Studies on Sensor Aided Positioning and Context Awareness

This thesis studies Global Navigation Satellite Systems (GNSS) in combination with sensor systems that can be used for positioning and obtaining richer context information. When a GNSS is integrated with sensors, such as accelerometers, gyroscopes and barometric altimeters, valuable information can be produced for several applications; for example availability or/and performance of the navigation system can be increased. In addition to position technologies, GNSS devices are integrated more often with different types of technologies to fulfil several needs, e.g., different types of context recognition. The most common integrated devices are accelerometer, gyroscope, and magnetometer but also other sensors could be used.More specifically, this thesis presents sensor aided positioning with two satellite signals with altitude assistance. The method uses both pseudorange and Doppler measurements. The system is required to be stationary during the process and a source of altitude information, e.g., a MEMS barometer, is needed in addition to a basic GNSS receiver. Authentic pseudorange and Doppler measurements with simulated altitude were used used to test the algorithm. Results showed that normally the accuracy of couple of kilometers is acquired. Thesis also studies on what kind of errors barometric altimeter might encounter especially in personal positioning. The results show that barometers in differential mode provide highly accurate altitude solution (within tens of centimeters), but local disturbances in pressure need to be acknowledged in the application design. For example, heating, ventilating, and air conditioning in a car can have effect of few meters. Thus this could cause problems if the barometer is used as a altimeter for under meter-level positioning or navigation.We also explore methods for sensor aided GNSS systems for context recognition. First, the activity and environment recognition from mobile phone sensor and radio receiver data is investigated. The aim is in activity (e.g., walking, running, or driving a vehicle) and environment (e.g., street, home, or restaurant) detection. The thesis introduces an algorithm for user specific adaptation of the context model parameters using the feedback from the user, which can provide a confidence measure about the correctness of a classification. A real-life data collection campaign validate the proposed method. In addition, the thesis presents a concept for automated crash detection to motorcycles. In this concept, three different inertial measurement units are attached to the motorist’s helmet, torso of the motorist, and to the rear of the motor cycle. A maximum a posteriori classifier is trained to classify the crash and normal driving. Crash dummy tests were done by throwing the dummy from different altitudes to simulate the effect of crash to the motorist and real data is collected by driving the motorcycle. Preliminary results proved the potential of the proposed method could be applicable in real situations. In all the proposed systems in this thesis, knowledge of the context can help the positioning system, but also positioning system can help in determining the context

Kuntien rakennuskannan kehitys- ja säästöpotentiaali

Tutkimushankkeessa selvitettiin kuntien rakennuskannan nykytilannetta ja ennusteita maakunta- ja sote-uudistuksen jälkeiselle ajalle, arvioitiin rakennuskantaan sisältyvää kehitys- ja säästöpotentiaalia sekä tunnistettiin keskeisimmät keinot potentiaalin hyödyntämiseksi. Kunnat ovat kooltaan, rakenteiltaan ja taloudeltaan erilaisia, mutta kaikille keskeisin haaste toimitilakysymyksissä on, kuinka kukin kunta pystyy jatkossa sopeuttamaan rakennuskantansa palvelutarvettaan vastaavaksi niin, että siinä otetaan huomioon muuttuvat tarpeet myös pitkälle tulevaisuuteen. Kuntien rakennuskannassa on selkeästi merkittävää kehitys- ja säästöpotentiaalia, joka koostuu mm. tyhjistä, vajaakäyttöisistä ja käyttötarkoitukseensa sopimattomista rakennuksista sekä energiatehokkuudesta. Potentiaalin hyödyntäminen ei kuitenkaan ole nopealla aikataululla mahdollista, vaan vaatii pitkäaikaisia, valtakunnallisia ja kuntakohtaisia toimenpiteitä. Erityisesti toimenpiteet tulee kohdistaa väestöään menettäneisiin kuntiin ja kaupunkeihin. Tutkimushankkeessa määritettiin kymmenen tärkeintä strategista ja operatiivista toimenpidettä, joiden avulla kuntia tuetaan oman kuntakohtaisen kehitys-ja säästöpotentiaalin tunnistamisessa, analysoinnissa, suunnittelussa ja toteuttamisessa ja joiden avulla kunnat pystyvät parantamaan taloutensa vakautta, vähentämään massiivista korjausvelkaa ja pääsemään vähitellen eroon myös rakennusterveysongelmist

