S muRata 2001 Bei dem MAX5405 Baustein handelt es sich um einen digitalen Potenziometer auf den Sendemodulen der in unserem Fall als eine Ladungspumpe f r den Ultraschallsender MA40B8S genutzt wird siehe Bild A 2 im Anhang Er versorgt im Speziellen auch die Ultraschallsender auf der Sen deplatine mit der ben tigten Spannung Auf der Empfangsplatine besteht dieser Bereich aus KAPITEL 5 UMSETZUNG 48 dem MA40B8R Ultraschallsensor der die gesendeten Impulse wahrnimmt siehe Bild A 3 im Anhang Das ZibBee Modul EZBEE wird f r die Kommunikation zwischen den einzelnen Modu len genutzt Es verf gt ber eine sehr einfache Ansteuerung und bertr gt Daten mittels des 802 15 4 Protokolls auf das in Kapitel 5 4 2 noch n her eingegangen wird 5 3 Ergonomie des Systems Ein wichtiger Punkt des Systems ist dass der Benutzer es optimal einsetzen kann Dies soll auf eine f r ihn nat rliche Art und Weise geschehen Hierzu ist es wichtig herauszufinden wie gew hrleistet werden kann dass die Benutzung intuitiv geschieht also der Benutz
12. ERW Sema priten NewEvert Flag ti setzen RW Sema tue H NewEvert Flag pr fen ja H Ertfernungsdaten lesen NewvEvert Flag entfemen RW Sena is Positionsdaten errechnen POS Sema true H Positionsdaten lesen aniL POS Sema false Setzen des E Mauszeigers POS Sema true Positionsdaten lesen an l POS Sema tse Setzen des Mauszeigers POS Sema true H Positionsdaten setzen em 05 Sema false POS Sema true H Positionsdaten lesen an L POS Sema false 1 Setzen des return Mauszeigers return Abbildung 5 3 Sequenzdiagramm der Abl ufe zwischen den Prozessen KAPITEL 5 UMSETZUNG 53 5 4 2 bertragungs Protokolle Das Projekt verf gt ber 2 wesentliche Arten von bertragungsprotokollen Den IEEE 802 15 4 Standard IEEE 2003 und die Protokolle der IMAPS Module Das 802 15 4 Protokoll dient f r die Kommunikation zwischen Funkmodulen LR WPAN Modulen Auf dieses Projekt be zogen wird es die Kommunikation zwischen den ZigBee Modulen untereinander regeln Die IMAPS Protokolle die als eine Schicht auf den anderen Protokollen aufgesetzt sind regeln so wohl den Datentransfer zwischen den Sendern und dem Empf nger als auch zwischen dem Empf nger und dem Rechner Das IEEE 802 15 4 Protokoll hat sich in der Vergangenheit als sehr zuverl ssig und leistungs stark erwiesen Neben diesen Eigenschaften bietet es vor alle
13. Elementen ist der Median bei einer ungeraden Zahl das Element mit der Nummer GI Bei einer geraden Anzahl von Elementen handelt es sich um den Mittelwert der beiden Werte mit den Nummern 5 und 5 1 Werte die im Vergleich zu den anderen Werten sehr hoch oder sehr niedrig sind werden somit f r weitere Berechnungen nicht ber cksichtigt Die Folge ist eine konstantere Bewegung Mittelwert 800 o 750 700 Lan 3 ZC B d SCH 650 Sch H S N gt Soa o 600 i i 5 5 A MN o 4 550 Che d D PE Ke E 2 8 Del a o gt 00 1 A A 0 A 5 pai vin Fa o Bag 450 400 350 Zeit Abbildung 5 8 Der Mittelwert ber 5 Messergebnisse bei einer leichten Positions nderung und den damit verbundenen Schwankungen in den Messwerten Der Range Filter wird bereits im Prozess Sensoreingang angewendet W hrend der Auswertung des empfangenen Datenstroms und dem damit verbundenen Zusammenstellen der Nachricht bietet sich bereits die M glichkeit die erhaltene Entfernung mit dem zu er wartenden Wert zu vergleichen Entsprechend der Definition des Filters werden Werte die nicht in den zu erwartenden Ergebnisraum fallen direkt nach dem Auswerten verworfen Auf 48Beispiel hierf r Die Summe der Zahlenreihe 1 1 2 3 4 37 betr gt 48 bei 6 Elementen Das arithmetische Mittel liegt folglich bei 8 49Ein Beispiel hierf r ist die wieder die Zahlenreihe 1 1 2 3 4 37 Der Median liegt bei SC 2 5 KAPITEL 5
14. Programmiersprache f r die Software wurde wurde C ausgew hlt obwohl bisherige IMAPS Anwendungen auf Java basierten Die Sprache C bietet sehr gute M glichkeiten f r echtzeitf hige Systeme und ist wie Java ebenfalls objektorientiert strukturiert Hinzu kommt die Tatsache dass die Bibliotheken der Windows API siehe Kapitel 5 4 5 in C geschrieben und daher C kompatibel sind Somit k nnen sie ohne gro en Aufwand in das Projekt eingebun den werden C Programme arbeiten aufgrund ihrer geringeren Anforderungen an Rechnerressourcen auf Plattformen mit begrenzter Rechenleistung schneller als die derzeitigen Java Programme Daher wird C oftmals bei hardwarenahen industriellen Projekten bevorzugt Die entschei denden Punkte f r die Wahl waren Echtzeitf higkeit Die Gew hrleistung dass bestimmte Rechenprozesse innerhalb eines festgesetzten zeitlichen Rahmens bearbeitet werden k nnen Verf gbarkeit der notwendigen Bibliotheken Es sind Bibliotheken f r komplexe Rechen aktionen das Einbinden der Hardware aber auch Bibliotheken f r die Ansteuerung des Windows Betriebssystems vorhanden Objektorientierter Ansatz Gew hrleistet dass ein sp teres System mit geringen Aufwand anhand der bestehenden Strukturen erweitert werden kann Im Folgenden wird auf die Architektur der Software und auf spezielle Teilbereiche im Ein zelnen eingegangen 5 4 1 Software Architektur Die Softwarestruktur besteht aus zwei wesentlichen Teilen
15. Serieller COM Port Prozess 2 Positionsberechnung Auswertung der erhaltenen Daten Prozess 3 Anzeige Darstellung E rechnen der Position Empfangene Daten Positionsdaten Windows Oberflaeche Abbildung 4 6 Erste Struktur der Software Kapitel 5 Umsetzung Dieses Kapitel besch ftigt sich mit der Umsetzung der deen und Anforderungen in einem prototypischen Eingabeger t F r das Verst ndnis des Systems wird der Aufbau des IMAPS Empfangsmoduls n her erl utert Dies erf llt auch den Zweck die sp ter im Kapitel 7 2Jerl u terten Verbesserungsvorschl ge f r ein alternatives Platinendesign verst ndlich zu machen Die einzelnen IMAPS Sender werden nicht n her erl utert da auf diese bereits ausf hr lich in der Quelle Gregor 2006 eingegangen wurde F r die Anwendung innerhalb dieses Projekts sind sie in der jetzigen Struktur und Funktionsweise gut geeignet 5 1 Projektbezogene Anwendung Das Projekt des Fraunhofer Instituts und auch das der HAW Hamburg sehen derzeit f r die Rettungskr fte ein zweidimensionales Display vor Damit ist gemeint dass dieses Display f r 2 dimensionale Anwendungen genutzt wird Somit w re ein Eingabeger t f r den 2D Raum im Sinne des Projekts v llig ausreichend Allerdings stellte es keinen gro en Mehraufwand dar dieses System im 3D Raum zu implementieren F r eine Nutzung in 3D Umgebungen stellt das Programm Positionsdaten mit einem X Y und einem Z
16. andere Weise hinzugef gt wer den Die Gestenerkennung siehe Kapitel 2 4 mag hier als ein Beispiel f r eine Entwicklung angef hrt werden welche dieses erm glicht Kapitel 7 Zusammenfassung Das Ziel dieses Projekts war es ein Eingabeger t f r den dreidimensionalen Raum zu ent wickeln das sowohl f r mobile als auch f r station re Anwendungen geeignet ist F r die Realisierung wurden mitgef hrte IMAPS Module genutzt welche die Entfernung zwischen ei nem Sende und einem Empfangsmodul anhand des Laufzeitunterschiedes eines Ultraschall und eines Funksignales zu ermitteln F r das System sind 3 Sendemodule mit bekannten Positionen und ein Empfangsmodul notwendig Es wurde erfolgreich ein Eingabeger t um gesetzt welches mit dieser Hardware innerhalb eines tragbaren Rechners die Position des Empfangsmoduls errechnet und mit ihr ein Steuersignal erzeugt Gerade in der Anfangsphase des Projekts wurde immer deutlicher wie gro der Bedarf an solchen Ger ten ist Es wurde ebenfalls deutlich wie vielf ltig diese Eingabeger te einge setzt werden k nnen Die Vielzahl der Entwicklungen dieses Bereiches beschr nken sich auf station re Anwendungen Daher wurde der Fokus innerhalb der Arbeit vermehrt auf die mobile Anwendung gesetzt unter der Pr misse dass ein mobiles System letztendlich immer auch in einer station ren definierten Umgebung genutzt werden kann Das Eingabeger t sollte in der Lage sein Hand bewegungen in Steu
17. aus einem Sender oder einem Empf nger die ein Signal aussehen sobald sie einem Impuls vom Mikrokontroller erhalten 54vorher bekannt als RS232 EIA Elektronic Industries Alliance KAPITEL 7 ZUSAMMENFASSUNG 76 7 2 1 Schaltplan Die Teilbereiche wurden anschlie end zu einem Platinenschaltplan zusammengef hrt F r die USB Kommunikation wird ein FT232RL Chip verwendet Der komplet te Ablauf der Kommunikation mittels des USB Protokolls zum Rechner wird von ihm bernom men Er ist damit also das Bindeglied zwischen dem Rechner und dem Mikrokontroller Der FT232RL Chip erh lt den Rx und Tx Datenstrom des Mikrokontrollers und leitet ihn entspre chend weiter SE aboia das 271 KIT no we 1D na ms ER Zu mem DIH arm our w a ar orr EE DERE ALSOCAMIS paa y K S Ei 07 08 100u 1004 1004 1004 4 d 4 Abbildung 7 3 Schaltplan der Platine Der in Bild 7 3 gezeigte Schaltplan stellt die Hauptplatine da Die ausf hrlichen Schaltpl ne sind im Anhang dieser Arbeit zu finden 7 3 Fazit Durch die erfolgreiche Implementierung des Prototypen ergab sich
18. blieben die Testergebnisse in einem Rahmen der f r eine flie ende Steuerung des Systems nicht akzeptabel war Diese Einsch tzung entstand auf Grund der Tatsache dass die Multilaterationsfunktion anhand der durch den Empf nger gelieferten Werte keine genaue Positionsbestimmung erm glichte In den meisten F llen brach die Funktion mit einem vorl ufigen Ergebnis ab Dieses vorl ufige Ergebnis zeigte in den meisten F llen gute Tendenzen auf f r eine Steuerung war es jedoch nicht brauchbar 51 Matrix Template Library 52 Non Linear Modelling and Positioning KAPITEL 6 ERGEBNISSE DER PROTOTYPENENTWICKLUNG 68 6 4 3 Bucher Algorithmus Der Bucher Algorithmus siehe BUCHER 2001 stellt keine vollst ndige Bibliothek zur Verf gung und musste daher eigenst ndig implementiert werden Nach der Implementierung stellte sich anhand der Testergebnisse sehr schnell heraus dass er f r die Rahmenbedingungen des Projekts nicht geeignet war Es wurde deutlich dass der Bucher Algorithmus sehr gut bei gro en Werten funktioniert die zueinander nur einen kleinen prozentualen Unterschied aufweisen Doch bei unserer Anwendung erhalten wir im Vergleich zu denen einer Positions bestimmung durch Sateliten dem Einsatzgebiet des Bucher Algorithmus sehr kleine Werte die aber zueinander einen hohen prozentualen Unterschied aufweisen Dies f hrte bei den ersten Tests zu hohen Schwankungen innerhalb des Ergebnisses 6 5 M gliche Probleme unter e
19. diesem Zweck soll eine Handbewegung in ein Mauszeigersignal umgesetzt werden Gleichzeitig entsteht auf die se Art und Weise auch die Grundlage f r eine m gliche Gestenerkennung Diese Steuerung wird durch eine Positionsortung der Hand erm glicht basierend auf der Ortung eines Modules auf dem Handr cken und 3 Modulen am Torso des Nutzers Die Arbeit wird die M glichkeiten der Interaktion zwischen einem Nutzer und Wearable Com Nahtlose Interaktion KAPITEL 1 EINLEITUNG 7 puting am Beispiel von spezialisierten Fachleuten er rtern Die Wahl fiel auf Rettungskr fte und Ingieneure 1 1 Motivation F r den Ablauf des Projekts wurden zwei m gliche Einsatzszenarien ausgew hlt die den Rah men des Projekts vorgeben Die Rettungskr fte einer Industrieanlage r cken aus da ein Notfall gemeldet wurde Es ist ein Feuer in einem sicherheitskritischen Bereich ausgebrochen Um ih re Sicherheit zu erh hen wurden die Rettungskr fte mit zus tzlicher Technik ausgestattet Sie verf gen ber ein Positionsortungssystem welches ihnen und einem Leitstand jeweils ihre ak tuelle Position innerhalb des Geb udes mitteilt Neben den Positionsdaten werden an den Leit stand noch zus tzliche Informationen ber den gesundheitlichen Zustand der Rettungskraft sowie ber ihre direkte Umgebung bermittelt Innerhalb des Szenarios muss ein Kurzschluss innerhalb einer Schalttafel unterbrochen werden Zu diesem Zweck erhalten die zust ndigen Ei
20. errechnen welcher f r GPS Empf nger in der geographisch nahen Umgebung zu deutlich genaueren Positionswerten f hren kann Bei der so genannten Pseudorange Korrektur ermittelt eine Basisstation die Fehler der Strecken zu den Satelliten und bermittelt diese an die GPS Module Hierdurch ist eine Kor rektur m glich welche die Positiongenauigkeit bereits auf weniger als einen Meter erh ht Durch zus tzliche Messungen der Tr gerphase der GPS Signale siehe 1995 erreichen die CPD GPS eine Genauigkeit von teilweise deutlich unter einem Zentime ter 4 2 4 Kriterien f r die Hardwareauswahl Die Hardwareauswahl f r das Projekt gestaltete sich einfach weil die Vor und Nachteile der jeweiligen Technologien schnell auf der Hand lagen und sich diese in den wichtigen Details stark voneinander unterschieden Die CPD GPS Technologie besitzt einige sehr interessante Anwendungsgebiete aber f r unser Eingabeger t kommt sie nicht in Frage da sie durch mehrere Kriterien ausscheidet Mit einem Preis von 3 5 tausend Euro pro Modul liegt sie weit au erhalb des angestrebten Rahmens Obwohl man von diesem Modul nur die Antenne auf dem Handr cken befestigen m sste ist das Gesamtsystem in seinen Ausma en dennoch nicht akzeptabel Die GPS Technologie und damit auch die CPD GPS Technologie ist allerdings auf Satellitensignale 35 Au eneinsatz unter freiem Himmel 36 Carrier Phase Differencial Global Positioning System KAPITEL 4 KONZEPT
21. erw hnt wurde Dies ist vor allem unter Ber cksichtung des Einsatzgebietes aus Kapitel 4 1 von Wichtigkeit Abbildung 4 4 Ausbreitung des Ultraschallkegels Von den Ultraschall Sendern der Module breitet sich der Schall kegelf rmig aus wie im Bild 4 4 zu sehen ist Als Folge davon m ssen der Ultraschallsender und der Ultraschallemp f nger einander zugewandt sein Es ergibt sich durch diesen Kegel ein Winkel der vom Sender ausgeht in dem man verwertbare Informationen erh lt Im Folgenden wird dieser Winkel als 40 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance KAPITEL 4 KONZEPTION 42 Arbeitswinkel bezeichnet werden Auf ihre genaue Funktionsweise wurde bereits in den vorangegangenen Arbeiten Weara ble Computing in Desaster Szenarien siehe 20071 und insbesondere in Entwicklung einer Hardwareplattform f r die Ermittlung von Positionsdaten innerhalb von Geb uden siehe 2006 eingegangen 4 3 Software Konzeption Software wird in mehreren Bereichen des Projekts t tig Sie lassen sich wie folgt aufteilen Innerhalb der IMAPS Module Kommunikation zwischen den Modulen Erkennen des Laufzeitunterschieds der unterschiedlichen Signale Kommunikation mit dem Rechner Innerhalb des Rechners Kommunikation mit dem Empfangsmodul Auswertung der Signale und Positionserrechnung Ansteuerung der Anzeige Da die Software der IMAPS Module bereits im Vorfeld vorhanden war wurde sie direkt und u
22. kann Da die Mobilit t eine der wichtigsten Anforderungen dieses Projekts ist muss sich dieses System am K rper des Nutzers befinden Anders k nnte nicht gew hrleistet werden dass eine Nutzung in einer unbekannten Gegend m glich ist Daher scheiden die bisherigen station ren 3D Eingabeger te und deren Techniken f r eine solche Anwendung aus F r die Umsetzung eines mobilen Systemes eignen sich Positionierungsmodule die in der Lage sind die Entfernungen die zwischen ihnen liegen zu bestimmen Die verschiedenen Verfahren f r eine Entfernungsermittlung wurden bereits in Kapitel 3 1 erl utert Um f r dieses Projekt nutzbare Daten zu erhalten ben tigen diese Module Genauigkeiten die im Zentime terbereich liegen Zu diesem Zweck werden 3 Module die Fixpunkte f r die Ortung darstellen auf der Klei dung am Torso des Nutzes angebracht Die relativen Positionen der Fixpunkte sind dem Ge samtsystem bekannt Damit ist das System in der Lage den vierten Punkt auf dem Handr cken im dreidimensionalen Raum zu bestimmen Das Handmodul wird mit einem kleinen tragbaren Rechner verbunden sein Durch das Handmodul werden Entfernungsdaten des Modules zu den Fixpunkten an den Rechner bermittelt wo diese f r eine Positionsberechnung genutzt werden Anschlie end wird diese Positionsinformation in ein Steuersignal in Form eines Maus zeigers umgewandelt Als Anzeigemedium ist ein HUD angedacht im Speziellen ein Virtual Retinal Display Im
