Development of a low cost tightly-coupled gnss integrated visual inertial navigation system solution
Düşük maliyetli sıkı bağlı GNSS entegre görsel ataletsel seyrüsefer sistemi çözümünün geliştirilmesi
- Tez No: 1005532
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT DURMAZ, DOÇ. DR. HASAN YILDIZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Geodesy and Photogrammetry, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Geomatik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
GNSS sinyallerinin zorlayıcı olduğu ortamlarda hassas ve gürbüz seyrüsefer, özellikle düşük maliyetli sensörlere dayanan robotik ve taşınabilir uygulamalar için temel bir sorun olmaya devam etmektedir. Sıkı bağlı görsel–ataletsel–GNSS seyrüsefer sistemleri bu tür koşullarda oldukça umut vaadedici olsa da, başarımları çoğunlukla nispeten pahalı algılayıcı altyapıları kullanılarak doğrulanmaktadır. Buna karşılık, bu yaklaşımların düşük maliyetli ve tüketici sınıfı algılayıcılara uygulanabilirliği geçmiş çalışmalarda daha az incelenmiştir. Raspberry Pi tabanlı bir hesaplama birimi, u-blox ZED-F9P GNSS alıcısı, Xsens ataletsel algılayıcı ve küresel-deklanşör kameralardan oluşan özel bir çoklu algılayıcı altyapısı geliştir- ilmiş ve Robot İşletim Sistemi (ROS) içerisinde birleştirilmiştir. Aynı zamanda, bir Android akıllı telefondan elde edilen GNSS ölçümleri, özel olarak geliştirilen bir taşınabilir uygulama aracılığıyla ROS ortamına aktarılmış ve aynı sıkı bağlı kaynaştırma hattı içerisinde işlenmiştir. Başarım değerlendirmesi için esas konum sağlamak amacıyla gerçek zamanlı kinematik (RTK) yöntemi kullanılmıştır. Önerilen altyapı kullanılarak, gerçek çalışma koşullarını temsil edecek şekilde üç farklı deneysel veri kümesi toplanmıştır. İki yaya veri kümesi—Spor Sahası ve Kampüs Yürüyüşü—sırasıyla açık gökyüzü ve şehir benzeri ortamlarda kaydedilmiştir. Buna ek olarak, Kampüs Sürüşü adlı araç tabanlı veri kümesi, daha yüksek hız ve değişken algılama koşullarını yansıtmak amacıyla bir üniversite kampüsü içerisindeki yollarda toplan- mıştır. Benzer şekilde, asli GVINS çerçevesi de bir spor sahası, bir kampüs alanı ve bir şehir ortamında toplanmış, herkese açık üç farklı veri kümesi ile birlikte sunulmaktadır. Bu tezde, GVINS çerçevesi hem önemli ölçüde düşük maliyetli bir donanım altyapısı ile toplanan yeni veri kümeleri hem de asli GVINS veri kümeleri kullanılarak çeşitli koşullarda nizami olarak değerlendirilmiştir. Önerilen altyapıdan elde edilen ölçümler, farklı uydu yük- seklik eşik açıları (30°, 45° ve 