Martti Luther ja Erfurt 1511-1546

Tutkimuksessani selvitän, millainen suhde Martti Lutherilla oli Erfurtiin vuosina 1511–1546. Etsin vastausta kysymykseen analysoimalla Lutherin Erfurtiin lähettämiä kirjeitä sekä muita kirjeitä, joissa Luther käsittelee Erfurtia. Kysyn esimerkiksi, miksi Luther kirjoitti Erfurtiin ja mitä asioita kirjeissä käsiteltiin. Luther muutti augustinolaisen sääntökunnan käskystä Erfurtista Wittenbergiin vuonna 1511. Augustinolaiset valitsivat Lutherin vuonna 1515 Thüringenin ja Meissenin alueiden luostarien vikaariksi eli esimieheksi. Augustinolaisten Erfurtin luostari kuului Lutherin vastuualueeseen. Lutherin uudet vastuutehtävät vaativat häntä pitämään tiivistä yhteyttä Erfurtin luostariin, jolla oli esimerkiksi taloudenhoitoon liittyviä ongelmia. Tehtävää helpotti se, että augustinolaiset valitsivat luostarin prioriksi Lutherin ystävän Johannes Langin. Lutherin ja Langin välille muodostunut ystävyys ja työtoveruus lujittivat Lutherin suhdetta Erfurtiin. Luther hyödynsi kirjeyhteyttään Langiin viestiessään myös muille tahoille Erfurtissa. Luther ryhtyi Wittenbergin yliopiston opettajana akateemiseen taisteluun yliopistoteologiaa hallinnutta skolastiikkaa ja siihen perustuvaa aneoppia vastaan. Luther toivoi saavansa ajatuksilleen tukea maineikkaalta Erfurtin yliopistolta. Tässä tarkoituksessa Luther lähetti Langin välityksellä viestejä vanhoille arvostetuille opettajilleen, Jodocus Trutvetterille ja Bartholomäus Usingenille. Miehet eivät hyväksyneet Lutherin ajatuksia. Lutherin ajatukset saivat kuitenkin kannatusta Erfurtin yliopiston nuorempien opettajien ja opiskelijoiden keskuudessa. He onnistuivat estämään Lutherille vuonna 1520 osoitetun pannauhkausbullan julkaisemisen. Erfurtin yliopisto oli Wittenbergin lisäksi Saksan valtakunnassa ainoa yliopisto, joka ei julkaissut bullaa. Lutherin ajatuksia kannattaneet erfurtilaiset saivat toimia kaupungissa vapaasti, vaikka Wormsin valtiopäivät tuomitsivat Lutherin opetukset harhaoppisiksi vuonna 1521. Yliopiston opiskelijat osoittivat Lutherille tukensa mellakoimalla kirkon edustusta ja Lutheria vastustanutta yliopiston johtoa vastaan. Luther ymmärsi, että hänellä oli suuri kannatus Erfurtissa ja harkitsikin muuttavansa sinne asumaan. Hän arveli Erfurtin olevan valmis uudistamaan kirkollisen elämänsä. Hän myös uskoi, että paikan päällä hän olisi pystynyt ohjaamaan kaupungin kehitystä oikeaan suuntaan pelkän evankeliumin voimin. Lutherin kirjeiden valossa on selvää, että hän toivoi sanomansa läpäisevän koko Erfurtin kaupungin. Tämä näyttikin olevan mahdollista, kunnes Erfurtista tuli virallisesti kahden eri uskontokunnan kaupunki vuonna 1530. Luther puuttui tämän jälkeen enää harvoin Erfurtin asioihin. Hän ohjeisti Erfurtiin syntynyttä evankelista seurakuntaa seurakunnallisen elämän järjestämisessä ja uskonnollisissa erityiskysymyksissä. Odottaessaan kuolemaansa vuonna 1545, Luther osoitti kirjeessään Langille luottavansa hänen kykyihinsä ratkaista seurakunnan ongelmat ilman Lutherin neuvojakin. Vuosien varrella Lutherin suhde Erfurtiin muuttui samalla, kun hänen elämäntilanteensa ja hänen sanomansa saama vastaanotto muuttuivat. Yhteisten velvollisuuksien hoitamisesta alkanut ystävyys Johannes Langin kanssa säilyi kuitenkin läpi Lutherin elämän. Tämä ystävyys määritti myös Lutherin suhdetta Erfurtiin, sillä Lang vaikutti merkittävästi siihen, miten Lutherin sanoma tavoitti erfurtilaiset