23. rde entstehen wenn dieses Eingabeger t in Ver bindung mit anderen Technologien wie dem Sony Datenhandschuh gebracht wird Durch eine ausgereifte Gestenerkennung auf Softwareseite k nnte eine solche Kombination dazu genutzt werden sprachbehinderten Menschen zu helfen Es w re m glich die von ihnen genutzte Zeichensprache anhand der erkannten Gesten in eine rudiment re Sprache umzuwandeln So w re eine Kommunikation mit Menschen m glich die nicht ebenfalls die Zeichensprache beherrschen Kapitel 3 Grundlagen benutzter Techniken 3 1 Positionsbestimmung F r das Erkennen von Positionsver nderungen im dreidimensionalen Raum ben tigen wir In formationen ber Fixpunkte innerhalb des Raumes anhand derer die aktuelle Position relativ zu den Fixpunkten ermittelt wird Diese Fixpunkte k nnen entweder die alte Position sein oder station re Punkte deren Positionen bekannt sind Im Falle einer bekannten Ausgangsposition werden Informationen ber die zur ckgeleg te Strecke und ihre Richtung ben tigt anhand derer die neue Position berechnet wird Da diese Informationen jedoch nicht direkt zur Verf gung stehen m ssen sie z B ber eine Be schleunigung in eine bestimmte Richtung errechnet werden Diese Berechnung ist jedoch mit Ungenaugkeiten behaftet Das Problem dieses Verfahrens liegt derzeit in der Koppelung welche auch als Dead Reckoning bezeichnet wird Durch jede Positionsver nderung w chst der m gliche Fe
24. tze wurde die LTI Lib genutzt Die LTI lib ist eine objektorientierte C Bibliothek die urspr nglich f r die Bildbearbeitung vom Lehrstuhl f r Technische Informa tik der Universit t Aachen entwickelt wurde Sie stellt eine Vielzahl mathematischer Methoden zur Verf gung Sie wurde dort f r die Bereiche der Robotik Objekterkennung Erkennung im Bereich der Zeichensprache und Gestenerkennung eingesetzt F r dieses Projekt sind vor al lem die zur Verf gung gestellen Klassen der linearen Algebra von Belang Durch die in der Klasse verf gbaren Methoden ist die Matrizen und Vektorrechnung leicht zu implementieren F r n here Informationen und eine Dokumentation der Bibliothek sei an dieser Stelle auf die Quelle Aachen 2005 verwiesen 5 4 4 Fehleranf llige Bereiche und deren Absicherung Innerhalb des Systems gibt es fehleranf llige Bereiche in denen Probleme auftauchen k n nen die das System in einen fehlerhaften oder sogar nicht definierten Zustand berf hren Insbesondere in Bezug auf das Anwendungsszenario muss das System und damit auch die Software so umgesetzt werden dass es m glichst nicht zu Ausf llen kommt In einer Gefah rensituation ist es der Rettungskraft nicht zuzumuten im schlimmsten Fall einen Systemneu start durchzuf hren Die kritischen Bereiche durch die Fehler auftreten k nnen sind sowohl auf der Seite der Rechnereinheit und deren Software zu finden als auch auf Seite der IMAPS Module IMAPS Se
25. um den Mittelpunkt des Arbeitsraumes siehe Bild 2 14 auf Seite 26 in einem Dreieck anzuordnen wobei die Spitze des Dreiecks unterhalb dieses Mittelpunktes liegt Das Empfangsmodul welches zu orten ist wird auf dem Handr cken befestigt Die genaue Position wird nicht die Mitte des Handr ckes sein sondern sich in Richtung des Daumens orientieren Durch diese Positionierung der Module soll gew hrleistet sein dass mit minimalem Auf wand f r den Nutzer immer eine Positionsbestimmung des Empfangsmoduls m glich ist Obwohl der Arbeitsbereich der Aktionsbereich des Nutzers in dem das System voll funk tionsf hig ist bisher als eine Halbkugel mit 50 cm Radius beschrieben wurde die sich vor dem Nutzer erstreckt ist in diesem Bereich mit einer weiteren Einschr nkung zu rechnen Diese KAPITEL 5 UMSETZUNG 49 ergibt sich aus den IMAPS Modulen und ihrem Sendekegel von 60 Der Arbeitsraum betr gt somit nur ein Teil der Halbkugel ein etwa 60 gro er Kugelausschnitt ausgehend von den am Torso befestigten Sendemodulen IMAPS Sender Abbildung 5 2 Arbeitsraum Der Nutzer des Eingabeger tes muss daher darauf achten dass das Empfangsmodul in nerhalb des nutzbaren 60 Winkel zu den Sendemodulen orientiert ist W re diese Rahmenbe dingung nicht erf llt w rden keine Signale der Module empfangen werden und es w re damit keine Position des Empfangsmodules errechenbar KAPITEL 5 UMSETZUNG 50 5 4 Software Als
26. und durch die Tatsache dass f r eine Positionsberechnung jeweils die Entfernungen zu allen 3 Sendemodulen vorliegen m ssen die Nutzung der Ultraschallmodule als Eingabeger t mit einem geringf gigen Ruckeln und Nachziehen der Zeigerposition verbunden ist Daraus resultiert eine Positionsungenauigkeit auf Grund der zeitlichen Bewegung Es dauert einen Moment bis die Anzeige mit der aktuellen Handposition wieder bereinstimmt Hierzu ist es noch notwendig dass die Hand und damit das Empfangsger t f r diese Zeit in ihrer Position verharrt 7 1 Ausblick auf m gliche weiterf hrende Projekte Nach der Entwicklung des Prototypen kann in einem weiterf hrenden Projekt das u ere De sign berarbeitet werden oder z B die M glichkeit einer alternativen Kommunikationsschnitt stelle zwischen den Modulen und der Rechnereinheit gepr ft werden F r viele Anwendungen KAPITEL 7 ZUSAMMENFASSUNG 73 Abbildung 7 1 M gliche Anwendung innerhalb eines Collaborative Workspace ist eine schnelle Reaktionszeit unabdingbar Daher sollte an dieser Stelle begonnen werden das System f r die Zukunft vorzubereiten Wenn das Empfangsmodul in der Lage w re Ent fernungsnachrichten in schnellerer Taktrate an den Rechner zu bermitteln w re es m glich das Ruckeln auch in Verbindung mit jetzt anwendbaren Softwarefiltern aus der Eingabe zu entfernen Gerade wenn die Reaktionszeit des Systems verbessert wird wird es auf Grund des gerin gen
27. und ihrem Gebrauch vertraut gemacht wird Der interessanteste Aspekt dieser Technologie liegt darin dass sie leicht mit anderen Technologien zu kombinieren ist und dadurch noch komplexere Interaktionen mit einer Arbeit sumgebung m glich sind Als ein Beispiel hierf r w re die Kombination mit einem Datenhand schuh wie in Kapitel 2 1 5 beschrieben zu nennen Die Technologie ein 3D Eingabeger t mittels Ultraschall Funkmodulen zu realisieren bietet gerade auf Grund ihrer geringen Kosten eine Anwendungsvielfalt die es rechtfertigt die Konzepte dieses Projekts zu erweitern und fortzuf hren Es ist leicht vorstellbar dass auch die Kunst zuk nftig von 3D Technologien st rker beein flusst wird Ein K nstler k nnte ein solches 3D Eingabeger t nutzen um eine Skulptur oder ein 3D Bild zu formen Dies muss nicht innerhalb eines Bildprogrammes erfolgen sondern ein solcher Schaffensprozess k nnte in Echtzeit ablaufen Eine CNC Maschine ein 3D Plotter oder ein Holografieprojektor w ren in der Lage die Anweisungen des K nstlers direkt umzu setzen Dabei muss sich dieser nicht mit der Technik die hinter einem solchen Werkzeug steht auseinandersetzen Obwohl dies nur ein weiteres Beispiel ist zeigt es gut in wie vielen verschiedenen Berei chen solche Technologien angewendet werden k nnen Bei Entwicklungen f r eine 3D Umgebung kommt die Frage auf was f r zus tzliche M g lichkeiten diese Entwicklungen f r die Intera
28. werden die so ausgelegt ist dass das Eingabeger t bei h heren Temperaturen zum Einsatz kommt Die Folge ist dass ein Nutzer seine Bewegungen der sich ndernden Empfindlichkeit des Systems anzupassen hat Ret tungskr fte werden in ihren Schutzanz gen hohen Temperaturen ausgesetzt Dies gilt somit auch f r die Bauteile von denen zumindest die Ultraschallsender und Empf nger au erhalb des Schutzanzuges liegen m ssen Daher stellt die Hitze f r die Bauteile und ihre Arbeitsbe reiche eine sehr hohe Belastung dar Im Vergleich zu der Hitze mag der Rauch ein geringer Faktor sein denn zeitnahe Re flexionen des Ultraschallimpulses werden voraussichtlich vom System au er acht gelassen wenn wenigstens ein Teil des Signals durchgekommen ist Noch gibt es jedoch keine Studien dar ber wie sich Ultraschallwellen in einem Raum voller Ru partikel ausbreiten An dieser Stelle sind Testreihen entsprechender Bauteile unter hohen Temperaturen und Raucheinfluss notwendig um genaue und verl ssliche Aussagen ber das Verhalten der Bau teile treffen zu k nnen Anhand der Testergebnisse k nnen anschlie end Entscheidungen ber die weitere Vorgehensweise in Bezug auf die Nutzung des 3D Eingabeger tes f r Rettungs kr fte innerhalb dieses Szenarios getroffen werden 6 6 Ergebnisbewertung Die Erwartungen an das 3D Eingabeger t wurden nur zum Teil erf llt Es wurden dennoch viele interessante Ans tze und Punkte aufgetan welche die weitere Entw
29. Genauigkeiten auf Allerdings darf der Unterschied in den Gr enordnungen nicht vergessen werden da bei der Positions bestimmung von WLAN Access Points keine zentimetergenauen Ergebnisse erforderlich sind Ein Nachteil bei RFID s stellt die Gr e des Lesemoduls ger tes dar welche bereits in einfachen Platinenversionen in etwa 60mm 80mm betr gt siehe 2005 4 2 2 Ultraschall Funk Die Grundlage der Positionsbestimmung mittels Ultraschall Modulen ist das TDoA Verfahren das die Laufzeitunterschiede von Signalen f r seine Berechnungen nutzt Ein Funk und ein Ultraschallsignal breiten sich von der gleichen Quelle mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus Licht und Schallgeschwindigkeit Das Ultraschallsignal kann die meisten K rper auf seiner Bahn nicht durchdringen und wird durch diese reflektiert und ged mpft Das macht eine direkte Sichtlinie zwischen dem Sende und dem Empfangsmodul notwendig Die Schallgeschwindigkeit mit der sich das Ultraschallsignal der Module ausbreitet ist von zwei wesentlichen Punkten abh ngig Der Umgebungstemperatur und dem Druck Jeder dieser beiden Faktoren wirkt sich beim Anwachsen des Wertes in einer Erh hung der Schall geschwindigkeit aus Diese Technologie wird in den IMAPS Modulen genutzt auf die sp ter im Kapitel noch gesondert eingegangen werden soll 33ohne eine Beschr nkung des Wertebereiches w rde man 2 Positionen erhalten eine korrekte und eine ge spiegelte hinte
30. ION 39 angewiesen die innerhalb von Geb uden nicht garantiert werden k nnen Auf Grund dieser ortsbedingten Unzuverl ssigkeit scheidet CPD GPS als Technologie dieses Projekts zur Posi tionsbestimmung aus Die RFID s stellen einen vielversprechenden Ansatz dar der wahrscheinlich auch ver folgt worden w re w rden nicht die derzeit genutzten Leseger te durch ihre Gr e einen unpraktischen Ansatz darstellen Auch die Technologie ber die Signalst rke eine Position zu bestimmen ist f r unsere Anwendungsgebiete einen Arbeitsbereich von etwa einem Qua dratmeter mit den damit erforderlichen Genauigkeiten noch nicht genug ausgereift Dennoch sollte man ein Auge auf dieser Technologie behalten da sie f r die Zukunft nicht nur allein durch ihre geringen Kosten sondern auch durch die interessanten Entwicklungen in diesem Bereich sehr vielversprechend ist Auf Grund ihrer einfachen Technik sind die Ultraschallmodule kosteng nstig in der An schaffung Die Gr e und das Gewicht erm glichen auch bereits in der Prototypen Variante eine mobile Version des Systems die die Rettungskraft nicht ber die Ma e hinaus behindern wird Durch vorangegangene Projekte mit den IMAPS Modulen den Ultraschallmodulen der HAW Hamburg ist bereits Erfahrung und Wissen bez glich ihrer Implementierung vorhanden Die hinter ihnen stehende Technik zur Positionsbestimmung ist mehrfach erprobt und stellt daher eine gute Grundlage f r erfolgreiches Projek
31. LEE Ted S iSphere A Proximity based 3D Input Interface MIT Media Lab Veranst 2005 Jukes 2004 JUKES Malcolm Aircraft display systems Professional Engineering Publ 2004 Kwon und Gross 2007 Kwon Doo Y GROSS Markus A Framework for 3D Spa tial Gesture Design and Modeling Using a Wearable Input Device ETH Z rich 2007 URL http graphics ethz ch Downloads Publications Papers 2007 Kwo07a Kwo07a pdf Mann 1998 MANN Steve WEARABLE COMPUTING as means for PERSONAL EMPO WERMENT In 1998 International Conference on Wearable Computing University of Toron to Veranst URL http wearcam org icwckeynote html 1998 Mario Doulis 2006 MARIO DOULIS Jan Pflueger Andreas Simon Christian Stern Till Haldi mann Christoph J SpaceActor Interface Prototypes for Virtual Environments Universitiy of Arts and Design Aargau Switzerland Veranst 2006 Mattern 2003 MATTERN Friedemann Total Vernetzt Szenarien einer informatisierten Welt Springer 2003 LITERATURVERZEICHNIS 82 Maxim 2001 Maxim MAX5403 MAX5404 MAX5405 Dual 256 Tap Low Drift Digital Po tentiometers Maxim Integrated Products Veranst 2001 Miu 2002 Miu Allen Ka L Design and Implementation of an Indoor Mobile Navigation System MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY Diplomarbeit 2002 MSDN 2008 MSDN MSDN Microsoft Developers Network Microsoft Veranst 2008 URL http msdn2 microsoft com en us library ms646260 VS 85
32. LOGIEN 25 Tabelle 2 1 berblick Ober die Projekte Projekt Mobilit t Nutzung Bemerkung Space Actor station r einh ndig zu hoher Preis Hochleistungskameras Space Explorer station r beidh ndig Hybrid Input Device station r einh ndig zu hoher Preis Hochleistungskameras Malleable Surface Interface station r einh ndig Datenhandschuh mobil einh ndig Sphere Projekt station r beidh ndig IPARLA Projekt mobil beidh ndig m gliche Nutzung Szenario Ingenieur Novint Falcon station r einh ndig Der Einsatz im Bereich der Rettungskr fte stellt ein v llig neues Gebiet mit wiederum neuen Anforderungen dar Bei den Anforderungen wird man mit einer sich ver ndernden Position in einer nicht definierten Umgebung konfrontiert Das IPARLA Projekt erf llt die Anforderung an die Mobilit t aber wie im Kapitel 4 1 gezeigt wird ist es nicht innerhalb der Rahmenbedingungen dieses Projekts einsetzbar 2 4 Gestenerkennung Einige der 3D Eingabeger te bieten interessante M glichkeiten in Bezug auf die Gestener kennung Die Gestenerkennung hatim Rahmen dieses Projekts vor allem unter dem Gesichts punkt der Seamless Interaction Bedeutung Um eine nat rliche Interaktion zwischen dem Nutzer und einer virtuellen Umgebung zu erm glichen ist es notwendig die nat rlichen Inter aktionsweisen der Nutzer genauer zu betrachten Gesten stellen von ihnen dar U
33. Port Objektes welches direkt auf einen COM Port zu greift Port ffnen Daten empfangen Port schlie en Der so erhaltene Datenstrom wird untersucht und in Nachrichten unterteilt mit denen anhand ihres bekannten Protokolls ein Datenobjekt gef llt wird Ein solches Datenobjekt enth lt jeweils immer die Daten eines empfangenen Senders Auf die enthaltenen Daten wird im folgenden Kapitel 5 4 2 eingegangen Dieses Datenobjekt wird anschlie end w hrend der Prozess abl uft an ein globales Datenobjekt weitergeleitet Das globale Datenobjekt Empfangene Daten enth lt f r jeden Sender einen Stack der nach dem FIFO Konzept funktioniert Positionsberechnungs Prozess Dieser Prozess greift ebenfalls auf die globale Daten struktur Empfangene Daten zu und liest die Werte aus Je nach eingesetztem Filter siehe Kapitel 5 4 8 erh lt der Prozess die Positionen der 3 Sender und die Entfernun gen zu ihnen Diese Werte werden genutzt um ein Matrixobjekt zu erstellen durch das wir die Positionsdaten erhalten Der genaue mathematische Vorgang zur Berechnung der Position wurde bereits im Kapitel 3 2 beschrieben AnschlieBend wird diese errech nete Position an ein globales Objekt Positionsdaten bergeben Anzeige Prozess Der Anzeige Prozess greift auf die API Application Programmers Inter face des Betriebssystems zu Innerhalb eines Objektes USMouse wird ein Objekt INPUT erzeugt Dieses INPUT Objekt erh lt d