60°) kullanılarak işlenmiş ve elde edilen sıkı bağlı çözümler, aynı yükseklik eşiklerini kullanan bağımsız tek nokta konumlama (SPP) çözümleri ile doğru- dan karşılaştırılmıştır. Ayrıca, düşük maliyetli alıcılar için kod seviyesindeki iyileştirmelerin etkisini incelemek amacıyla, tek frekanslı sözde-uzaklık ölçümlerine Hatch süzgeci ile taşıyıcı faz tabanlı yumuşatma ve fark kod yanlılık (DCB) düzeltmeleri asli GVINS veri kümeler- ine uygulanmıştır. Bunun yanı sıra, görsel ön uç seçiminin etkisi, geleneksel köşe tabanlı öznitelik çıkarım yöntemlerinin SuperPoint ve LightGlue tabanlı derin öğrenme yaklaşımları ile değiştirilmesi yoluyla incelenmiştir. Son olarak, akıllı telefon sınıfı GNSS ölçümlerinin GVINS çerçevesinde kullanılabilmesi için çeşitli uyarlamalar yapılmış ve bu ölçümlerin sıkı bağlı kaynaştırma hattı içerisindeki kullanılabilirliği ve kararlılığı değerlendirilmiştir. Deneysel sonuçlar, sıkı bağlı görsel–ataletsel–GNSS birleştirilmesinin, özellikle 60° yükseklik eşiğinin uygulandığı durumlar gibi uydu görünürlüğünün azaldığı ve zorlu şehir koşullarında, bağımsız SPP çözümlerine kıyasla dayanıklılığı ve çözüm sürekliliğini önemli ölçüde artırdığını göstermektedir. Açık gökyüzü koşullarında başarımları benzer seviyelerde kalırken, kent benzeri ortamlarda elde edilen sonuçlar, başlangıç noktası ve saat durumlarına bağlı olarak %63'e varan iyileşmeler ortaya koymaktadır. Tek frekanslı GNSS ölçümleri için, taşıyıcı faz sürekliliğinin korunduğu veya döngü kayması oranının %1'in altında kaldığı durumlarda, Hatch süzgeci ile yapılan sözde-uzaklık yumuşatma ve DCB düzeltmelerinin birlikte kullanılması, RMS hatalarını %43'a kadar azaltmakta ve bu koşullar altında güncel PPP-VINS ve DGVINS çalışmalarından daha iyi başarım sağlamaktadır. Buna ek olarak, derin öğrenme tabanlı görsel ön uçlar, daha güvenilir öznitelik eşleştirmeleri sağlayarak şehiriçi ortamlarda dayanıklılığı artırmakta; olumsuz başlatma koşullarına büyük ölçüde atfedilebilen yaklaşık %14'lik bir iyileşme sağlamaktadır. Bununla birlikte, uygun şekilde başlatılmış deneylerde elde edilen doğruluk iyileşmeleri yaklaşık %2–3 ile sınırlı kalmak- tadır. Son olarak, akıllı telefon GNSS ölçümleriyle elde edilen sonuçlar, ortak-mod hata azaltımlarının üç farklı senaryoda akıllı telefon SPP çözümlerini sırasıyla %80,4, %64,9 ve %83,8 oranlarında iyileştirdiğini göstermekte; bu durum, düşük maliyetli ve tüketici sınıfı GNSS alıcılarının gelecekteki sıkı-bağlı ve cihazda çalışan GVINS uygulamaları için uygulanabilirliğini doğrulamaktadır.