Agenttien liikkuminen peleissä

Tutkielma käsittelee agenttien liikkumista tietokonepeleissä. Tyypillinen liikkumisen toteuttaminen tapahtuu hyödyntäen reittipisteitä sekä A*-algoritmia, mutta menettelystä syntyy ongelmia erityisesti usean agentin liikkuessa samalla alueella. Tutkimuksen tarkoituksena on löytää menetelmä, jolla voi estää törmäyksien syntymistä agenttien välillä. Ratkaisuksi löytyi ohjautuminen, joka soveltuu erittäin hyvin törmäystilanteiden estämiseen sekä pelinkehityksen tarpeisiin

Studies on Sensor Aided Positioning and Context Awareness

This thesis studies Global Navigation Satellite Systems (GNSS) in combination with sensor systems that can be used for positioning and obtaining richer context information. When a GNSS is integrated with sensors, such as accelerometers, gyroscopes and barometric altimeters, valuable information can be produced for several applications; for example availability or/and performance of the navigation system can be increased. In addition to position technologies, GNSS devices are integrated more often with different types of technologies to fulfil several needs, e.g., different types of context recognition. The most common integrated devices are accelerometer, gyroscope, and magnetometer but also other sensors could be used.More specifically, this thesis presents sensor aided positioning with two satellite signals with altitude assistance. The method uses both pseudorange and Doppler measurements. The system is required to be stationary during the process and a source of altitude information, e.g., a MEMS barometer, is needed in addition to a basic GNSS receiver. Authentic pseudorange and Doppler measurements with simulated altitude were used used to test the algorithm. Results showed that normally the accuracy of couple of kilometers is acquired. Thesis also studies on what kind of errors barometric altimeter might encounter especially in personal positioning. The results show that barometers in differential mode provide highly accurate altitude solution (within tens of centimeters), but local disturbances in pressure need to be acknowledged in the application design. For example, heating, ventilating, and air conditioning in a car can have effect of few meters. Thus this could cause problems if the barometer is used as a altimeter for under meter-level positioning or navigation.We also explore methods for sensor aided GNSS systems for context recognition. First, the activity and environment recognition from mobile phone sensor and radio receiver data is investigated. The aim is in activity (e.g., walking, running, or driving a vehicle) and environment (e.g., street, home, or restaurant) detection. The thesis introduces an algorithm for user specific adaptation of the context model parameters using the feedback from the user, which can provide a confidence measure about the correctness of a classification. A real-life data collection campaign validate the proposed method. In addition, the thesis presents a concept for automated crash detection to motorcycles. In this concept, three different inertial measurement units are attached to the motorist’s helmet, torso of the motorist, and to the rear of the motor cycle. A maximum a posteriori classifier is trained to classify the crash and normal driving. Crash dummy tests were done by throwing the dummy from different altitudes to simulate the effect of crash to the motorist and real data is collected by driving the motorcycle. Preliminary results proved the potential of the proposed method could be applicable in real situations. In all the proposed systems in this thesis, knowledge of the context can help the positioning system, but also positioning system can help in determining the context