34. Preises auch f r den privaten Markt interessant Es war in der Vergangenheit erkennbar dass innovative Eingabeger te vor allem durch die Nutzung im dem Bereich der Spieleindus trie schnell im Preis sanken und damit bezahlbar f r viele Anwendungen wurden Die Spielein dustrie sucht vermehrt nach neuen Eingabeger ten um den Spieler interessiert zu halten und ihm immer Neues zu pr sentieren Hierbei wird besonderes Augenmerk auf die Einfachheit der Bedienung und die damit verbundene intuitive Nutzung gelegt Es ist daher auch vorstellbar dass dieses Eingabeger t letztendlich in einem v llig anderen Bereich verwendet wird als in dem f r den es urspr nglich entwickelt wurde Wenn man dieses 3D Eingabeger t nicht als ein komplettes Produkt betrachtet sondern als einen Teilbereich ergeben sich z B in Verbindung mit einem Datenhandschuh komplexe Anpassungsm glichkeiten auch im Bereich des Einsatzgebiets Sehr schnell wird die Tech nik in Bezug auf Collaborative Workspaces interessant um Interaktionen in einer definierten Umgebung zu erkennen Damit verbunden ist auch eine Anwendung im Bereich der Seamless Interaction vorstell bar Durch die in Kapitel 2 4 auf Seite 25 erw hnten Mustererkennungsalgorithmen w re die KAPITEL 7 ZUSAMMENFASSUNG 74 Grundlage f r eine Gestenerkennung geschaffen die eine nat rliche Interaktion erm glicht Hierf r ist es allerdings notwendig die von den Menschen f r die Kommunikation
35. Wert zur Verf gung Zur Steuerung der Vorf hrungsanwendung werden von den drei verf gbaren Daten nur zwei ausgelesen So ist mit diesem Eingabeger t problemlos m glich eine 2D Anwendung zu steuern genau wie eine 3D Anwendung f r die entsprechend alle verf gbaren Positionsdaten ausgelesen werden m ssen Eine Vorf hranwendung f r den 3D Raum welche alle drei zur Verf gung gestellten Werte nutzt wird nicht im Rahmen dieses Projektes umgesetzt KAPITEL 5 UMSETZUNG 47 Platine Stromversorgung Netzteil Spannungswandler USB Kommunikation Spannungsversorzung ATIOCANI28 en EZBEE DIP CONN ZigBee Modul MAXS5405 als Ladungspumpe USB Stecker MA40BSR Ultraschallsensor Abbildung 5 1 Skizze des Platinenaufbaus 5 2 IMAPS Module Platinenaufbau F r das Projekt werden mehrere IMAPS Module siehe Kapitel 4 2 5 genutzt die eine Bestim mung von Entfernungen erm glichen Im Speziellen handelt es sich um 3 IMAPS Sender und einen IMAPS Empf nger Die Platinendesigns der Sendemodule und des Empfangsmoduls sind sich bis auf kleine Ausnahmen sehr hnlich Die Unterschiede bestehen in den Ultraschall sendern und Empf ngern sowie in der Schnittstelle zum Rechner die das Empfangsmodul aufweisen muss Daher soll an dieser Stelle der Platinenaufbau zusammenfassend betrachtet werden Als Kontroller wird ein Atmel AT90CAN128 Mikrokontroller genutzt Er ver f gt Ober zwei 8 Bit Timer Timer O und 2 zwei 16 Bit Timer Timer
36. Zuge der Prototypenentwicklung ist das Anzeigemedium jedoch vorerst ohne Bedeutung und wird daher nicht n her ausgef hrt 28 Head Up Display 29 Netzhautprojektions Display KAPITEL 4 KONZEPTION 34 Abbildung 4 1 Positionierung der Module am K rper Fr he Zeichnung optimale Positionie rung w re auf 2 3 der H he des Torsos Abbildung 4 2 QRT Rechner und ein Virtual Retinal Display KAPITEL 4 KONZEPTION 35 4 1 Rahmenbedingungen Das Projekt ist durch Rahmenbedingungen definiert einer Einsatzumgebung und den Anfor derungen die aus ihr erwachsen Innerhalb des Szenarios soll auf den Einsatz eines 3D Eingabeger tes bei Rettungskr ften in extremen Situationen eingegangen werden Es liegt eine hohe Belastung f r das Material und f r die Rettungskraft vor Es ist mit starker Rauchbildung Hitze und einer nicht vorhandenen Sicht zu rechnen F r die Konzeptionierung des Prototypen werden diese Umweltbedingungen wie Rauch und Hitze jedoch vorerst au er Acht gelassen 4 1 1 Anforderungen an das System Durch die Benutzung des Eingabeger tes von Rettungskr ften und der Einsatzumgebung ergeben sich bereits die ersten Anforderungen Ortsunabh ngigkeit Mobilit t Das System soll f r station re und mobile Anwendungen nutzbar sein Die Gewichtung liegt daher auf der mobilen Anwendung da diese die sta tion re einschlie t Mobilit t ist notwendig um den Nutzen f r eine Rettungskraft im Einsatz zu gew hrleiste
37. al development of a 3D input device for stationary and mobile applications Keywords 3D mobile applications input device wearable computing desaster scenario firefighter Abstract The objective of this thesis is the prototypical development of a 3D input device for stationary and mobile applications An overview of previous projects with similar objectives is given Technologies which allow the positioning of the hand in front ofthe user will be introduced The hardware and software will be detailed and the results will be discussed Inhaltsverzeichnis 1 1 Motivation agas e ar ee AA dd A 1 2 Projektursprung 1 3 Gliederung 2 ae Aere de pe ts a da a a ed 2 Technologien 2 1 berblick ber bisherige Projekte 2 1 1 SpaceActor 2 2 2222 2 Coon 2 1 2 SpaceExplorer 3D Input Device 0 2 1 3 Hybrid Input Device e 2 1 4 Malleable Surface Interface o o 2 1 5 Datenhandschuhl e 2 1 6 Sphere Projekt ss sears 2 2 o nn 2 1 7 IPARLA Projekt o o e mo 2 1 8 Novint Falcon 2 2 Anwendungsgebiete dieser lechnologien 2 3 Wertung bisheriger Projekte 2 2 22 22m m nn nn 2 4 Gestenerkennung 3 Grundlagen benutzter Techniken 3 1 Positionsbestimmung 2 2 222 nn nn nn 3 2 Mathematische Grundlagen der Positionsbestimmung 4 Konzeption 4 1 Rahmenbedingungen 2 2 222mm nn A A 4 2 Hardware bersichtl lt
38. aspx muRata 2001 MURATA Piezoelectric Ceramic Sensors Ultrasonic Sensors muRata Ver anst 2001 Parallax 2005 PARALLAX RFID Reader Module nr 28140 Parallax Inc Veranst 2005 URL ww parallax com Piening 2007 PIENING Andreas Rescue Leitstand f r Desaster Szenarien HAW Ham burg 2007 Salvatori 2005 SALVATORI Peter Anwedungsentwicklung f r Pocket PC s mobile Techno logien Data Becker 2005 Welzel 2007 WELZEL Thomas Entwicklung einer autonomen Flugsteuerung f r einen Indoor Koaxialhubschrauber unter Ver wendung von IMAPS HAW Hamburg Diplomarbeit 2007 Anhang A Schaltplane Wi al Abbildung A 1 Stromversorgung des IMAPS Moduls ANHANG A SCHALTPL NE 84 Abbildung A 2 Ultraschallsender Platine des IMAPS Moduls ANHANG A SCHALTPL NE 85 ll Abbildung A 3 Ultraschallempf nger Platine des IMAPS Moduls Versicherung ber Selbstst ndigkeit Hiermit versichere ich dass ich die vorliegende Arbeit im Sinne der Pr fungsordnung nach 22 4 bzw 24 4 ohne fremde Hilfe selbst ndig verfasst und nur die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe Hamburg 30 April 2008 Steffen Hinck
39. das Signal ansonsten nicht einwandfrei zuzuordnen w re Die Sendefunktion SendInput steht neben Mouse Events auch f r an dere Eingabemedien wie z B der Tastatur zur Verf gung INPUT KEYBOARD Neben den Positionsdaten besitzt das Eingabesignal noch weitere Informationen die unter an derem die Art des Signals bestimmen Innerhalb des Projekts wird so festgelegt dass es sich um eine Bewegung der Maus zu einer absoluten Position handelt Dies ist auch im Fall des genutzten Programmes so in dem der Mauszeiger anhand der er rechneten Positionsdaten immer auf eine absolute Position auf dem Bildschirm gesetzt wird Die nat rliche Folge einer solchen Eingabe ist ein leichtes Ruckeln der Zeigerposition welches allerdings durch hinzugeschaltete Filter siehe Kapitel 5 4 8 reduziert wird Die so bermittelten X und Y Werte des Input Signals m ssen jeweils zwischen O und 65535 liegen Diese Werte sind unabh ngig von der jeweiligen Aufl sung da es sich hierbei um Po KAPITEL 5 UMSETZUNG 58 sitionsdaten handelt die der Bildschirmaufl sung entsprechend angepasst werden Bei dem Wert 0 0 handelt es sich hierbei um die obere linke Ecke bei 65535 65535 entsprechend um die untere rechte Ecke Weitere Informationen ber die entsprechenden Bibliotheken der Windows API sind inner halb MSDN 2008 zu finden 5 4 6 Vorf hrungsanwendung In der aktuellen Version des Programmes handelt es sich um einen aktiven Treiber
40. den Kapitel aufgegriffen An ihnen wird die Auswahl einer geeigneten Technik herbeigef hrt 4 2 Hardware bersicht Im Folgenden soll auf Elektronik eingegangen werden welche den Anspr chen innerhalb des Szenarios voraussichtlich gewachsen ist Alle Techniken die auf Sicht basieren werden hierbei au er Acht gelassen da die Sicht laut den Rahmenbedingungen nicht gew hrleistet werden kann Um eine Positionserkennung des Empf ngers nur mittels mitgef hrter Sender zu erm g lichen bieten sich vor allem zwei Systeme an RFID s und Ultraschallmodule Es wird im Speziellen auf die M glichkeiten die diese Module f r eine solche Anwendung bieten eingegangen Mittels einer Triangulation wird jeweils die Entfernung des Modules am Handr cken zu den drei Modulen am K rper ermittelt Diese Entfernungen werden an ein Rechnermodul bermittelt in dem anschlie end eine relative Position der Hand im Raum er rechnet wird Innerhalb des Rechnermoduls wird dieses Signal durch einen Treiber in ein Steuersignal umgewandelt 4 2 1 RFID Derzeit wird in vielen Projekten mit RFID s gearbeitet und geforscht Sie sind in Bereichen wie z B der Indoor Positionierung oder der Logistik angesiedelt Diese Bereiche unterschei den sich oft grundlegend von dem Ziel dieser Arbeit sollten aber dennoch genannt werden um die Vielf ltigkeit der Einsatzgebiete von RFID hervorzuheben Bei diesen Modulen handelt es sich um Funkmodule die entweder aktiv oder passi
41. e ebenfalls ber die 4 Infrarotkameras ermittelt wird Der Stab wird ansonsten genau wie die beiden Ger te des NaviStick gehandhabt Die Inspiration f r den 8 Advanced Realtime Tracking GmbH 93D zuz glich der 3 Freiheitsgrade f r die Orientierung im Raum KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 12 optical rays mathematical model 2D image coordinates 2D image coordinates Output 6DOF 3DOF Abbildung 2 3 Das Prinzip der Ortung mittels Infrarotkameras Kwisath wurde im Science Fiction und Fantasy Bereich gefunden W hrend der Benutzertests stellte sich heraus dass unge bte Benutzer sehr schnell lernten mit dem Kwisath umzugehen w hrend die Ger te des NaviStick ihnen Probleme bereiteten Wo es beim Kwisath zu einer intuitiven Nutzung kam war bei beim NaviStick ein h herer Grad an Konzentration notwendig W hrend der Tests stellte die H lfte der NaviStick Nutzer ein Unwohlsein bis hin zu belkeit durch die ungewohnte Bewegung kombiniert mit den visuellen Eindr cken fest F r die hierzu notwendige Bildverarbeitung wird das Lightning Software Framework benutzt das ein geeig netes erweiterbares VR System darstellt Durch die notwendige definierte Umgebung mit den Infrarotkameras handelt es sich bei diesem Projekt um ein System das nur f r station re Anwendungen geeignet ist 2 1 2 SpaceExplorer 3D Input Device Als n chstes soll ein kommerzielles Projekt von 3D Connexion kurz vorgestellt werden Es handelt sich h
42. eilt dass der Kanal belegt ist Zeitgleich sendet das Modul einen Ultraschallimpuls aus Ein Empfangsmodul welches ebenfalls die Nachricht ber den ausgesendeten Impuls erhalten hat kann anhand des Laufzeitunterschiedes zwischen Funk und Ultraschallsignal eine Entfer nung zum Sendemodul errechnen Der Laufzeitunterschied entsteht durch die unterschiedliche Signalgeschwindigkeit die einmal mit Lichtgeschwindigkeit Funk und einmal mit Schallge schwindigkeit Ultraschall erfolgt Im Funksignal des Senders ist ebenfalls eine absolute Position des Sendemodules ent halten welche jedem Sendemodul durch seine Programmierung gegeben wird Durch diese Informationen l sst sich innerhalb eines Rechners an den das Empfangsmodul angeschlossen ist die Position des Empfangsmoduls berechnen Als Funkprotokoll wird hierf r das IEEE 802 15 4 siehe IEEE 2003 genutzt Dieses Pro tokoll definiert die Kommunikation zwischen den einzelnen Modulen Das so entstehende Netz werk dient zum Datenaustausch mit bertragungsraten von bis zu 250kb s Es garantiert festgesetzte Sendezeitr ume verf gt ber eine Kollisionsvermeidung durch CSMAwCA und zeichnet sich durch einen geringen Leistungsverbrauch aus Auf das ge nutzte Funkprotokoll wird im Kapitel 5 4 2 noch genauer eingegangen werden Ein Punkt der bei den IMAPS Modulen sp ter als relevant erweisen wird ist der sich ver ndernde Faktor der Schallgeschwindigkeit welcher bereits im Kapitel 4 2 2
43. eine weitere interessante M glichkeit die urspr nglichen IMAPS Module der HAW Hamburg alternativ in diesem Falle als ein 3D Eingabeger t zu verwenden Derzeit ist das Eingabeger t noch nicht f r eine Nutzung durch Rettungskr fte geeignet Dies wurde von dem im Projektrahmen erstellten Prototypen jedoch auch nicht erwartet Das Ziel war das Pr fen der M glichkeiten die ein solches System bietet Dieses System wird nur Einzug in den Markt halten wenn die mageln de Reaktionszeit behoben werden kann Es ist festzustellen dass viel Entwicklungszeit f r KAPITEL 7 ZUSAMMENFASSUNG 77 die Sichtung m glicher Software Ans tze zur L sung der mathematischen Problemstellung verwendet wurde um am Ende wieder eine eigene projektspezifische L sung zu erstellen F r eine Anwendung wie sie innerhalb des Szenarios beschrieben wurde fehlt derzeit noch die Akzeptanz bei den Rettungskr ften solche Eingabeger te zu benutzen siehe Hinck 2006 Das Szenario mag eine m gliche Zukunft aufzeigen doch es werden noch viele Jahre vergehen bis sich Wearable Computing und damit auch der Bedarf an einem solchen Eingabeger t soweit durchgesetzt hat dass es in extremen Situationen genutzt werden kann Eine M glichkeit eine solche Akzeptanz zu schaffen liegt darin sie spielend zu erzeugen Wie bereits beschrieben mag daher die Nutzung eines solchen oder eines hnlichen Systems viel dazu beitragen dass die Gesellschaft mit diesen Medien
44. eise der verschiedenen Filter wird in Kapitel 5 4 8 erl utert Teilweiser Systemausfall Es ist durch die Rahmenbedingungen des Einsatzszenarios m glich dass Ger te ausfallen oder auf Grund der u eren Bedingungen so stark beeinflusst werden dass sie nicht mehr nutzbringend eingesetzt werden k nnen F r solche Situationen muss ein sp teres Komplettsystem ein Ausfallprotokoll besitzen welches die Vorgehenswei se des Rechners definiert sollte das Anzeigeger t ausfallen Als eine letzte Handlung vor dem Beenden des Anzeigeprogramms wird daher ein Signal an das Betriebssystem gesen det welches das System in einen Notfallmodus berf hrt Innerhalb dieses Modus wird davon ausgegangen dass eine Eingabe durch den Benutzer nicht mehr m glich ist Im Fall eines Feuerwehrmanns w rde das Anzeigesystem andere Funktionalit ten reduzieren und nur noch eine Umgebungskarte mit der Position des Feuerwehrmanns anzeigen Auf diese Weise soll der Rettungskraft erm glicht werden sich sicher aus der Gefahrensituation zu entfernen 5 4 5 Das Windows API Die erste Anwendung des Projekts wurde f r ein Windows Betriebssystem geschrieben daher soll im Folgenden auf die Windows API eingegangen werden die hierf r genutzt wurde Sie KAPITEL 5 UMSETZUNG 57 ist eine Programmierschnittstelle die es dem Programmierer erm glicht auf Funktionalit ten des Windows Betriebssystems zuzugreifen Die einzelnen Funktionen der Windows API sind in der Prog