Özet (Çeviri)
Accurate and robust navigation in GNSS-challenged environments remains a fundamental problem for robotic and mobile applications, particularly when relying on low-cost sensors. While tightly–coupled visual–inertial–GNSS navigation systems have shown considerable promise in such scenarios, their performance is often validated using relatively expensive sensor platforms. In contrast, the feasibility of applying these frameworks to low-cost and consumer-grade sensors remain less explored. A custom multi-sensor system composed of a Raspberry Pi computing unit, a u-blox ZED-F9P GNSS receiver, an Xsens IMU, and global-shutter cameras was developed and integrated within the Robot Operating System (ROS) framework. Concurrently, GNSS measurements from an Android smartphone were fed to ROS using a custom mobile application and pro- cessed within the same tightly coupled fusion pipeline. Real-time kinematic (RTK) method was used to provide reference trajectories for performance evaluation. Using the proposed platform, three experimental datasets were collected to cover representative operating con- ditions. Two pedestrian datasets—Sports Field and Campus Walking—were recorded in open-sky and urban-like environments, respectively. In addition, a vehicle-based dataset, Campus Driving, was collected on roads within a university campus to reflect higher velocity and variable sensing conditions. Similarly, the original GVINS framework is accompanied by three publicly available datasets collected in a sports field, a campus area, and an urban environment. In this thesis, the GVINS framework is systematically evaluated under a wide range of conditions using both newly collected datasets acquired with a significantly reduced-cost hardware platform and the original GVINS datasets. The measurements from the proposed platform are processed using multiple satellite elevation mask angles (30°, 45°, and 60°), and the resulting tightly–coupled solutions are directly compared with standalone single-point positioning (SPP) solutions computed under the same elevation thresholds. In addition, to investigate the impact of code-level enhancements for low-cost receivers, single-frequency pseudorange smoothing using the Hatch filter and differential code bias (DCB) corrections are applied to the original GVINS datasets. Furthermore, the influence of visual frontend selection is examined by replacing conventional corner-based feature extraction methods with deep–learning–driven approaches based on SuperPoint and LightGlue. Finally, to enable the integration of smartphone-grade GNSS measurements into the GVINS framework, several adaptations are introduced to ensure the usability and stability of smartphone GNSS data within the tightly coupled fusion pipeline. The experimental results show that tightly coupled visual–inertial–GNSS integration signifi- cantly improves robustness and solution continuity compared to standalone SPP, particularly under reduced satellite visibility and challenging urban conditions, such as when a 60° ele- vation mask is applied. While performance in open-sky environments remains comparable, results obtained in urban-like environments show improvements of up to 63%, depending on the initialization of the anchor point and clock states. For single-frequency GNSS mea- surements, the incorporation of carrier–phase–based pseudorange smoothing using the Hatch filter together with differential code bias (DCB) corrections further enhances positioning accuracy when carrier-phase continuity is preserved or when the cycle-slip ratio remains below 1%, reducing RMS errors by up to 43% and outperforming state-of-the-art PPP-VINS and DGVINS configurations under these conditions. In addition, deep–learning–driven visual frontends demonstrate improved robustness in urban environments by providing more reliable feature associations, leading to an approximately 14% improvement, which can be largely attributed to unfavorable initialization conditions, whereas under properly initialized scenarios, the accuracy improvement is limited to approximately 2–3%. Finally, the results obtained with smartphone GNSS measurements demonstrate that common-mode error reductions improve smartphone SPP solutions by 80.4%, 64.9%, and 83.8% across three scenarios, confirming the feasibility of low-cost and consumer-grade GNSS for future tightly-coupled and on-device GVINS implementations.
Benzer Tezler
- Development of an ultrawideband low-profile circuit analog absorber using resistively loaded tightly coupled dipole arrays
Rezistif yüklü sıkı kuplajlı dipol dizisi kullanarak aşırı geniş bantlı düşük profilli devre analog soğurucunun geliştirilmesi
MİKAİL ALTAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERKAN ŞİMŞEK
DR. MUSTAFA KULOĞLU
- Rezonatör tabanlı mikrodalga sensör tasarımı için farklı eşdeğer devre topolojilerinin geliştirilmesi
Development of different equivalent circuit topologies for resonator based microwave sensor design
İBRAHİM GENÇ
Doktora
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUD KAHRİMAN
- Elektronik ve optoelektronik uygulamalar için siyanofenil tiyenotiyofen ve bor içeren materyaller
Cyanophenyl thienothiophene and boron containing materials for electronic and optoelectronic applications
RECEP İŞÇİ
- Integrated CFD-based reduced-order modeling for ice accretion and aerodynamic performance predictions
Bütünleşik CFD tabanli indirgenmiş dereceli model ile buz birikimi ve aerodinamik performans tahmini
ÖMER AKBAL
Doktora
İngilizce
2026
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN ORHAN KAYA
- Radar uygulamalarında vivaldi anten tasarımı ve optimizasyonu
Vivaldi antenna design and optimization in radar applications
ERDEM BARLİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN EKER