Lämmönvaihtimien tehokkuuden seuranta ja optimointi

Lämmönvaihtimet ovat teollisuudessa laajasti käytössä olevia laitteita, joiden tehtävänä on siirtää lämpöenergiaa prosessivirrasta toiseen. Lämmönvaihtimen tehokkuuden alentuessa lämpöenergian siirto hidastuu, mikä voi johtaa prosessin ajautumiseen pois toimintapisteestään ja energiankulutuksen kasvuun. Tavallisesti lämmönvaihtimista seurataan vain niiden lämpötehoa eikä sen hyvyyteen esimerkiksi virtausolosuhteisiin nähden oteta kantaa. Tässä työssä tutkittiin menetelmiä lämmönvaihdinten tehokkuuden seurantaan ja optimointiin. Tavoitteena oli löytää mittari, joka näyttää lämmönvaihtimen tehokkuuden sen toimintaolosuhteisiin nähden. Tutkimuksen fokuksena oli erityisesti lämmönvaihtimen likaantumisesta seuraava tehokkuuden aleneminen. Tutkimus suoritettiin käyttämällä Äänekoskella toimivan karboksimetyyliselluloosaa valmistavan CP Kelco Oy:n lämmönvaihtimista saatua prosessidataa. Tutkimukseen valittiin kaksi lämmönvaihdinta, jotka erosivat toisistaan sekä ajotavaltaan että sovelluskohteeltaan. Prosessidatan avulla saatiin arvokasta tietoa prosessin toiminnasta ja sen pohjalta kehitettiin menetelmiä lämmönvaihtimien tehokkuuden seurantaan ja optimointiin. Työn kirjallisuusosiossa perehdyttiin teollisuudessa käytettyihin lämmönvaihdinten tunnuslukuihin. Koska olemassa olevat tunnusluvut vaativat paljon mittaustietoa tai ilmensivät vaimeasti lämmönvaihtimissa tapahtuvia ilmiöitä, lämmönvaihtimen kokonaislämmönjohtavuuden ja lämpökapasiteettivirran suhteeseen pohjautuvaa tehokkuusindeksiä ehdotettiin. Tehokkuusindeksin toimivuutta tutkittiin vertaamalla sitä olemassa oleviin tunnuslukuihin. Lisäksi sitä verrattiin lämmönvaihtimen toiminnassa, kuten painehäviössä ja fluidien lähtölämpötiloissa tapahtuviin muutoksiin pistekaavioilla ja tarkastelemalla niiden välisiä korrelaatioita. Vakio-olosuhteissa tehokkuusindeksin todettiin reagoivan johdonmukaisesti lämmönvaihtimen toiminnan muutoksiin sekä olevan herkempi muihin tutkittuihin menetelmiin verrattuna. Tehokkuusindeksin todettiin kuitenkin olevan herkkä fluidien tulolämpötilojen vaihteluille, jolloin data ei ollut vertailukelpoista eri tulolämpötiloilla. Tehokkuusindeksi soveltui siis parhaiten lämmönvaihtimille, joiden fluidien tulolämpötilat eivät vaihdelleet merkittävästi (± 5 ºC). Lämmönvaihdinten tehokkuutta pyrittiin optimoimaan niitä ympäröivän prosessin energiankulutuksen kautta. Prosessin energiankulutuksella huomattiin olevan yhteys lämmönvaihtimen tehokkuuden alenemiseen, jolloin lämmönvaihtimen pesuajankohta oli mahdollista määrittää kohonneen energiankulutuksen perusteella. Pesuajankohdan ennakoimiseen sovellettiin lämmönvaihtimen tehokkuuden alenemisesta johtuneen kulutetun energian ylimäärän lineaarista ekstrapolointia. Toisaalta huomattiin myös, että lämmönvaihtimen tehokkuuden aleneminen ei todennäköisesti ollut ainoa syy prosessin energiankulutuksen kasvuun, sillä niiden välinen korrelaation selitysaste oli pieni (R² = 0,0257). Tämän työn tuloksena syntynyt tehokkuusindeksi on sovellettavissa lämmönvaihtimiin, joissa fluidien tulolämpötilat eivät vaihtele merkittävästi ja joita ajetaan riittävän lähellä niiden mitoitukseen käytettyjä olosuhteita, jotta logaritmisen keskilämpötilaeron korjauskerroin on määritettävissä. Tehokkuusindeksiä voi soveltaa esimerkiksi prosessin seurannassa ja operoinnissa. Muita sovelluskohteita voi olla prosessin kunnossapito, jossa tehokkuusindeksi voi antaa tietoa esimerkiksi lämmönvaihtimen huollon tarpeesta.Heat exchangers are widely applied equipment in process industry. They are used to transfer heat from a process stream to another. Lowered efficiency of a heat exchanger can lead to rise in energy consumption and shifting in operating point of the process from its desired one. Usually only the transferred heat is monitored and whether the transferred heat is acceptable in relation to the operating conditions is not addressed. Methods for monitoring and optimizing heat exchanger efficiency were studied in this thesis. The goal was to find a suitable figure that shows how well a heat exchanger performs in relation to the operating conditions. Especially the effect of fouling on heat exchanger efficiency was studied. The study was carried out using the process data of carboxymethyl cellulose manufacturer CP Kelco Oy in Äänekoski, Finland. Two independent heat exchangers that were applied in different kind of processes and operated differently were chosen to be studied. The process data yielded valuable information on the process and was used to develop methods for real time monitoring and optimization of heat exchanger efficiency. Several methods for calculating heat exchanger efficiency were found in literature and their applicability was studied. Additionally, an efficiency index based on the ratio of the overall heat conductance to the rate of thermal capacitance was suggested. The performance of the proposed efficiency index was evaluated by comparing it to existing methods. The functionality of the efficiency index was further verified by comparing it to changes in the operating conditions, such as specific pressure loss and degree of temperature approach of a heat exchanger. The comparisons were carried out by using scatter plots and finding correlations between the proposed index and the previously mentioned variables. In nearly constant conditions the efficiency index was found to react well to changes in the operating conditions of a heat exchanger, and it was also found to be more sensitive compared to the other methods studied in this thesis. The efficiency index was also found to be very sensitive to changes in heat exchanger inlet temperatures, which rendered the efficiency index to be incomparable between different inlet temperature conditions. Hence, the efficiency index was best applicable to heat exchangers with relatively constant inlet temperatures, i.e. with changes less than 5 ºC. The efficiency of a heat exchanger was optimized using the energy consumption rate of the surrounding process. The energy consumption rate was found to correlate with the efficiency of the heat exchanger. The optimal cleaning time of the heat exchanger was possible to determine using the energy consumption rate of the process. Linear extrapolation of the extra energy consumed due to lower efficiency of the heat exchanger was used to predict the next optimal cleaning time of the heat exchanger. Although the correlation between the energy consumption rate of the process and the efficiency of the heat exchanger was found, it was not very strong (R² = 0.0257). This finding was used to deduce that a lower heat exchanger efficiency was not the only explanation for the rise in process energy consumption. Based on the results, the efficiency index presented in this thesis is applicable to heat exchangers in which the fluid inlet temperature variation is small (± 5 ºC) and that are operated close enough to their designed operating conditions so that the correction factor of the logarithmic mean temperature difference can be determined. The efficiency index can also be applied to process monitoring, operation and maintenance for providing insight to the process and, for example, to serve as a measure of need for heat exchanger maintenance