45. elle auf die entsprechende Literatur verwiesen Auf diese Kommunikationsschicht wird ebenfalls ein IMAPS Protokoll als Upper Layer aufgesetzt Koordinat Abbildung 5 5 IMAPS Protokoll zwischen Empfangsmodul und Rechner Auf das IMAPS Protokoll wird hier nur kurz eingegangen da es sich seit der Zeit in der es von Sebastian Gregor siehe Gregor 2006 beschrieben wurde ein wenig ver ndert hat Das Startzeichen des Protokolls ist ein Byte das auf OXFF gesetzt ist Anschlie end folgen mit jeweils einem Byte die Identifikationsnummer des Sendemoduls das Empfangen wurde und die L nge der Beschreibung Die Beschreibung ist ein berbleibsel des vorangegangenen Projekts der IMAPS Module Laut Spezifikation kann sie eine L nge von 0 bis 16 Byte haben In unserem Fall mit einer begrenzten Anzahl an Sendemodulen liegt sie entweder bei 5 oder bei 7 Byte Nach der Beschreibung folgen die Koordinaten des Sendemodules Die X Y und Z Positionen Je Position werden hierbei 2 Byte genutzt Anschlie end folgen 2 Bytes welche die gemessene Zeitdifferenz zwischen dem Funksi gnal und dem Eingang des Ultraschallsignales enthalten Die letzten 3 Bytes bilden das Ende der Nachricht Sie sind auf die ASCII Werte E N und D gesetzt END radio frequency 46 Media Access Control 47 Vorher bekannt als RS232 EIA Electronic Industries Alliance KAPITEL 5 UMSETZUNG 55 5 4 3 Bibliotheken F r die mathematischen Ans
46. en er bei der Interaktion aufweist und welche somit auch in einem neuen Eingabeger t w nschenswert w ren Anhand von diesen Grundlagen wird anschlie end ein Eingabeger t entwickelt das optimal auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnitten ist wie z B auf die Nutzung bei Konferenzen oder in Arbeits gruppen 2 3 Wertung bisheriger Projekte Der berblick ber die bisherigen Projekte lieferte bereits erste Erkenntnisse inwiefern die ein gesetzten Technologien im Rahmen der in Kapitel 1 1 beschriebenen Szenarien nutzbringend eingesetzt werden k nnen Die nachfolgende Tabelle soll dies nochmals verdeutlichen Die Wertung erfolgt hierbei nach folgenden Kriterien Mobilit t Ist es dem Nutzer m glich sich frei zu bewegen Nutzung Bedienungsanforderungen Speziell in Bezug auf die Verf gbarkeit der H nde M ssen sie das Steuerger t halten oder sind sie frei verf gbar Preis Welche Systeme scheiden f r eine sp tere Nutzung durch ihren hohen Preis aus Wie aus der Tabelle 2 1 ersichtlich wird ist die Nutzung in einer festen Umgebung do minierend f r 3D Anwendungen Diese Technologien bieten oftmals Funktionalit ten wie die Bestimmung einer Position und die mit dieser Position verbundenen Zeigerichtung Was sich jedoch zeigt ist dass keine der Technologien f r das Szenario der Rettungskr fte geeignet ist Die meisten dieser Projekte erf llen nicht die Mobilit tsanforderungen des Sze narios KAPITEL 2 TECHNO
47. er tes verbundenes Griffelement wird hierbei f r die Eingabe genutzt Was dieses System gegen ber anderen dennoch hervorhebt ist die Force Feedback Eigenschaft ber die es verf gt In Verbindug mit der Funktion der 3D Eingabe ergibt sich hierdurch die M glichkeit dem Nutzer ein Gef hl ber ein Gewicht oder sogar ber die Oberfl chenstruktur des jeweilig gehandhabten Objektes zu vermitteln Der Falcon bietet somit die Eigenschaft einen weiteren menschlichen Sinn den Tastsinn anzusprechen Obwohl der Falcon vor allem auf die Spieleindustrie abzuzielen scheint gibt es noch kein Spiel das diese Eigenschaften nutzt Somit bleiben vorerst die mitgelieferten Demo anwendungen wohl die einzigen Anwendungsgebiete welche die M glichkeiten des Falcons voll ausnutzen Es bleibt zu hoffen dass diese Produktidee weiterentwickelt wird und nicht auf Grund mangelnder Anwendungen aufgegeben wird 2 2 Anwendungsgebiete dieser Technologien Um den Nutzen dieser Eingabeger te in unserer heutigen Welt zu veranschaulichen soll in diesem Kapitel auf ihre derzeitigen Anwendungsgebiete eingegangen werden In jedem dieser Anwendungsgebiete findet eine Interaktion zwischen dem Nutzer und einer 3D Umgebung statt Dies kann ein Darstellungsprogramm sein das f r den Nutzer eine nat rlich erscheinende Interaktion mit den Daten erlaubt aber es kann sich hierbei auch um ein Programm f r 3D Diagramme und Baupl ne handeln die anhand von komplexen
48. er Wert 500 etwa 15 cm eine Einheit entspricht somit 0 3 mm KAPITEL 6 ERGEBNISSE DER PROTOTYPENENTWICKLUNG 64 540 530 520 510 500 WBRA a me a a 490 480 470 460 Gemessener WVert Zeit Abbildung 6 1 Genauigkeit der Messung bei gleichbleibender Position 15 cm Abstand zwi schen Sender und Empf nger Zeit Abbildung 6 2 Genauigkeit der Messung bei gleichbleibender Position 27 cm Abstand zwi schen Sender und Empf nger KAPITEL 6 ERGEBNISSE DER PROTOTYPENENTWICKLUNG 65 6 2 Reaktionszeit des Systems W hrend der Tests wurde sichtbar dass die Reaktionszeit des Systems noch nicht in ei nem w nschenswerten Bereich liegt Auf dem Bildschirm und anhand der Daten wurde sehr schnell ein Hinterherwandern der berechneten Position deutlich Das System ben tigt einige Momente um sich auf die neue Position einzustellen Dies ist eine Folge der Signalrate der IMAPS Sendemodule die durch die derzeitige Software der Module bei etwa 3 Hz liegt Da f r eine Positionsberechnung stets 3 Signale gebraucht werden sorgt dies f r ein Nachziehen des Signals bis alle 3 notwendigen Werte mit den Daten der neuen Position aktualisiert wurden Im Rahmen des Projekts kam es zu keiner nderung der Senderate der IMAPS Module da diese Tests und die damit verbundenen Erkenntnisse in der Endphase des Projekts stattfanden Durch diese hohe Reaktionszeit ist das Anwendungsgef hl und damit die Benutzerfreund lichkeit des Systems
49. er ebenfalls ein Gef hl f r die Umgebung die er ver ndert zu vermitteln wurden neuere Modelle von Datenhandschuhe mit einer Force Feedback Funktion ausgestat tet Diese soll dem Nutzer erm glichen zu erf hlen wann er einen Gegenstand in der Virtuellen Welt greift Auch die Spieleindustrie legt derzeit wieder verst rktes Augenmerk auf den Bereich der Datenhandschuhe nicht zuletzt auf Grund der Erfolge neuartiger Eingabeger te wie der Wii 14 engl data glove erste kommerzielle Entwicklung von 1986 15 engl virtual reality Virtuelle Realit t KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 17 Abbildung 2 8 Beispiel eines Datenhandschuhs P5 Glove von Alliance Distributors KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 18 Stick von Nintendo Sony arbeitet wie ein eingereichtes Patent erkennen l sst bereits an einem Datenhandschuh f r die n chste Generation ihrer Konsolen Neben dem Erkennen von Handfl chen und Fingerbewegungen ist der Handschuh mit Gyro und Bewegungssensoren ausgestattet und soll ber ein taktiles Feedback verf gen Inwiefern dieses Konzept schlus sendlich umgesetzt wird muss sich noch zeigen Das Unternehmen Nintendo entwickelte be reits 1989 einen Datenhandschuh f r die Spieleindustrie den Power Glove Dieser erf llte jedoch nicht die von Nintendo in ihn gesetzten Erwartungen da er von den Nutzern nicht ak zeptiert wurde Abbildung 2 9 Zeichnungen aus dem eingereichten Patent von Sony 2 1 6 iSphere Projekt
50. er nicht ber die Handhabung nachdenken muss F r einen 3D Eingabeger t hei t das das seine nor malen Bewegungen optimalerweise direkt in den 3D Raum berf hrt werden Entsprechend haben wir uns darauf verlegt die Bewegungen einer Hand zu erfassen und hieraus die Si gnale f r den 3D Raum zu erzeugen Eine der Aufgaben der Ergonomie Analyse war es den Arbeitsraum des Systems zu bestimmen Hierbei handelt es sich um den Raum in dem der Nutzer mit seiner Hand agiert Er besitzt eine Gr e eine Orientierung und eine Lage Durch diese Angaben beeinflusst er die sp tere Ausrichtung und Position der einzelnen Module In einer projektinternen Studie in der Studenten des Fachbereiches Informatik befragt wurden konnten wir folgende Erkenntnisse ber den Arbeitsraum gewinnen Orientierung des Arbeitsraumes Der Arbeitsraum liegt vor dem Nutzer Lage des Arbeitsraumes Der Mittelpunkt des Bereiches lag etwa auf 2 3 der Torsoh he Gr e des Arbeitsraumes Der Arbeitsraum erstreckt sich halbkugelf rmig vor dem Nutzer mit dem Nutzer als Mittelpunkt und einem Radius von etwa 50 cm Stellung der Hand In den meisten F llen war dabei die Hand in horizontaler Lage bis hin zu einer 75 Stellung wobei w hrend der Neigung der Handr cken zum Nutzer zeigt Aus diesen Erkenntnissen resultiert die Lage der Sendemodule welche vom Benutzer mit gef hrt werden Um eine optimale Nutzung der Sendewinkel der Module zu erlangen ist vor gesehen sie
51. ersignale in Form eines Mauszeigers umzusetzen Die erste Idee f r ein solches Eingabeger t ist im Prinzip dem IPARLA Projekt Kapitel 2 1 7 nicht un hnlich auch wenn die Idee ihren Ursprung in anderen Projekten der HAW Hamburg hatte Es wurde ber die M glichkeit nachgedacht eine Positionsbestimmung mit tels einer Kamera und eines Rasters aus mehreren IR LED s welche in einem Quadrat angeordnet sind 3 Zeilen 3 Reihen umzusetzen Anhand des aufgenommenen Bildes w re es m glich gewesen mittels bildbearbeitender Software R ckschl sse auf die genaue Po sition und Lage der Kamera zu ziehen Dieser Ansatz w re eine Erweiterung der Arbeit von Christian Fischer Fischer 2007 welcher sich an Ideen des Wii Stick dem Eingabeger t der 53infra red light emitting diodes KAPITEL 7 ZUSAMMENFASSUNG 72 Nintendo Wii Konsole orientierte Dieser Ansatz wurde jedoch verworfen weil eine Kamera als zu schadensanf llig im Rah men des Szenarios eingestuft wurde Im Kapitel den Rahmenbedingungen wurde auch deutlich warum ein solches System nicht innerhalb des Projekts umgesetzt wurde Die Technologien die zur Auswahl f r eine Positionsbestimmung n her herangezogen wur den waren RFID Ultraschall und GPS GPS schied auf Grund der nicht garantierten Ortsunab h ngigkeit innerhalb von Geb uden aus Es wurde sich f r Ultraschall auf Grund der geringen Kosten und der Erfahrung mit diesen Modulen entschieden Die IMAPS Ul
52. es I Masterarbeit Steffen Hinck Prototypische Entwicklung eines 3D Eingabeger ts f r station re und mobile Anwendungen Fakult t Technik und Informatik Faculty of Engineering and Computer Science Studiendepartment Informatik Department of Computer Science Steffen Hinck Prototypische Entwicklung eines 3D Eingabeger ts f r station re und mobile Anwendungen Masterarbeit eingereicht im Rahmen der Masterpr fung im Studiengang Master Informatik am Studiendepartment Informatik der Fakult t Technik und Informatik der Hochschule f r Angewandte Wissenschaften Hamburg Betreuender Pr fer Gunther Klemke Zweitgutachter Kai von Luck Abgegeben am 30 April 2008 Steffen Hinck Thema der Masterarbeit Prototypische Entwicklung eines 3D Eingabeger ts f r station re und mobile Anwendungen Stichworte 3D mobile Anwendungen Eingabeger t Wearable Computing Desaster Szenario Feuer wehr Rettungskr fte Kurzzusammenfassung Diese Arbeit besch ftigt sich mit der Entwicklung eines prototypischen 3D Eingabeger tes f r station re und mobile Anwendungen Es wird ein berblick ber bisherige Projekte in diesem Bereich gegegeben und anschlie end werden Technologien vorgestellt die eine Positionbe stimmung der Hand vor dem Nutzer erm glichen Es wird auf die Hardware und Software des Prototypen eingegangen und abschlie end die ersten Ergebnisse des Projektes bewertet Steffen Hinck Title of the paper Prototypic
53. es USB auf Seriell Adapter emuliert Wie bereits in der Software Architektur Kapitel 5 4 1 beschrieben wurde wird innerhalb eines DataControl Objektes ein COM Port Objekt geschaffen das den Zugriff auf die Schnittstelle erm glicht An dieser Stelle muss die Klasse die das COM Port Objekt definiert gegen eine Klasse aus getauscht werden die f r das neue Betriebssytem die Ansteuerung der EIA232 Schnittstelle definiert Anschlie end muss die DataControl Klasse an die neue betriebssystemspezifische Klasse angepasst werden Das so entstehende Port Objekt kann der Spezifikation entspre chend auf die serielle Schnittstelle unter z B Linux oder MAC OS zugreifen Die USMouse Klasse definiert die Ansteuerung der API des Betriebssystems F r eine vollst ndige Anpassung an ein neues Betriebssystem muss hier wie auch bei der DataCon KAPITEL 5 UMSETZUNG 59 Programm Unveraenderter Programmteil Positionsberechmung Datenaufbereitung Veraenderter Programm teil Anzeige USMouse Kommunikation DataControl Betriebssystem Serieller Port Abbildung 5 7 Veranschaulichung der Ver nderungen f r die Anpassung an ein anderes Be triebssystem KAPITEL 5 UMSETZUNG 60 trol Klasse eine Bibliothek eingebunden werden welche den Zugriff auf die API des Betriebs systems definiert Anstelle des aktuellen INPUT Objektes der Windows API muss hier ein entsprechendes Objekt f r die Linux API oder die MAC OS API e
54. f r das Projekt genutzt wurden Aus unterschiedlichen Gr nden erwies sich eine Nutzung als nicht vorteilhaft f r den weiteren Verlauf des Projekts 6 4 1 MTL Lib Die MTL Lib der Indiana University ist eine High Performance Bibliothek de viele Matrix Funktionen zu Verf gung stellt Die MTL Bibliothek nutzt eine 5 fache Vorgehensweise beste hend aus generischen Funktionen Containern Iteratoren Adaptoren und Funktionsobjekten entwickelt unter dem Aspekt einer leistungsstarken numerischen linearen Algebra Obwohl sie alle notwendigen Funktionalit ten ausweist ergaben sich einigen Probleme in Kombination mit dem benutzten Compiler Visual Studio 2005 Diese Probleme w ren l sbar gewesen aber die Nutzung einer alternativen Bibliothek mit Matrix Funktionen erwies sich als der schnellere Weg zu einer L sung 6 4 2 NLMaP Lib Die NLMAP Bibliothek der Universit t Cambridge ist auf nicht lineare Modellierung und Posi tionierung ausgelegt Diese Bibliothek war vor allem unter dem Gesichtspunkt interessant dass sie bereits fertige Klassen und Methoden f r die Multilateration lieferte Auf den ersten Blick versprach dies eine einfache Umsetzung der mathematischen Problemstellung Allerdings be n tigen die Multilaterationsfunktionen mehr als drei Entfernungen mit den dazugeh rigen Po sitionen der Sender um eine L sung zu liefern Selbst als die Hardware durch einen weiteren Sender angepasst wurde was keinen gro en Aufwand darstellte
55. genutzten nat rlichen Gesten zu identifizieren und diese als Anweisungen in die virtuelle Welt zu ber f hren 7 2 Platinendesign Obwohl die IMAPS Module bereits voll funktionsf hig sind bot sich im Zuge des Projekts dennoch die M glichkeit neue Ans tze zu berdenken So zeigte sich bei der bisherigen Nutzung des IMAPS Empfangsmoduls dass die serielle Schnittstelle des Moduls des fteren Probleme verursachte Die Gr nde hierf r lagen weniger in der Schnittstelle selber als in der Tatsache dass die wenigsten neuen Rechner noch ber eine serielle Schnittstelle verf gen was einen Adapter notwendig macht G ngig war daher bisher die Nutzung eines USB auf Seriell Adapters was allerdings auf Grund der Bewegungen w hrend der Nutzung an den Steckern zu Verbindungsabbr chen f hrte Daher wurde beschlossen die neue Platine direkt mit einem USB Stecker auszustatten Das derzeitige System mit mehreren Sendern und einem Empf nger lie e sich durch eine Umkehrung des Prinzips optimieren Damit ist gemeint dass nicht der Empf nger mit drei Sendern geortet wird sondern der Sender durch ein Empfangsmodul welches mit drei Emp f ngern versehen ist Die Empf nger sind hierbei anstelle der Sender am Torso angebracht und kennen ihre relative Position Die Optimierung liegt darin begr ndet dass beim aktuellen System jeder Sender wartet bis keiner der anderen beiden sendet F r die Positionsbestimmung muss jeder der Sender mindestens ei
