Prestasjonsanalyse i alpint ved bruk av GNSS og IMU

Abstract

Idrett i dag er forbundet med mye prestisje i tillegg til økonomiske gevinster. Alpint er en idrett der tideler og hundredeler skiller seier fra nederlag. I jakten på å knappe inn disse marginene har man gått vitenskapelige til verks for å finne ut hva mer enn tiden som skiller en seier fra en 4. plass. GNSS(Global Navigation Satellite Systems) har i flere år blitt brukt for å detektere blant annet alpinistenes sporvalg. For å få tilstrekkelig punkttetthet har høyrate GNSS-målinger på opptil 50 Hz blitt testet. Det har vist seg at disse målingene og tilhørende feil blir veldig korrelerte i tid. En INS-løsning (Inertial Navigation System) med kombinert GNSS og (IMU Inertial Measurement Unit) har videre blitt undersøkt. Da kan man utnytte GNSS sin høye absolutte nøyaktighet og langtidsstabilitet mot IMU'ens høye relative nøyaktighet over korte perioder. Med en målerate på 200 Hz vil man kunne få posisjon og hastighet jevnt fordelt i alpinttraseen med ca. 20 cm mellomrom.

Med utgangspunkt i datasett samlet inn sommeren 2016 og 2017, testes ulike sensorer til bruk innen idrettsformål: For datasettet fra Juvassbreen 2016 ble en Applanix APX15-IMU brukt, mens en SBG Ellipse-D ble brukt til feltarbeidet i Ås 2017.

Resultatene peker i retning av at et oppsett med to GNSS-antenner som kan måle til GPS, GLONASS, Galileo og BeiDou sammen med en IMU vil gi de beste resultatene. IMU'en ser ut til å opprettholde kvaliteten på posisjon og hastighet i kortere perioder uten GNSS-dekning. En alpinomgang inneholder mye krevende dynamikk og instrumentene må være laget for å kunne fungere og måle under disse ganske ekstreme forholdene, det være seg brå svinger eller slag og støt. Det er helt avgjørende at sensorene er initialisert og at deres posisjon i forhold til hverandre er godt bestemt før datainnsamlingen starter.

Today sport is associated with a lot of prestige in addition to economic income. In alpine skiing, as with many other sports, the difference between winning and loosing is a matter of tenths and hundredths of a second. In search of marginal gains a scientific approach is often done to leave no stone unturned. GNSS (Global Navigation Satellite Systems) has in several years been used to detect the trajectories of some runs. To achieve the sufficient point density, high rate GNSS measurements up to 50 Hz have been tested. This level of rate leads to rather correlated measurements and errors. An INS solution with GNSS and IMU have been further studied. GNSS provides high accuracy and long time stability while IMU achieves high quality during short periods of time. A sample rate of 200 Hz will attain evenly distributed positions and velocities approximately every twentieth cm in the downhill course.

With base in datasets gathered the summer of 2016 and 2017, different sensors are tested in sport applications. An Applanix APX15-IMU was used for the data collected at Juvassbreen 2016. The fieldwork in Ås municipality summer 2017 was done with a SBG Ellipse-D unit.

The tests reveals that using a dual-antenna set-up with the possibility of receiving signals from GPS, GLONASS, Galileo and BeiDou provides the best results. The IMU maintains position and velocity presicion in short periods of GNSS outage. During an alpine run the sensors will experience a lot of movements, shocks and rapid changes in velocity and attitude. The instruments needs to function under these extreme conditions. Sufficient initialization and alignment is crucial to exploit the sensors full capacity.