Tiedostopalvelin pienyrityksen tarpeisiin

Insinöörityössä toteutetaan Debian-pohjaisella Jessie-käyttöjärjestelmällä edullinen tiedostopalvelin pienyrityksen toimipisteen tarpeisiin. Palvelimen rautana käytetään Raspberry Pi -minitietokonetta. Ensin käydään lyhyesti läpi tekniikoita, joita työssä hyödynnetään. Myös Raspberry Pi:stä kerrotaan yleisesti samoin työssä käytettävässä Model B:stä. Kerron myös valitsemistani ohjelmista, joita käytän, kun toteutan tiedostopalvelimen. Kun ohjelmien pääpiirteet on kerrottu, on vuorossa itse työn teko. Ensimmäisenä pitää asentaa käyttöjärjestelmä palvelimen rautana toimivalle laitteelle, eli RaspPi:lle. Seuraavaksi konfiguroidaan käyttöjärjestelmä, jonka jälkeen asennetaan mdadm, jolla hallitaan RAID-levyjärjestelmää, ja Samba, jolla tiedostojako varsinaisesti toteutetaan. RAID-pakan tarkoitus tässä toteutuksessa on varmistaa, että dataa ei menetetä, vaikka jokin levyistä tuhou-tuisi. Kun palvelin on saatu asennettua, testataan sen toimintaa ja kerrotaan ylläpidosta. Lopussa on vielä yhteenveto saavutetuista tuloksista ja työn toteutuksesta. Lopulta todetaan, että on toteutettu edullinen tiedostopalvelin, joka toimii siltä odotetulla tavalla. Tiedostopalvelinta on käytetty kahdelta eri Windows-työasemalta kahden viikon ajan aktiivisesti eikä virheitä ole havaittu. Työn voidaan sanoa onnistuneen.The purpose of this bachelor’s thesis was to create cheap file server for small enterprise with Debian based operating system Jessie. File server’s hardware is powered minicomputer Raspberry Pi. First we are going to tell you about general information about technics used at this thesis. Also we are going to tell you about Rasberry Pi in general level and about Model B which we are going to use in this thesis. I will also tell you about the softwares which are used at creating file server. When basics are familiar it’s time for the actual operative job. First of all I have to install operating system to the hardware Raspberry Pi. Next I’ll configure Jessie and install mdadm which is RAID managing and monitoring software. RAID is necessary because if one memory drive breaks the enterprise will not lose any of it’s data. After that I install Samba, which I use for sharing locations for Windows computers. When server is installed and configured I will test how it works and how to manage it. Fi-nally there is small outline for implementation and results. In the end there were implemented inexpensive file server that works how it was designed. File server has been used two weeks at two different Windows –workstation actively and there has not been any errors. It can be said that the thesis succeeded well