56. hler f r die aktuelle Position was ohne einen zeitweisen Abgleich der z B durch einen Reset oder ein Best tigen der Position erfolgt schnell zu unbrauchbaren Daten f hren kann Obwohl sich derzeit mehrere Forschungprojekte damit besch ftigen so z B das Fraunhofer Institut den durch Dead Reckoning entstehenden Fehler zu verringern wird es noch einige Zeit brauchen bis Ergebnisse vorliegen Das Verfahren die Position ber den Einsatz von Fixpunkten zu bestimmen findet z B in g ngigen Systemen wie GPS Anwendung Um die Position zu bestimmen ben tigen wir die Entfernungen der Position zu den Fixpunkten deren Koordinaten bekannt sind oder die Winkel in denen sich die zu bestimmende Position zu den Fixpunkten befindet 26 Dead Reckoning ist bekannt aus der Seefahrt wo anhand der Geschwindigkeit und der Richtung die neue Position ermittelt wurde Mittlerweile wird hierbei in gro em Ma e ebenfalls auf Satelitengesteuerte Positionsbe stimmung GPS Global Positioning System zur ckgegriffen KAPITEL 3 GRUNDLAGEN BENUTZTER TECHNIKEN 29 Diese beiden Methoden zur Positionsbestimmung werden Multilateration und Multiangula tion genannt Multilateration Bei der Multilateration wird die Position anhand von 3 oder mehr bekannten Fixpunkten und ihren Entfernungen zu einer unbekannten Position errechnet siehe Bild Multiangulation Bei der Multiangulation sind ebenfalls 3 oder mehrere Fixpunkte ein Winkel und eine Richtung z
57. i dis 76 EA EE 76 83 Kapitel 1 Einleitung Es ist ein Anspruch der Technik als ein Hilfsmittel verstanden zu werden durch das den Menschen die Bew ltigung von Aufgaben in ihrer Umgebung vereinfacht wird Computer haben Einzug in unser allt gliches Leben gefunden Der Begriff Ubiquitous Computing be schreibt diesen Zustand der Rechnerallgegenwart Um uns herum kommunizieren komplexe Systeme miteinander ohne dass wir jede Einzelheit dieser Kommunikation wahrnehmen oder lenken Seamless Interaction ist eines der Schlagworte wenn es um die Kommunikation zwischen einzelnen Systemen aber auch um die Kommunikation des Menschen mit diesen Systemen geht Unter ihr versteht man die Interaktion von Nutzern und Programmen bei de nen Ver nderungen und Anweisungen in reellen und virtuellen Umgebungen gleicherma en wahrgenommen werden Einer der wesentlichen Punkte der Seamless Interaction ist der nat rliche Umgang mit technischen Medien Dieser nat rliche Umgang ist eine Interaktion zwischen dem Nutzer und dem Rechner bei welcher der Nutzer auf f r den Menschen nat rliche Interaktionsm glichkei ten zur ckgreifen kann Hierzu z hlen unter anderem Bewegungen und Gesten welche ein Erkennen von dreidimensionalen Eingaben im Raum um den Nutzer notwendig machen Einen Schritt in diese Richtung stellt diese Arbeit dar Sie besch ftigt sich mit der Umset zung eines 3D Eingabeger tes f r mobile und station re Anwendungen Zu
58. iche Anwendung innerhalb eines Collaborative Workspace 73 7 2 Konzeption der Hate 75 7 3 Schaltplan der Platine 0 nn 76 A 1 Stromversorgung des IMAPS Module 83 A 2 Ultraschallsender Platine des IMAPS Modulsl 84 A 3 Ultraschallempf nger Platine des IMAPS ModulsS 85 Literaturverzeichnis ISTRunes IST Runes URL http www ist runes org scenario html Lifeshirt Lifeshirt URL http www lifeshirt com site system_ howitworks html PubETHZ Publications ETH Z rich URL http www2 ife ee ethz ch Wearable2005 Wearable URL https www cs tcd ie courses mscmm 2005 lectures research wearable2004 pdf WC2006 Wearble Computing URL http www wearable computing de WearlTatWork WearlTatWork URL http www wearitatwork com 3DConnexion 2007 3DCONNEXION SpaceExplorerTM Navigate Your 3D World TM 2007 Aachen 2005 AACHEN Technische U LTI Lib Sourceforge Veranst 2005 URL http 1tilib sourceforge net doc homepage index shtml ART 2007 ART ARTtrack amp DTrack Benutzerhandbuch Version v1 24 3 Advanced Real time Tracking GmbH Veranst 2007 ATMEL 2005 ATMEL Atmel 8 bit Microcontroller with 32K 64K 128K Bytes of ISP Flash and CAN Controller ATIOCAN32 ATIOCAN64 ATIOCAN128 Atmel Corporation Veranst 2005 Brinkk tter Runde 1995 BRINKK TTER RUNDE K Untersuchung der Nutzbarkeit der sa tellitengest tzten Po
59. icklung des Projekts voranbringen k nnen Hierzu wird sp ter im Kapitel 7 1 mehr gesagt Ein Vergleich zu bestehenden 3D Technologien ist auf dem derzeitigen Entwicklungsstand nur teilweise m glich Es ist zu erwarten dass sich die Probleme mit der Reaktionszeit des KAPITEL 6 ERGEBNISSE DER PROTOTYPENENTWICKLUNG 70 Systems durch eine h here Senderate der IMAPS Module verringern ja sogar beheben las sen Die Winkelabh ngigkeit war ein bekanntes Problem das seit Anfang des Projekts auf Grund der Vorteile wie dem geringen Preis des Systems und der nat rlichen Handhabung wissentlich in Kauf genommen wurde Vor allem die geringen Anschaffungskosten sind das herausragende Merkmal dieses Systems Die H nde bleiben frei und sind nicht durch zus tzliche Ger te belegt Was ein Nachteil des Systems gegen ber anderen 3D Eingabeger ten darstellt ist die feh lende Orientierung der Eingabe So ist es zwar derzeit m glich eine Position im Arbeitsraum vor dem Nutzer sehr genau zu bestimmen aber die Orientierung dieses Punktes wie zum Beispiel eine Zeigerichtung von diesem Punkt aus l sst sich nicht ermitteln Auch Drehungen um die jeweiligen Achsen der ermittelten Position k nnen nicht wahrgenommen werden Dies mag den Nutzen von Anwendungen im 3D Bereich welche die Orientierung verwenden um z B einen ver ndernden Sichtwinkel wahrzunehmen und anzuzeigen reduzieren Zumindest bis entsprechende Funktionalit ten in das System aus eine
60. ie en w hrend bei der Eingabe mittels Mouse und Keyboard nur diejenigen hnliche Ergebnisse lieferten die bereits Vorkenntnisse mit Alias Maya 6 0 hatten Es muss an dieser Stelle allerdings ebenfalls erw hnt werden dass die Genauigkeit des IS phere noch nicht v llig ausgereift ist so dass w hrend der Modellierungsstudie die Teilnehmer fast die H lfte der Zeit damit verbrachten ihre Modellierungseingaben zu korrigieren vor und zur ck da das Ger t nicht so pr zise arbeitete wie es f r sie w nschenswert gewesen w re 2 1 7 IPARLA Projekt Das IPARLA Projekt ist ein Gemeinschaftsprojekt das sich zum Ziel gesetzt hat mobilen Nut zern eine optimale Interaktion zwischen ihnen und der Visualisierung zu erm glichen In die sem Zuge entstand an der University of Bordeaux ein mobiles 3D Eingabeger t Es ist somit eines der wenigen mobilen Eingabeger te f r 3D Anwendungen Neben einem PDA der mit einer Kamera versehen ist wird zus tzlich noch ein Steuer 20 Application Programmers Inteface 21 Personal Digital Assistant KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 20 element ben tigt Hierzu wird ein RGB Bild verwendet welches mit einem spezielles Ras termuster versehen ist Die durch rote Rasterlinien getrennten Felder sind jeweils mit einer eindeutigen Kollorierung versehen W hrend die Gr e des Rastermusters im Bild der Kame ra Aufschluss ber die Entfernung zu dem Bild gibt kann anhand der Kollierung der Felder die Posit
61. ie ben tigten Variablen die es als ein Signal zur Maussteuerung kennzeichnen Nachdem dieses INPUT Objekt mit den Posi tionsdaten aus dem globalen Objekt versehen wurde wird dieses an das Betriebssystem abgeschickt Um unn tigen Rechenaufwand zu minimieren wurden Funktionen wie z B die Empfan genen Daten mit einem Flag versehen welches anzeigt ob seit dem letzten Zugriff des Po sitionsberechnungs Prozess neue Daten des Sensoreingangs Prozess eingetroffen sind Sollte dies nicht der Fall sein so muss die gleiche Rechenoperation nicht erneut durchgef hrt werden Um Probleme durch zeitgleichen Zugriff zweier Prozesse auf Datenobjekte zu verhindern wurden zu diesem Zweck Semaphoren eingesetzt Genauere Informationen hierzu finden sie in Kapitel 5 4 4 Das Bild 5 3 soll an dieser Stelle den groben Ablauf des Programmes veranschaulichen Es sind bereits die in Kapitel 5 4 4 n her erl uterten Semaphoren in das Bild eingebunden 42FIFO First In First Out Die zuerst erhaltenen Daten werden auch als erstes wieder vom Stack entfert 43Die Schnittstelle die dem Programmierer erm glicht auf Funktionen des Betriebssystems zuzugreifen KAPITEL 5 UMSETZUNG 52 Bai H w 8 ei Sema pr fen RW Sema true Com Port ffnen Sensordaten lesen NewEvert Flag H pr fen nein RW Sen a pr fen RW Sema true Daten schreiben neue ntfernungen RW Sema false EN
62. ie langfristige Forschung Der Bereich der Medizin ist ein gutes Beispiel f r Projekte bei denen die Forschung oft im Vordergrund steht und der praktische Nutzen nicht au er acht gelassen wird Die Medizin hat sich in den letzten Jahren stark gewandelt und somit auch die Rahmenbedingungen unter denen die rzte arbeiten Endoskope erm glichen mittels einer nur kleinen ffnung in den K rper zu blicken oder dort sogar Operationen vorzunehmen CT s erzeugen schichtweise ein komplettes 3D Bild der untersuchten Stellen Dies alles erfordert ebenfalls Ver nderungen in der Interaktion mit den so gewonnenen Daten Das Projekt Eye of Ra Seite 13 zeigte bereits eine Herangehensweise in Bezug auf Eingabeger te im medizinischen Bereich doch bis zu einer Praxistauglichen Anwendung wird f r diesen Bereich noch einiges an Entwick lungszeit eingeplant werden Gerade in den letzten Jahren hat sich gezeigt was alles mit Computergrafik m glich ist Es gibt wenige gro e Kinokassenschlager die nicht mittels grafischer Effekte die am Computer entstanden sind aufgewertet werden Dinosaurier laufen ber die Leinwand Raumschiffe rasen durch den Weltraum Ein Gro teil dieser Bilder sind 3D Animationen welche durch Zuhilfenahme von 3D Eingabeger ten gezeichnet werden Als abschlie endes Beispiel soll der Nutzen von 3D Eingabeger ten f r die Spieleindustrie genauer erl utert werden Mit jeder neuen Rechnergeneration und neuen Technik entstehen
63. ierbei um den Space Explorer 3DConnexion 2007 eines der 3D Eingabe Ge r te von 3DConnexion die f r Anwendungen am Arbeitsplatz geschaffen wurden Bei diesem Ger t stellen Sensoren die Bewegungen eines hervorgehobenen Knopfes fest siehe Bild 2 4 und setzt diese in Steuersignale um Dadurch verf gt der Space Explorer ber die M glichkeit Bewegungen in 6 Freiheitsgraden auszuf hren Wie bei allen Eingabeger ten braucht man ei Virtual Reality KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 13 Abbildung 2 4 Space Explorer von 3DConnexion ne entsprechende Software Schnittstelle um mit den Eingabeger ten die 3D Umgebungen zu bedienen Durch seinen g nstigen Preis findet dieses station re Eingabeger t bereits Anwen dung in mehreren Zweigen der Industrie Der SpaceExplorer wurde wie auch andere Eingabeger te der Firma 3D Connexion spe ziell in Bezug auf den Bereich der Konstruktion entwickelt Obwohl es nat rlich auch in an deren Bereichen einsetzbar ist war es gerade diese Spezialisierung und Anpassung an die Problemstellungen der Konstruktionsb ros die zur Akzeptanz dieses Produktes und auch vie ler anderer 3D Eingabeger te f hrte Es wurde auf Grund der Bed rfnisse dieser Bereiche konzeptioniert wobei auch der Kostenfaktor eine gro e Rolle spielt Entsprechend gibt es Konstruktionsprogramme wie zum Beispiel AutoCAD und SolidWords die bereits mit dem SpaceExplorer gesteuert werden k nnen An diesem Beispiel kann man erkennen
64. ion des Bildes zur Kamera bestimmt werden Durch diese Art der Eingabe wird den Beschr nkungen wie z B der kleine Bildschirm eines PDA entgegengewirkt So kann ein f r den Nutzer nat rliches Bewegen des Bildes eine gleichgeartete Bewegung mit einem sich ver ndernden Sichtausschnitt auf dem PDA zur Folge haben Abbildung 2 11 Mobiles 3D Eingabeger t des IPARLA Projekts Dieses Projekt entstand auf der Grundlage von hnlichen Projekten der Universit t Bor deaux und der Universit t Halle die bereits ein Eingabeger t nach dem gleichen Prinzip f r den 2D Raum verwirklicht hatten Das Projekt ist ein sehr interessanter Ansatz f r die 3D Interaktion da es neben dem An zeigeger t mit einer Kamera und dem Bild als Steuerelement keine weiteren Installationen in der Umgebung oder an der Person notwendig sind Die Nutzung stellt sich somit recht un kompliziert dar Nachteilig in der derzeitigen Konfiguration ist die Voraussetzung des Einsatzes beider H nde siehe Bild 2 11 und die Notwendigkeit eines optimalen Kamerabildes 22 Ein Bild in den Farben Rot Gr n und Blau KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 21 2 1 8 Novint Falcon Abbildung 2 12 Das Falcon 3D Eingabeger t der Firma Novint Mit dem Novint Falcon soll ein weiteres Produkt aus dem Bereich der kommerziellen 3D Produkte Erw hnung finden Wie auch bei dem Space Explorer muss der Nutzer direkt mit dem Eingabeger t Kontakt haben Ein ber ein Gest nge mit der Basis des G
65. ionskamera bald relativieren Abbildung 2 6 Hybrid Input Device Eye of Ra 2 1 4 Malleable Surface Interface Ein anderes interessantes Konzept f r de 3D Eingabe wird im Institut f r Human Communi cation Technologies an der Universit t von British Columbia verfolgt Das Ziel dieses Projekts war es eine bezahlbare Alternative f r ein Touchpad zu entwickeln welches dazu in der Lage ist Oberfl chenmanipulationen zu registrieren die an mehr als nur einem Punkt gleichzeitig stattfinden Entsprechend setzt dies auch eine vollst ndige Multitouch F higkeit des Systems voraus So entstand das Malleable Surface Interface Florian Vogt 2004 Es besteht aus einer dehnbaren Oberfl che und einer Kamera die unterhalb dieser Oberfl che angebracht ist Diese dehnbare Oberfl che ist mit einem Rastermuster aus Punkten versehen Die linke Seite des Bildes 2 7 zeigt den Gesamtaufbau des Interfaces mit der unter dem Aufbau angeordneten Kamera Auf der rechten Seite wird eine Interaktion gezeigt oben rechts sowie auf ein Bild wie die Kamera diese Interaktion wahrnehmen w rde unten rechts Man kann erkennen dass die Druckbewegung auf die Oberfl che das Rastermuster ver formt Anhand des Kamerabildes dieses verformten Musters kann nun die bildverarbeitende Software errechnen wo auf diese Oberfl che gedr ckt wird und wie tief sie eingedr ckt wird Das Projekt bietet somit viele interessante Ans tze die es in Aussich
66. ite Gleichzeitiges Senden eines Ultraschallimpulses Das Empfangsmodul kann ein empfan genes Ultraschallsignal nicht einem Sender zuordnen Daher kann es zu Problemen kommen wenn zwei Sendemodule gleichzeitig einen Ultraschallimpuls aussenden Um diesem Problem vorzubeugen kommunizieren die Sender untereinander welcher von ihnen sendet Unter der Voraussetzung einer einwandfreien Kommunikation zwischen den Sendern kann dieses Problem verhindert werden Messfehler auf Grund von Reflexionen des Ultraschallimpulses Ultraschallsignale k n nen von Oberfl chen der Umgebung reflektiert werden mit der Folge dass das IMAPS Empfangsmodul die Reflexion eines Ultraschallimpulses einem nachfolgenden Sender zuordnet Fehlerhafte Me werte sind die Folge Dieses Problem wird auf der Seite des Rechners behandelt Kommunikationsabbruch zu den Sendern Es k nnen keine neuen Entfernungen mehr er mittelt werden Ein Kommunikationsabbruch zu den Sendern ist mit einem kompletten Systemausfall gleichzusetzen Hierzu gibt es sp ter innerhalb dieses Kapitels noch eine Erl uterung Rechner Seite KAPITEL 5 UMSETZUNG 56 Kommunikationsabbruch zum Empfangsmodul Der Kommunikationsabbruch zum Emp fangsmodul kann mehrere Ursachen haben Diese k nnen sowohl auf der IMAPS als auch auf der Rechnerseite liegen Beispiele hierf r k nnen mangelnde Energieversor gung COM Port Fehler z B durch ver nderte COM Port Nummer oder eine St rung im Verbindung