Pedestrian Detection with High Resolution Inertial Measurement Unit

Inertial sensors are used widely for detecting different contexts. However, noise components at high frequencies can disturb the recognition. In this paper, the measurements are made with multi IMU (MIMU) which combines the results of 32 inertial sensors. Averaging of individual sensor outputs reduce the noise level significantly and enables higher resolution. As an example case, we present application for passenger detection in two environments; hallway corridor and public city bus. The results show that accuracy can be increased when MIMU is used compared to single IMU.acceptedVersionPeer reviewe

Vokseleihin perustuvat pinnanmuodostusalgoritmit ja maaston proseduraalinen generointi

Tutkimuksen tarkoituksena oli verrata marssikuutiot-algoritmin ja naiivin pintaverkkoalgoritmin suorituskykyä. Tutkielman kirjallisuuskatsaus sisältää maaston proseduraalisen generoinnin menetelmiä, joilla generoitavan korkeusdatan visualisointiin vokseleihin perustuvia pinnanmuodostusalgoritmeja sovellettiin. Tutkimus toteutettiin soveltamalla suunnittelutieteellistä viitekehystä ja konstruktiivista tutkimusotetta. Tutkimuksen aineisto koostui vertailtavien pinnanmuodostusalgoritmien suorituskyvyn mittauksista, jotka perustuivat simpleksikohinalla tuotettuun keinotekoiseen dataan. Tutkimus osoitti, että naiivi pintaverkkoalgoritmi suoriutui kaikilla osa-alueilla marssikuutioita paremmin, vaikka molemmat algoritmit suoriutuivat suhteellisen tasapuolisesti. Tutkimuksen perusteella voidaan päätellä, että naiivi pintaverkkoalgoritmi on suorituskyvyltään jonkin verran tehokkaampi, joten se kannattaisi valita ensisijaisesti käytännön sovelluksiin.The purpose of the study was to compare the performance of the marching cubes and the naive surface nets algorithms. The literature review of the treatise includes methods of procedural terrain generation by which voxel-based surface reconstruction algorithms for the visualization of elevation data to be generated were applied. The study was conducted by applying a framework for design science methodology and a constructive research method. The research data consisted of measurements in the performance of reconstruction algorithms being compared, based on artificial data generated by simplex noise. The study indicated that the naive surface nets algorithm performed better than the marching cubes algorithm in all aspects though both algorithms performed relatively equally. In conclusion, the naive surface nets algorithm is somewhat more efficient in performance, thus it appears to be worth choosing primarily for practical applications

Adaptive Activity and Environment Recognition for Mobile Phones

In this paper, an adaptive activity and environment recognition algorithm running on a mobile phone is presented. The algorithm makes inferences based on sensor and radio receiver data provided by the phone. A wide set of features that can be extracted from these data sources were investigated, and a Bayesian maximum a posteriori classifier was used for classifying between several user activities and environments. The accuracy of the method was evaluated on a dataset collected in a real-life trial. In addition, comparison to other state-of-the-art classifiers, namely support vector machines and decision trees, was performed. To make the system adaptive for individual user characteristics, an adaptation algorithm for context model parameters was designed. Moreover, a confidence measure for the classification correctness was designed. The proposed adaptation algorithm and confidence measure were evaluated on a second dataset obtained from another real-life trial, where the users were requested to provide binary feedback on the classification correctness. The results show that the proposed adaptation algorithm is effective at improving the classification accuracy