67. ktion mit einer k nstlichen Welt in einem Rechner bieten Wie realistisch und nat rlich wird diese Welt in ihrem Erscheinungsbild und ihrer Inter aktion auf uns wirken Wie realistisch darf diese k nstliche Welt f r uns erscheinen 55Computerized Numerical Control Maschine Eine Computergesteuerte Maschine die Funktionen wie z B Fr sen bernimmt Abbildungsverzeichnis 1 1 bersicht des Rescue Projekts o o 9 2 1 NavIStICK 2 222222 on nn 10 22 ARWISAEN its a a De A ROS EE 11 2 3 Das Prinzip der Ortung mittels Infrarotkameras 12 2 4 Space Explorer von 3DConnexion 22222 2m nn 13 2 5 Arbeitsumgebung des Hybrid Input Device Eye of Ra Zu sehen ist eine Ka mera des optischen Tracking Systems 1 ein Tablet PC und das Eye of Ra Eingabeger t 2 sowie das stereoskopische Grossbild Projektions System 3 14 aa A A a E 15 2 7 Malleable Surface Interface nn nn o e 16 eege 17 2 9 Zeichnungen aus dem eingereichten Patent von Sonyl 18 2 10 iSphere des Mim 19 2 11 Mobiles 3D Eingabeger t des IPARLA Projekts 20 2 12 Das Falcon 3D Eingabeger t der Firma Novint 21 2 13 Beispiel einer Konstruktionszeichnung einer Turbine 23 2 14 Der Arbeitsraum des Nutzersl 26 2 15 M gliche Gesten einer Beispiel Anwendung eines Projekts der ETH Z rich 26 3 1 _ Multilaterati
68. l gesetzt Bezugspunkt X Y 0 Bei n herem Interesse ber die atomare Multilateration sei auf die Quelle verwiesen Das neu entstandene Gleichungssystem mit 3 Gleichungen und 2 Unbekannten ist eben falls wieder l sbar Aus diese Gleichungen werden jetzt die z Werte eliminiert und sie werden in ein Matrix System berf hrt Entsprechend ergeben sich die unteren Gleichungen 3 2 3 3 undB 4 gt A b 3 2 KAPITEL 3 GRUNDLAGEN BENUTZTER TECHNIKEN 32 2 X 2 Y1 Y0 t 2 x2 xo 2 y2 yo ER N 3 3 2 Xm 1 0 2 Ym 1 0 dad FA EC EE 17 to m gt 3 3 4 ae Da die Signalgeschwindigkeit v bekannt ist ebenso wiert k nnen anschlie end durch das L sen der Gleichung 3 4 die entsprechenden x und y Koordinaten des Empf ngers berechnet werden Dies erfolgt unter der Voraussetzung dass die Determinante der Matrix ungleich O ist Der Grund hierf r liegt in der Tatsache dass es sich bei der Matrix der Gleichung um eine 2x2 Matrix mit 2 Unbekannten handelt Ein solches Gleichungssystem ist nur unter der oben genannten Voraussetzung eindeutig l sbar Erneutes Einsetzen der errechneten Koordinaten in die Gleichung 3 1 liefert die z Koordinate des Empf ngers Kapitel 4 Konzeption F r die Umsetzung eines 3D Eingabeger tes f r mobile Anwendungen welches in der La ge ist eine Handbewegung in eine Steuerbewegung umzusetzen wird ein Hardware System ben tigt das die Position der Hand bestimmen
69. m Garantierte Sendezeitr ume Kollisionsvermeidung durch den CSMA with collision avoidance Algorithmus Geringen Leistungsverbrauch Das Bild 5 4 soll veranschaulichen an welcher Stelle der Systemarchitektur der IEEE Standard zum Tragen kommt Upper Layers 8022 LLC a SSCS MAC PHY Physical Medium Abbildung 5 4 LA WPAN Ger te Architektur 44 ow rate wireless personal area networks KAPITEL 5 UMSETZUNG 54 Auf die Hardware wird die physikalische Schicht PHY aufgesetzt Diese Schicht dient dazu den RF Transceiver zu steuernn Seine Funktionalit ten belaufen sich neben dem An und Ausschalten des Transceivers z B auf die Kanalwahl Die MAC Schicht stellt den Zugang zu den physikalischen Kan len f r alle Arten von Transferen her Neben dem MAC Management Service und dem MAC Data Service bietet die MAC Schicht M glichkeiten f r Sicherheitsma nahmen Die Upper Layers besteht aus einer Netzwerkschicht Konfiguration und Manipulation Message Routing und einer Applikationsschicht In unserem Fall handelt es sich um das IMAPS Protokoll F r die Kommunikation zwischen dem Empfangsmodul und dem Rechner wird eine ElA232 Verbindung genutzt Sie ist ebenfalls zwischen der MAC Ebene und den Upper Layers eingeordnet Auf diese soll hier nicht mehr im Speziellen eingegangen werden da es sich um eine altbekannte Technologie handelt F r n here Informationen sei an dieser St
70. n Die Gr e und das Gewicht Im Sinne der Mobilit t muss das System sich am K rper der Rettungskraft befinden in unserem speziellen Fall am Torso und auf dem Handr cken Um die Rettungskraft nicht unn tig zu behindern ist ein leichtes und kleines System w nschenswert Keine auf Sicht basierende Ortung Da mit starker Rauchbildung zu rechnen ist muss das Eingabeger t vollst ndig auf Sicht Kameras verzichten Einfache Bedienung Usability Stress und ggf geringe Bewegungsfreiheit sollen die Be dienbarkeit nicht ber die Ma e einschr nken Die H nde der Rettungskraft m ssen f r andere Aufgaben frei sein Zuverl ssigkeit Der Zuverl ssigkeit wird in diesem Fall nicht nur auf Grund der Usability viel Stellenwert beigemessen sondern vor allem durch die Tatsache dass diese Technik in Gefahrensituation Anwendung finden soll und dabei stets verl sslich und st runanf llig sein muss Kostenfaktor Um eine Nutzung des Eingabeger tes durch die Rettungskr fte zu erm glichen und auch ggf die M glichkeit einer kommerziellen Nutzung des Prinzips zu erm glichen sollten die Kosten f r ein Eingabeger t m glichst gering sein KAPITEL 4 KONZEPTION 36 Gestik Arbeitsraum Ein den Projektrahmen einschr nkender Faktor entsteht aus der Defini tion des Arbeitsraumes welcher durch die Arml nge dem maximalen Bewegungsradius vor dem K rper entsteht N here Informationen in Kapitel 5 3 Diese Anforderungen werden im folgen
71. n berblick ber bisherige 3D Eingabeger te und Anwendungsgebiete f r solche Technologien In Kapitel 8 wird auf die Grundlagen bisheriger Technologien zur Positionsbestimmung eingegangen welche in der Arbeit sp ter gebraucht werden Im folgenden Kapitel 4 werden neue Ans tze f r ein 3D Eingabeger t dargestellt und es wird auf die funktionalen Techniken eingegangen Es wird auf die Entscheidung f r ein System eingegangen und die Vorz ge die dadurch entstehen Anschlie end wird die Umsetzung Kapitel 5 erl utert sowie auf die projektbezogene Anwen dung des Systems und Probleme die w hrend der Umsetzung entstanden sind eingegangen Abschlie end werden in den letzten beiden Kapiteln Kapitel 6 und 7 die Ergebnisse dieses TeilProjekts vorgestellt und ein Fazit aus der Arbeit gezogen Kapitel 2 Technologien 2 1 berblick ber bisherige Projekte In diesem Kapitel soll ein grober berblick ber bisherige Technologien im Bereich der 3D Eingabeger te geliefert werden 2 1 1 SpaceActor Abbildung 2 1 Navistick SpaceActor Mario Doulis 2006 ist ein Projekt der Fachhochschule Aargau in der Schweiz Es handelt sich bei dem Namen um einen berbegriff unter dem die Forschungs gruppe die Projekte NaviStick und Kwisath zusammenfasste Als technische Grundlage nutzen sie ein Ortungssystem das anhand von 4 Infrarotkame ras R ckschl sse auf die Position ziehen kann Ein solches optisches Infrarot Kamerasystem
72. n an den Ger ten wird vermieden 1 2 Projektursprung Der Bedarf eines solchen Eingabeger tes entwickelte sich im Laufe des Rescue Projekts der HAW Hamburg Es besch ftigt sich mit der Unterst tzung von Rettungskr ften durch moder ne Technik in Form von Wearable Computing Bei dem Projekt besteht eine Zusammenarbeit mit dem WearlTatWork Projekt des Fraunhofer Instituts welchem ein hnliches Anwendungs szenario zu Grunde liegt In diesem Rahmen werden die Problemstellungen denen sich Rettungskr fte im Einsatz gegen bersehen analysiert Anschliessend werden Konzepte entwickelt bei denen die Ret tungskr fte durch den Einsatz technischer Mittel entlastet und unterst tzt werden Die Rah menbedigungen dieses Projekts wurden bereits in der vorhergegangenen Ausarbeitung beschrieben Das Rescue Projekt der HAW Hamburg besteht derzeit aus drei Teilbereichen Dem Leit stand dem Sensornetzwerk und den Rettungskr ften Leitstand Der Leitstand ist die Einsatzzentrale in der ein berblick ber die Situation ge schaffen wird und anhand von allen eingegangenen Informationen Entscheidungen ber die Vorgehensweise getroffen werden Er verf gt daf r ber ausgew hlte Anzeige und Interaktionsmedien Auf dem Leitstand wird in der Ausarbeitung von Andreas Piening Leitstand f r Desaster Szenarien Piening 2007 n her eingegangen Sensornetzwerk Das Sensornetzwerk dient in diesem Projekt zur Informationsgewinnung und ka
73. nheiten einen Plan der Schaltanlage auf ein HUD welches z B schon in bestimmten Berei chen des Milit rs siehe Jukes 2004 eingesetzt wird ber eine Handbewegungen ver ndert die Rettungskraft intuitiv die Darstellung des Schaltplans um sie f r ihn optimal zu gestalten In der Darstellung stellt ein kleiner blinkender roter Kreis die Position dar wo der Kurzschluss vermutet wird welcher zum berhitzen des gesamten Systems gef hrt hat Dieses Problem kann jetzt gezielt behoben und damit Schlimmeres abgewendet werden Die ben tigten Daten wie Schaltkreispl ne oder sonstige unterst tzende Ma nahmen werden vom Leitstand welcher mit der Rettungskraft in Verbindung steht zur Verf gung ge stellt Der Leitstand ist ein anschauliches Beispiel wie ein Collaborative Workspace funk tionieren kann F r n here Informationen sei hier auf die diesbez gliche Ausarbeitung von Andreas Piening Piening 2007 verwiesen Das eben beschriebene Szenario gibt den Aufgabenbereich des Rescue Projekts der HAW Hamburg wieder Viele der genannten technischen M glichkeiten sind bereits verf gbar oder in der Entwicklung W hrend der vorangegangenen Teilprojekte wurde immer deutlicher wie wichtig eine einfache intuitive Eingabem glichkeit ist Rettungskr fte sind durch die oft lebens gef hrlichen Situationen in denen sie sich befinden darauf angewiesen nicht unn tig belastet zu werden Die Context Awareness eines solchen Eingabesystemes
74. nmal gesendet haben Bei einem System mit einem Sender und 3 Empf ngern w rden bereits nach einer ein zigen Sendeaktion alle drei ben tigten Entfernungen vorliegen Die Folge davon w re eine h here Datenrate verbunden mit einem schnelleren Zyklus der Positionsbestimmung Ein sol ches Prinzip ben tigt einen leistungsstarken Mikroprozessor der es erm glicht drei Signale die durch die drei Empf nger entstanden sind zeitnah mit hoher Pr zision zu verarbeiten Alternativ kann man jeden Empf nger mit einem eigenen Prozessor ausstatten Es w re jedoch eine gute zeitliche Synchronisation der einzelnen Empfangsmodule notwendig um verwertbare Daten aus nur einem Sendesignal zu erhalten Ein weiterer Vorteil der durch dieses System entstehen w rde wurde im Kapitel n her erl utert Es handelt sich um Probleme die durch den Einsatz mehrerer dieser Einga beger te auf engem Raum hervorgerufen werden Wie bereits erw hnt kann immer nur ein Sendemodul zur Zeit einen Ultraschallimpuls aussehen um die Funktionalit t des Systems zu KAPITEL 7 ZUSAMMENFASSUNG 75 gew hrleisten Die Optimierung w rde die dadurch auftretenden Probleme minimieren Als Grundlage f r das Platinendesign wurden die Platinen der urspr nglichen IMAPS Mo dule verwendet Mikrokontroller Kommunikation zum Rechner Funkmodul Ultraschallmodul USB Kontroller Funk Kontroller Ultraschallsender empfaenger Spannungsversorgung und Stecker Spa
75. nn in einer sp teren Phase auch zur Kommunikation genutzt werden Es handelt sich hierbei um ein sich selbst organisierendes Funksensornetzwerk welches zur Ge winnung verschiedener Daten wie zum Beispiel der Temperatur genutzt wird Es wird ebenfalls die Infrastruktur liefern die f r ein Positionierungssystem der Rettungskraft notwendig ist Die Ausarbeitung Vergleich von Projekten im Bereich Sensornetze unter SAls Roboterzelle bezeichnet man den abgesperrten Arbeitsbereich des Roboters Dieser Bereich wird durch die Reichweite des Roboters bestimmt 7Hochschule f r Angewandte Wissenschaften Hamburg KAPITEL 1 EINLEITUNG 9 Leitstand f r Desaster Szenarien Andreas Piening Wearable Computer in Desaster Szenarien Steffen Hinck Ad hoc Sensometzwerk zur Geb ude berwachung und Navigation Amo Davids K IS PA dh X p A Q VW Wi N Di r p Abbildung 1 1 bersicht des Rescue Projekts Ber cksichtigung des Rescue Umfelds 2007 von Arno Davids besch ftigt sich mit diesem Teilbereich Rettungskr fte Auf den dritten Teilbereich die Rettungskr fte wird in diesem Dokument n her eingegangen Sie sollen in diesem Projekt differenziert mit Wearable Computing bei ihren jeweiligen Aufgaben optimal unterst tzt werden Als Beispiele w ren hier ein Posi tionierungssystem oder das bermitteln der Lebensdaten der Rettungskraft zu nennen 1 3 Gliederung Die Arbeit gibt nach der Einleitung in Kapitel eine
76. nngunsversorgung Abbildung 7 2 Konzeption der Platine Ein Mikrokontroller dient als Grundlage f r alle Rechenoperationen und f r die Koordinati on aller Abl ufe Er steuert das Zusammenspiel der 3 unteren Bereiche der Kommunikation mit dem Rechner der Funkkommunikation zu den anderen Modulen und dem Aussenden von bzw Horchen auf Ultraschallsignalen Die Kommunikation zum Rechner findet wie bereits oben beschrieben ber eine USB Schnittstelle statt Der Eingang und Ausgangsdatenstrom wird hierbei an einen f r die USB bertragung verantwortlichen Mikrochip gesendet Von dort werden die Daten anschlie end an den Rechner bertragen Es wird hierbei zur bertragung wie bisher das EIA232 Proto koll genutzt hnlich l uft die Funkkommunikation ab Der Datenstrom wird vom Mikrokontroller an ein Funkmodul bertragen und von dort werden die restlichen IMAPS Module des Systems angesprochen Diese Funkkommunikation ist notwendig um zu bestimmen welches Modul das Ultraschallsignal aussenden darf sowie um anhand des Funk und des Ultraschallsignals eine Laufzeit des Ultraschallsignals zu bestimmen Obwohl in der optimierten Version nur ein Sender genutzt wird ist diese Abstimmung dennoch notwending sollten mehr als eines dieser Eingabeger te am Einsatzort zugegen sein In Kapitel 6 5 wurden die m glichen Probleme beim Einsatz mehrerer dieser Eingabeger te bereits genauer erl utert Das Ultraschallsegment der Platine besteht
77. nter Betrachtung dieses Punktes entsteht ein alternatives Einsatzgebiet f r 3D Eingabeger te In einer virtuellen Umgebung bietet die Gestenerkennung zum Beispiel M glichkeiten anhand der aktuellen Position des Nutzers seine Orientierung im Raum anzu zeigen Auf diese Weise k nnen Bewegungen und Drehungen um die Achsen des Nutzers erm glicht werden Als ein Beispiel f r ein solches Forschungsprojekt soll das Computer Grafik Labor der ETH Z rich angef hrt werden Im Speziellen bietet hier die Arbeit von Doo Young Kwon und Markus Gross ber A Framework for 3D Spatial Gesture Design and Modeling Using a Wearable Input Device siehe Kwon und Gross 2007 vielversprechende Ans tze Zum Erkennen von Bewegungen wird bisher ein Eingabeger t welches mit Beschleuni gungssensoren versehen ist genutzt Die Bilder 2 14 und 2 15 verdeutlichen dieses Prinzip Die erfassten Bewegungsdaten werden ber zwei Mustervergleichstechniken in Eingabesigna le umgewandelt Bei den Mustervergleichstechniken handelt es sich um das Dynamic Time KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 26 Abbildung 2 14 Der Arbeitsraum des Nutzers Abbildung 2 15 M gliche Gesten einer Beispiel Anwendung eines Projekts der ETH Z rich KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 27 Warping DTW und das Hidden Markov Models HMMs welche beide in der einschl gigen Literatur eingesehen werden k nnen Ein interessantes neues Einsatzgebiet w
78. ntwicklung Im Folgenden werden die Ergebnisse des Projekts in Bezug auf ausgew hlte Bereiche n her beleuchtet 6 1 Genauigkeit Bereits im Vorfeld des Projekts waren mehrere Studien siehe Welzel 2007 vorangegange ner Arbeiten ber die Genauigkeiten des IMAPS Systems zur Positionsbestimmung bekannt Der verwendete Aufbau besteht aus 3 IMAPS Sendern und einem Empf nger der sich in etwa 50 cm Entfernung zu den Sendern befindet In diesem Bereich wird vorerst von einem optimalen Winkel zwischen den Sendemodulen und dem Empfangsmodul ausgegangen Die Winkelabh ngigkeit des Signals wird in Kapitel 6 3 erl utert In diesen Studien war die Entfernung zwischen den IMAPS Sendern und dem Empf nger oft um ein mehrfaches gr er als es bei uns der Fall ist Das hat sowohl Vor als auch Nachteile Beim Aufbau des IMAPS Systems f r das 3D Eingabeger t liegen die IMAPS Sender in einem Gebiet mit dem Radius von 15 cm Die bisherigen Studien wurden durch eigene Tests der Systemgenauigkeit erweitert Sie belegten ebenfalls eine Genauigkeit des IMAPS Systems von unter 10 Millimetern wenn ber einen bestimmten Zeitraum die Position ermittelt wurde w hrend sich der Empf nger nicht bewegte Dennoch kommt es zu Schwankungen zwischen den einzelnen Messergebnissen Die Bilder 6 1 und 6 2 welche eingehende Werte bei unver nderter Position 15cm und 27cm aufzeigen machen den Nutzen eines Filters f r diese Werte deutlich In den Bildern entspricht d
79. nver ndert in das Projekt bernommen Auf diese Weise war es m glich eine Kommunikation anhand des in Kapitel 5 4 2 erw hnten Protokolles zu konzeptionieren Die Software auf der Seite des Rechners liegt hingegen noch nicht vor Die oben bereits beschriebenen Aufgaben der Software belaufen sich vor allem auf die Kommunikation mit dem Empfangsmodul der Auswertung der Signale und der damit verbundenen Positionsbestim mung sowie der Umwandlung dieser Position in ein Signal z B zur Ansteuerung eines Maus zeigers Bild 4 5 beschreibt den groben Ablauf der Vorg nge Die Kommunikation mit dem Emp fangsmodul erfolgt ber eine serielle Schnittstelle Mittels dieser Kommunikationsschnittstelle werden Datens tze erhalten die jeweils eine ID des Senders dessen Position sowie eine Entfernung enthalten Das Gesamtsystem muss so angelegt werden dass es echtzeitf hig ist Prozesse m ssen innerhalb eines festgelegten Zeitraumes ablaufen da sonst eine Nutzung als Eingabeger t in Frage gestellt w re Um die Rahmenbedingungen eines solchen Systems zu gew hrleisten bietet sich an das Programm auf parallel ablaufende Prozesse aufzuteilen Das zeigt die Konzeption von Bild 4 6 Hier werden 3 Prozesse genutzt um bestimmte Vorg nge gleichzeitig KAPITEL 4 KONZEPTION 43 Serieller COM Port Abbildung 4 5 Grober Ablauf der Arbeitsschritte in der Software KAPITEL 4 KONZEPTION 44 ablaufen zu lassen Hierbei wurde in den Sens
80. onsverfahren 222 2 2 Homo n nn 29 3 2 Multilangulationsverfahren a1 b1 usw sind die jeweils bekannten Winkell 30 4 1 Positionierung der Module am K rper Fr he Zeichnung optimale Positionierung E A A e gel 34 4 2 QRT Rechner und ein Virtual Retinal Display 34 4 3 IMAPS Empfangs und Sendemodull 2 222222 nn 40 4 4 Ausbreitung des Ultraschallkegels 0 41 4 5 Grober Ablauf der Arbeitsschritte in der Software 43 4 6 Erste Struktur der Software 45 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 79 5 1 Skizze des Platinenaufbausl 47 an re AN 49 5 3 Sequenzdiagramm der Abl ufe zwischen den Prozessen 52 5 4 LR WPAN Ger te Architektur o 2 53 5 5 IMAPS Protokoll zwischen Empfangsmodul und Rechner 54 5 6 Aufbau eines INPUT SIGNALS der Windows APl 2 2 2222 2220200 57 da une a ee a ee da a ee ee 59 re 61 a se 62 6 1 Genauigkeit der Messung bei gleichbleibender Position 15 cm Abstand zwi EE EE Ee 64 EE 64 6 3 Das Empfangsmodul befindet sich in 35 cm Abstand zum Sendemodul Der Empf nger ist 20 cm seitlich versetzt Die roten Pfeile zeigen die Orientierung des Empfangsmodules an 2 222222 2 nn nn nn 66 6 4 Einfluss der Orientierung des Empf ngsmodules zum Sender Der empfohlene 60 Winkel liegt zwischen 30 und 30 auf der X Achse 66 7 1 M gl
81. oreingang die Positionsberechnung und die Anzeige der Daten unterteilt Zum Datenaustausch zwischen den Prozessen werden Daten strukturen genutzt auf die jeder der Prozesse zugreifen kann Es handelt sich hierbei um die Strukturen Empfangene Daten und Positionsdaten Der Prozess Sensoreingang ist f r die Kommunikation zum Empfangsmodul welcher hier als ein Sensor verstanden wird zust ndig Er erh lt die empfangenen Daten der Sendemodule und f gt diese in die Datenstruktur Empfangene Daten ein Es handelt sich hierbei um die ID des jeweiligen Senders dessen Position und die Zeitdifferenz zwischen dem Funksignal und dem Eingang des Ultraschallimpulses So befinden sich kurz nach dem Start des Pro gramms die Informationen der 3 Sender mit ihren Daten innerhalb der Datenstruktur Der Prozess Positionsberechnung liest die Daten aus dieser Struktur und nutzt sie um die relative Position des Empfangsmoduls zu den Sendern zu bestimmen Nach Abschluss der Rechnung wird die Position in die Datenstruktur Positionsdaten bergeben Der Prozess Anzeige nutzt diese Positionsdaten f r das Setzen des Zeigers innerhalb der Benutzerumgebung Hierf r wird in diesem speziellen Fall die Windows API herangezogen mit deren Hilfe Signale an das Betriebssystem gesendet werden k nnen die z B zum Setzen des Mauszeigers genutzt werden 41 dentifikationsnummer KAPITEL 4 KONZEPTION Prozess 1 Sensoreingang
82. r den Modulen 34Time Difference of Arrival KAPITEL 4 KONZEPTION 38 4 2 3 CPD GPS In Bezug auf Outdoor Einsatzgebiete verdient ein auf GPS basierendes System in diesem Kontext Erw hnung Es handelt sich um das Carrier Phase Differenzial GPS Das GPS ist in der Lage die Position eines Empf ngers auf jedem Ort der Erde festzu stellen von dem aus Funkkontakt zu mindestens vier Satelliten besteht Theoretisch w rden bereits drei Satelliten ausreichen um die genaue Position zu bestimmen dabei w rde jedoch von einer Position unmittelbar auf der Erdoberfl che ausgegangen werden also von einer H he von null Metern Um auch die H he zu erfassen also eine dreidimensionale Positionsbestim mung durchf hren zu k nnen muss auf mindestens vier Satelliten zur ckgegriffen werden Das Prinzip der Positionsbestimmung basiert auf der Berechnung der Laufzeiten von st n dig von den Satelliten ausgestrahlten Signalen Diese Signale enthalten Informationen dar ber um welchen Satelliten es sich handelt an welcher Position sich dieser befindet und zu welchem Zeitpunkt das Signal auf den Weg geschickt wurde In mindestens 90 Prozent der Messungen betr gt die Abweichung nun weniger als 10 Meter Dies ist f r unsere Zwecke nat rlich viel zu ungenau Eine M glichkeit die Genauigkeit von GPS stark zu verbessern ist das Verfahren des Differentiellen GPS Aus einer sehr exakt bekannten Position und einem GPS Signal l sst sich ein Korrekturwert
83. rammiersprache C geschrieben worden was einer f r die Verwendung der Sprache C war Als Nachfolgesprache zu C kann sie meist problemlos auf den C Programmcode zugreifen Die Windows API wird innerhalb dieses Projekts dazu genutzt den Mauszeiger aus der Software heraus zu steuern So werden vorerst nur zwei Dimensionen angesprochen dass hei t es werden nur 2 der 3 m glichen Werte des Steuersignales genutzt Dennoch ist es eine sehr einfache Veranschaulichung des Systems und bereits ein teilweiser Funktionsnachweis Genauere Informationen ber die Darstellung finden sie in Kapitel 5 1 INPUT ipSignal ipSignal type INPUT_MOUSE ipSignal mi dx posX ipSignal mi dy posY ipSignal mi mousebata OL ipSignal mi dwFlags MOUSEEVENTF_ABSOLUTE MOUSEEVENTF_MOVE ipSignal mi time OL ipSignal mi dwExtralnfo OL SendInput 1 ipSignal sizeof ipSignal Abbildung 5 6 Aufbau eines INPUT SIGNALS der Windows API Von den zur Verf gung stehenden Funktionaltit ten ist f r dieses Projekt vorerst nur das Windows User Interface interessant Es enth lt unter anderem die ben tigten Funktionen um das Mauszeigersignal zu steuern Hierf r steht eine Funktion zur Verf gung die ein Eingabe sigal Input Signal siehe Bild 5 6 an das Betriebssystem sendet In unserem Fall handelt es sich um ein synthetisches Maussignal Das Eingabesignal enth lt die Typbezeichnung Mouse Event INPUT MOUSE was von Wichtigkeit ist da
84. rekt zum Hybrid Input De vice Eye of Ra f hrt Das System besteht aus aus einem stereoskopischen Display das in Verbindung mit ei ner entsprechenden Brille eine 3D Sicht auf das Objekt z B die Nahaufnahme einer Leber erm glicht und einem Touchscreen Display Das Ziel ist es durch das Touchscreen Display gleichzeitig 3D und 2D Handhabung der angezeigten Objekte zu erm glichen Hinzu kommt das Eingabeger t f r 3D und 2D Anwendungen auf dem unser Fokus hier liegen soll Wie im Projekt SpaceActor erfolgt die 3D Ortung des Eingabeger tes durch 4 fest installierte Infrarot kameras Neben dem Eingabeger t findet ebenfalls ein Tracking des Kopfes und der Blickrichtung statt realisiert durch das gleiche Ortbare Konstrukt wie am Eingabeger t welches hierf r an einer Halterung am Kopf befestigt ist Das Eingabeger t siehe Bild 2 6 besitzt neben dem Aufbau zur 3D Ortung eine Spitze f r die Pencil Funktion des Touchscreens 2 Buttons und ein Mausrad Es wurde versucht von den Benutzern akzeptierte Funktionalit ten anderer Eingabeger te wie z B der Maus somit in das Eye of Ra zu integrieren Wie auch bei demSpace Actor Projekt stellt der Kostenfaktor ein gro es Hindernis f r die 12 angl verfolgen eine Positionsbestimmung KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 15 ses Projekts dar wenn es darum geht es in den Alltagsgebrauch zu berf hren Es bleibt zu hoffen dass sich die Preise von ber 10 000 Euro pro Pr zis
85. rstellt werden welches dann mit den Steuerbefehlen des Zeigersignales an das Betriebssystem geschickt wird 5 4 8 Messungenauigkeiten und Filter Innerhalb des Projekts konnte festgestellt werden dass die errechneten Positionen bei einer direkten Verwertung aller Daten zu sprunghaften Ver nderungen neigen Die Ursachen hierf r waren vor allem in Messungenauigkeiten zu finden die vielf ltigen Ursprungs sein k nnen Ung nstiger Winkel zwischen Sendern und Empf ngern Dies resultiert darin dass nur ei nige oder sogar keine der Sendemodule empfangen werden Einige Werte ndern sich dadurch nicht zeitnah Spiegelungen des Ultraschallsignales Dies wird ebenfalls durch einen ung nstigen Winkel zwischen den Modulen hervorgerufen Der direkte Ultraschallimpuls erreicht den Emp f nger nicht aber seine Spiegelung an einem Objekt erreicht ihn Eine gr ere zeitliche Verz gerung ist die Folge Ung nstige Sendereihenfolge Jeder Sender berpr ft ob gerade ein anderer Sender einen Impuls aussendet bevor er dieses tut Dies kann dazu f hren dass ein Sendemodul mehrfach nacheinander sendet w hrend andere weiter warten Zu schnelle Bewegungen Das System ist auf die empfangenen Signale zur Positionsbestim mung angewiesen Die Wiederholung der Messungen findet in einem betimmten Inter vall statt welches sich auch bei schnellen Bewegungen nicht ndert Die Folge ist dass nur wenige Punkte auf einer zur ckgelegten Strecke bekannt
86. s Risiko von Messfehlern durch systemfremde Ultraschallmodule geringer doch w rde eine solche Absprache in einer deutlich geringeren Datenrate der Messwerte resultieren welche das Empfangsmodul an den jeweiligen Rechner liefert Die M glichkeit der Beeinflussung auf Grund von Reflexionen kann wegen der Position der Rettungskr fte zueinander ansteigen KAPITEL 6 ERGEBNISSE DER PROTOTYPENENTWICKLUNG 69 Sollte von einer system bergreifende Abstimmung der Sendemodule der einzelnen Eingabe ger te abgesehen werden so g be es kein Problem mit den Datenreihen Allerdings steigt die Wahrscheinlichkeit von Messfehlern der einzelnen Systeme wenn sie systemfremde Ul traschallimpulse f lschlich Sendern ihres Systems zuordnen Der Range Filter mag hierbei die Messergebnisse ausreichend absichern entsprechende Testreihen m ssen jedoch noch durchgef hrt werden 6 5 1 Auswirkungen dieser Probleme und deren Einstufung Die Umweltbedingungen beeinflussen das Projekt unterschiedlich stark Innerhalb des Pro jekts wird davon ausgegangen dass das gr te Problem f r das Eingabeger t aus dem Rauch und der Hitze resultieren k nnen W hrend der Prototyp noch anf llig f r alle diese Umweltbedingungen ist wird davon ausgegangen dass ein robustes und wasserfestes Design ohne weiteres umzusetzen ist Der Einfluss von Hitze auf die Schallgeschwindigkeit und die damit verbundenen Messer gebnisse kann durch eine Kalibrierung ausgeglichen
87. sendet wird Das erste Funkmodul ermittelt die Zeit die vergeht bis es das Echo seines Signals emp f ngt Diese gemessene Zeit wird halbiert und anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals wird auf eine Entfernung geschlossen Laufzeitunterschied engl time difference of arrival Der Laufzeitunterschied TDoA nutzt ein Verfahren mit zwei Signalen um die die Entfernung zwischen Sender und Emp f nger zu ermitteln Die eingesetzten Signale verf gen ber unterschiedliche Ausbrei tungsgeschwindigkeiten Der Empf nger errechnet mit dem Zeitunterschied der Ankunft der Signale eine Entfernung Dieses Verfahren kann alternativ auch mit einem Sender welcher nur ein Signal aussendet und zwei synchronisierten Empf ngern umgesetzt werden Signalst rke F r die Berechnung einer Entfernung mit diesem Verfahren ben tigt man pr KAPITEL 3 GRUNDLAGEN BENUTZTER TECHNIKEN 31 zise Daten Ober das Verlustverhalten der Signalst rke Der Empf nger nutzt Daten aus Referenzmessungen um eine Entfernung des Senders abzusch tzen Durch Reflexio nen an Geb ude Personen oder Gegenst nden stellt sich die Gewinnung pr ziser Da ten ber das Verlustverhalten eines Signals schwierig dar 3 2 Mathematische Grundlagen der Positionsbestimmung Das mathematische Verfahren welches in diesem Projekt zur Positionsbestimmung genutzt wird wird Multilateration genannt Es handelt sich hierbei um ein Verfahren bei dem eine unbekannte Posi
88. sind An dieser Stelle k nnen verschiedene Filter genutzt werden um diesem sprunghaften Ver halten vorzubeugen Range Filter Durch Studien der Ergonomie ist ein nutzbarer Arbeitsraum bekannt und da mit auch ein Ergebnisraum der wahrscheinlich gemessenen Entfernungen Gemessene Werte k nnen entsprechend berpr ft werden ob sie innerhalb des Ergebnisraumes liegen Wenn diese Werte prozentual weit au erhalb des Ergebisraumes liegen han delt es sich bei ihnen mit hoher Wahrscheinlichkeit um Messfehler die aufgrund von Reflexionen oder einem Kommunikationsfehler zwischen Empf nger und den Sendern entstanden sind Mittelwert Filter Dieser Filter bildet einen mathematischen Mittelwert das arithmetische Mit tel ber eine Anzahl von jeweils X Y und Z Elementen Zum Bilden des Mittelwertes werden alle einzelnen Werte der X Y und Z Elemente addiert und anschlie end durch KAPITEL 5 UMSETZUNG 61 die Anzahl der Werte geteilt 78 Auf diese Weise werden die Bewegungen gegl ttet und erscheinen bei schnell eingehenden Ergebnissen flie ender als zuvor Sprunghafte Ver nderungen werden gemindert wie in Bild 5 8 zu erkennen ist In der Grafik entspricht der Wert 500 dabei etwa 15cm Median Filter Der Median Filter siehe Bild dient vor allem dazu Werte die aus der Reihe fallen auszublenden Zum Bilden des Medians wird eine Zahlenreihe betrachtet die zuvor nach ihrer Wertigkeit sortiert wurde Bei einer Anzahl von n
89. sitionierung f r die digitale Erfassung raumbezogener Daten im Gel n de 1995 BUCHER 2001 BUCHER D A Synthesizable VHDL Model of the Exact Solution for Three dimensional Hyperbolic Positioning System 2001 Davids 2007 Davips Anro Vergleich von Projekten im Bereich Sensornetze unter Ber ck sichtigung des Rescue Umfelds HAW Hamburg 2007 LITERATURVERZEICHNIS 81 Fischer 2007 FISCHER Christian Entwicklung eines multimodalen Interaktionssystems f r computergest tzte Umgebungen HAW Hamburg Diplomarbeit 2007 Florian Vogt 2004 FLORIAN VOGT Reynald Hoskinson Sidney F A Malleable Surface Touch Interface Human Communication Technologies Laboratory The University of British Columbia Veranst 2004 Franz Lehner 2005 FRANZ LEHNER Henrik S Mobile Anwendungen dpunkt Verlag 2005 FTDI 2005 FTDI EVAL232R FT232RL USB to RS232 Evaluation Module Future Techno logy Devices International Ltd Veranst 2005 Gregor 2006 GREGOR Sebastian Bachelorarbeit Entwicklung einer Hardwareplattform f r die Ermittlung von Positionsdaten innerhalb von Geb uden HAW Hamburg 2006 Forschungsbericht Hinck 2006 Hinck Steffen RESCUE Wearable Computer in Desaster Szenarien 2006 Hinck 2007 HINcK SENEN ee Computing in Desaster Szenarien ar a TE IEEE 2003 IEEE IEEE Standard 802 15 4 2003 2003 URL http standards ieee org getieee802 download 802 15 4 2003 pdf Jackie Lee 2005 JACKIE
90. skabel sein Die Software auf der Rechnerseite kann dadurch in einem nicht definiertem Zustand enden Um dieses Problem zu verhindern kann das Abglei ten in einen nicht definierten Zustand innerhalb der Software abgefangen werden Die Verbindungsaufnahme wird als nicht erfolgreich gewertet Der Prozess versucht es im n chsten Zyklus erneut Gleichzeitiger Zugriff mehrerer Prozesse auf Daten In der Software Architektur gibt es zwei globale Datenstrukturen auf die mehrere Prozesse zugreifen m ssen Ein zeitglei cher Zugriff k nnte in Datenwerten resultieren die das System ebenfalls in einen nicht definierten Zustand berf hren Zur L sung dieses Problemes bieten sich Semaphoren an die einen gleichzeitigen Zugriff von mehr als einem Prozess verhindern Jeder der beiden Datenstrukturen ist ein Semaphore zugeordnet Will ein Prozess auf eine dieser Datenstrukturen lesend oder schreibend zugreifen so pr ft er zuerst die Verf gbarkeit des Semaphore Ist diese blockiert so wartet der Prozess bis diese wieder freigegeben wird Der genaue Ablauf kann auf dem Sequenzdiagramm Bild 5 3 eingesehen werden Unrealistische Werte auf Grund von Messfehlern Messfehler bei den ermittelten Entfer nungen zwischen Sender und Empf nger k nnen leicht zu Programmfehlern innerhalb der Positionsberechnung f hren Es handelt sich hierbei ggf um negative oder sehr ho he Werte Um solche Extremwerte auszuschlie en werden Filter genutzt Die genaue Funktionsw
91. t f r eine unkomplizierte Nutzung ausreichend ist Sollte dies f r spezielle Anwendungen nicht ausreichen ist eine M glichkeit die Winkel anh ngigkeit zu reduzieren also mehrere Ultraschallempf nger am gleichen Empfangsmodul anzubringen Sie w rden so angebracht werden dass sie den Arbeitswinkel durch die gegen seitige Erg nzung vergr ern w rden Es muss dabei allerdings ber cksichtigt werden dass KAPITEL 6 ERGEBNISSE DER PROTOTYPENENTWICKLUNG 66 Empf nger oO N 45 35cm e D Sender Abbildung 6 3 Das Empfangsmodul befindet sich in 35 cm Abstand zum Sendemodul Der Empf nger ist 20 cm seitlich versetzt Die roten Pfeile zeigen die Orientierung des Empfangs modules an 2000 1900 1800 1700 1600 Gemessener Wert 1500 1400 45 30 15 pe 139 30 45 Winkel zwischen Sender und Empf nger Abbildung 6 4 Einfluss der Orientierung des Empf ngsmodules zum Sender Der empfohlene 60 Winkel liegt zwischen 30 und 30 auf der X Achse KAPITEL 6 ERGEBNISSE DER PROTOTYPENENTWICKLUNG 67 es vorkommen kann dass so ein Ultraschallsignal mehrfach wahrgenommen wird Entspre chend sollte in diesem Fall nur das Signal das zuerst empfangen wurde von Bedeutung sein Alternativ w re es auch m glich den Radius durch den Einsatz weiterer Sendemodule zu erweitern 6 4 Nicht verwendete Bibliotheken An dieser Stelle sollen auch Bibliotheken genannt werden die nur zeitweise
92. t dar Aus diesen Gr nden fiel die Entscheidung zugunsten der Ultraschallmodule als Hardware grundlage 4 2 5 Die IMAPS Module Die IMAPS Module der HAW HAmburg sind Positionierungs Module f r den Einsatz innerhalb von Geb uden welche auf den Entwicklungen von Sebastian Gregor siehe Gregor 2006 und dem Cricket System siehe Miu 2002 aufbauen erf llten die Kriterien f r die Hardwa reauswahl Durch vorangegangene Projekte ist detailiertes Wissen ber die Technik und die Anwendung dieser Module verf gbar Die Module sind mit einem ZigBee Funkmodul ausgestattet und verf gen ebenfalls ber einen Ultraschallsender oder empf nger Derzeit nutzen die IMAPS Module ein System von vielen Sendern mit bekannten Positionen und einem wenigen Empf ngern deren Positionen zu bestimmen sind Die Sendemodule berpr fen ob sie ein Funksignal eines anderen Modules empfangen Falls dem nicht so ist leiten sie selber einen Broadcast ein der den anderen Modulen mit 37 indoor distance measurement and positioning system 38 Ein Positionierungssystem des MIT dem Massachusettes Institut of Technologie f r den Einsatz in Geb uden 39 ZigBee ist ein offener Funknetz Standard der ZigBee Allianz basierend auf dem IEEE 802 15 4 Standard ZigBee erm glicht es Ger te auf Kurzstrecken 10 100 m zu verbinden KAPITEL 4 KONZEPTION 40 Abbildung 4 3 IMAPS Empfangs und Sendemodul KAPITEL 4 KONZEPTION 41 t
93. t stellen dass sich diese Eingabetechnik neben den bisherigen Touchpads dessen Vorz ge sie ebenfalls bietet etablieren k nnte Durch die Nutzung einfacher Videotechnologie verspricht dieses Eingabe ger t sollte es die Marktreife erreichen eine g nstige Alternative zu vielen Touchpads und 3D Eingabeger ten zu werden 13 Malleable Surface Interface Formver nderndes Oberfl chen Interface KAPITEL 2 TECHNOLOGIEN 16 Abbildung 2 7 Malleable Surface Interface 2 1 5 Datenhandschuh Der 3D Handschuh oder auch Datenhandschuh ist bereits zu Beginn der ersten VR Um gebungen entwickelt worden Das Ziel bei der Entwicklung der ersten Datenhandschuhe war die Interaktion des Nutzers mit einer virtuellen 3D Umgebung zu erm glichen Er soll das Be wegen und Greifen von Objekten innerhalb eines definierten virtuellen Raumes realisieren aber auch als als Eingabem glichkeit dienen um eine Steuerung innerhalb dieser Umgebung zu erm glichen An dieser Stelle wird nicht auf ein spezielles Modell eingegangen sondern ein kurzer Einblick in die von ihnen genutzte Technik gegeben Die g ngigste Variante solche Handschuhe umzusetzen bestand in der Nutzung von Deh nungsmessstreifen welche auf einem Handschuh z B auf dem Fingerr cken befestigt sind Dehnungsmessstreifen ver ndern je nach Biegung ihren Wiederstand und k nnen daher ge nutzt werden um eine Ver nderung in der Haltung der Hand zu registrieren Um dem Benutz
94. tion anhand von vier Entfernungen zu bekannten absoluten Bezugpunkten berechnet wird Jeder dieser Bezugspunkte besitzt entsprechend einen X Y und Z Wert Die vier Entfernungen und deren jeweilige Bezugspunkten werden in die Gleichung 3 1 eingesetzt So ergeben sich vier Gleichungen mit drei Unkenannten Ein solches Gleichungs system kann eindeutig gel st werden In Gleichung 8 1 stehen x y und z f r die unbekannte Position des Empf ngers x y und z stellen die jeweilige Position des Bezugspunktes dar mit i als Index welcher den Sender bezeichnet v xt gibt die berechnete Entfernung des Senders zum Empf nger wieder wobei es sich bei v um die Signalgeschwindigkeit handelt und bei ti um die Laufzeit des Signals vom Sender zum Empf nger Im dreidimensionalen Raum kann man es sich so vorstellen dass jede Entfernung sich kugelf rmig um ihren Bezugspunkt erstreckt Im Schnittpunkt dieser 4 Kugeln befindet sich der Empf nger Die Gleichung wird als euklidischer Abstand bezeichnet hier im speziellen f r den dreidimensionalen Raum KR y z di vt 3 1 Durch die Nutzung der atomaren Multilateration l sst sich die Anzahl der notwendigen Messwerte und den dadurch erhaltenen Entfernungen auf 3 reduzieren um eine absolute physikalische Positionsinformation bereitzustellen Der Grund hierf r liegt in der Tatsache dass aich alle Bezugspunkte auf einer Ebene befinden Dadurch wird der Wert Zi f r alle Gleichungen auf nul
95. traschallmodule 3 Sendemodule und ein Empfangsmodul wurden somit die Grundlage des Projekts Aus zeitlichen Gr nden wurde im Verlauf des Projekts auf eine kom plette berarbeitung der Hardware verzichtet Erst im Laufe der Ergebnisse boten sich immer mehr Verbesserungsideen an die noch in Kapitel 7 2 erl utert werden Die Entwicklung der Software war mit der Sichtung und dem Testen vieler Bibliotheken und Multilaterations Algorithmen verbunden Hierbei wurden viele Erkenntnisse ber die Einsatz gebiete dieser Bibliotheken gewonnen sowie Gr nde warum diese f r den aktuellen Stand des Projekts nicht in Frage kommen Der vermeintlich einfache Weg eine vorgefertigte L sung f r die Multilateration in das Projekt einzubinden erwies sich aufgrund der Spezialisierung der einzelnen Multilaterations Bibliotheken f r spezielle Anwendungen als eine Fehlentscheidung Die Nutzung f r die Zwecke des Projekts erschien bei n herer Betrachtung als nicht vorteilhaft oder war mit einem erheblichen Mehraufwand verbunden Daher wurde letztendlich die Multilateration im Rahmen des Projekts nicht durch eine ferti ge Funktion einer Bibliothek sondern als Matrix Berechnung auf Grundlage der LTI Lib umge setzt Nach der vollst ndigen Implementierung stand ein erster Prototyp zur Verf gung der den Anforderungen an die Eingabem glichkeiten und die Mobilit t entsprach Auf Grund der Tests kann gesagt werden dass durch die aktuelle Taktrate der Sendemo dule
96. u einer unbekannten Position bekannt siehe Bild 3 2 Fixpunkt 2 TT Gemessene Entfernung Abbildung 3 1 Multilaterationsverfahren Diese beiden Verfahren lassen sich bei Bedarf auch kombinieren Da im weiteren Verlauf der Arbeit die Multilateration von Wichtigkeit sein wird ist ihr ein eigenes Kapitel siehe Kapitel gewidmet Um die f r die Multilateration ben tigten Entfernungen zu ermitteln werden derzeit 4 verschiedene Verfahren angewendet 27 Trilateration und Triangulation werden hierbei ebenfalls durch die Multilateration und die Multiangulation abge deckt KAPITEL 3 GRUNDLAGEN BENUTZTER TECHNIKEN 30 Fixpunkt 1 Fixpunkt 3 Fixpunkt 2 Abbildung 3 2 Multilangulationsverfahren a1 b1 usw sind die jeweils bekannten Winkel Signallaufzeit engl time of flight Das Verfahren der Signallaufzeit ToF bestimmt die Laufzeit eines Signals dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit bekannt ist und dessen Sendezeit dem Empf nger bekannt ist Es setzt daher voraus dass der Sender und der Empf nger ber synchronisierte Uhren verf gen Um die Entfernung zwischen dem Sender und dem Empf nger zu ermitteln wird die gemessene Zeit mit der Ausbreitungs geschwindigkeit multipliziert Rundenzeit engl round trip time Die Rundenzeit RTT ermittelt die Entfernung durch die Laufzeit eines ausgesendeten Signals Ein Funkmodul sendet ein Signal aus wel ches von einem weiteren Funkmodul empfangen und erneut ausge
97. v arbeiten k nnen Aktive Module verf gen ber eine eigene Energieversorgung Sie befinden sich normalerweise in einem Ruhezustand bis sie ein Aktivierungssignal erhalten auf welches hin sie ihre Daten ausse hen Bei den genutzten Verfahren liegt die Reichweite der aktiven Module bei etwa 100 Metern Die passiven RFID Module haben hingegen keine eigene Energieversorgung Ihre Be triebsspannung erhalten sie ber einen Kondensator welcher sich durch die als Antenne genutzte Spule mittels Induktion aufl dt Die passiven RFID Module werden also durch das 30 Radio Frequency Identification 31 Positionsbestimmung innerhalb von Geb uden 32Es handelt sich hierbei im Allgemeinen um eine Batterieversorgung die jedoch nicht f r das Senden des modulierten R cksignals genutzt wird KAPITEL 4 KONZEPTION 37 Leseger t mit welchem sie kommunizieren direkt aufgeladen Der Nachteil dieser Technik ist in der Reichweite zu finden welche sich auf einen maximalen Raum von einigen Zentimetern beschr nkt RFID Module k nnen durch das Verfahren welches anhand der Messung der Signalst rke einen R ckschluss auf die Entfernung zul sst f r dieses Projekt eingesetzt werden Mittels dreier RFID s kann so mithilfe eines beschr nkten Wertebereiches die Position des Emp fangsmodulen bestimmt werden Dieses Prinzip der Ortung wird zum Beispiel bei der Ortung von WLAN Access Points genutzt In diesem Bereich wies es erstaunliche Erfolge und
98. w re z B ein Schritt in diese Richtung In vielen Bereichen ist derzeit ein deutlich steigender Bedarf an 3D Eingabeger ten zu erkennen Als Bespiele sollen hier die Medizin Konstruktion und Architektur genannt sein In Zeng tragbare im Sinne von Kleidung Datenverarbeitung Hierbei handelt es sich um das Forschungsgebiet das sich mit der Entwicklung von tragbaren Computersystemen besch ftigt 3HUD Head Up Display Eine Arbeitsumgebung in der mehrere Nutzer zusammen in einer multimedialen Umgebung ein Problem l sen 5Kontextsensitivit t Das Verhalten des Systems wird der Umgebung Situation angepasst KAPITEL 1 EINLEITUNG 8 den meisten F llen handelt es sich um station re Anwendungen Aber es ist auch ein Bedarf f r mobile 3D Eingabeger te absehbar Als ein weiteres Beispiel neben der Rettungskraft soll hier ein Ingenieur dienen der die Ro boter in den Produktionsanlagen seines Unternehmens kontrolliert Er ist ebenfalls mit einem HUD ausgestattet das ihm die Bewegungen der Roboter anhand ihres aktuellen Programmes vorf hrt Durch die 3D Eingabe kann er leicht mit der Darstellung interagieren und so Schl sse ziehen ob die neue Programmierung innerhalb der Roboterzelle sicherheitsunbedenklich ist Durch diese Pr fung erkennt der Ingenieur ob es zu einer Kollision w hrend der Arbeitsschritte kommen w rde Die neue Software wird zur erneuten berarbeitung an die Entwicklungsab teilung gegeben Ein hoher Schade
99. xtremen Bedingungen Der Einsatz im Bereich der Rettungskr fte stellt eine gro e Herausforderung an die Technik dar Die Umgebung ist alles andere als optimal f r Ultraschallmodule Hitze Die Hitze die am Einsatzort durch ein Feuer entstehen kann beeinflusst nicht nur die Rettungskr fte selber sondern auch die Ultraschallmodule Durch die Hohen Tempera turen wird die Schallgeschwindigkeit erh ht was entsprechend zu einer Desensibilisie rung der Eingabe f hrt Rauch Der Rauch kann zu Verh ltnissen mit keinerlei optischer Sicht f hren Dies mag die Ultraschall Impulse zwar nicht beeinflussen allerdings k nnen durch die Vielzahl der Ru partikel in der Luft Reflektionen des Ultraschallimpulses entstehen die dann wie derrum zu fehlerhaften Daten f hren Wasser Der Einsatz von Wasser als L schmittel f hrt zu N sse und einer hohen Luftfeuch tigkeit Entsprechend ist eine Voraussetzung f r den Einsatz dieser Ger te dass sie wasserdicht konzeptioniert werden Das ist beim Prototypen noch nicht der Fall Widrige Umgebung Ein robustes Design ist notwendig um Sch den bereits bei geringen Schlag oder Sto einwirkungen auszuschlie en Neben diesen m glichen Umgebungsbedingungen ergeben sich durch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Ger te bei verschiedenen Rettungskr ften Probleme Wenn die Sendemo dule der einen Rettungskraft ebenfalls mit den Sendern der anderen kommunizieren und ihre Sendeimpulse mit ihnen abstimmen ist da

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