Ausarbeitung Projekt

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1 Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Ausarbeitung Projekt Edyta Kutak Entwicklung eines Location Tracking Systems für die Indoor Navigation Fakultät Technik und Informatik Studiendepartment Informatik

2 Edyta Kutak Thema der Ausarbeitung Projekt Entwicklung eines Location Tracking Systems fr die Indoor Navigation Stichworte Indoor Location Tracking, Location Based Service, Indoor und Outdoor-Lokalisierungssysteme Koordinatensystem Kurzzusammenfassung Heutzutage spielen Lokalisierungsinformationen immer größere Rolle. Mit dem Aufkommen mobiler Vernetzung und kleiner mobiler Endgeräte wie GPS, Handys, PDA wächst das Interesse an der Positionsbestimmung. Immer mehr ist aber auch der Standort einer mobilen Ressource oder Dienste von Bedeutung. Im folgenden Bericht werden verschiedene Möglichkeiten von Navigationssystemen vorgestellt. Es wird ein Überblick über die Kriterien und Basistechnologien der Positionsbestimmung für mobile insbesondere Indoor Navigation gegeben, um persönlicher Routenplaner für präferierte Dienste einer Person erstellen zu können. Eine tiefe Identifikation der Merkmale und Eigenschaften der bestehenden Systeme soll helfen, eine Einordnung den Positionsverfahren zu bekommen. Zu diesem Zweck werden auch Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Lokalisierungssystemen (mobilen Systemen) beschrieben. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt aber auf die Positionsbestimmung innerhalb von Gebäuden. 1

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 3 2 Grundlagen Positionierungsmodelle Geometrische Positionierungsmodelle Symbolische Positionierungsmodelle Kombinationen von Positionierungsmodellen Auswahl der Techniken zur Positionsbestimmung Verfahren zur Positionsbestimmung Unterschiede zwischen Indoor und Outdoor Position Technologien zur Positionsbestimmung innerhalb von Gebäuden Ultraschall Funk Infrarot Die Mischung von Funk und Ultraschall Visuelle Positionsbestimmung Fazit Zusammenfassung Projekt Ausblick auf die Masterarbeit Literatur 2

4 1 Einleitung Mit der Möglichkeit Endgeräte zu lokalisieren und zu navigieren beschäftigt man sich schon seit längerer Zeit. Es gibt schon viele Einsatzgebiete für Positionsbestimmung z.b. in den militärischen Anwendungen bei der Navigation von Flugzeugen, Schiffen und Fahrzeugen. Viele Systeme in der Luft-, Seefahrt und andere, benutzen eine Koordination der Verkehrsrouten. Wenn man Kenntnis über Position z.b. allen Flugzeuge hat, kann man durch die Zuordnung neuer Routen einer Kollision verhindern. Anderes Beispiel dafür sind untereinander kommunizierende Autos, die mit Hilfe von Satellitennavigation und Routen dem Autofahrer einen Weg zur bestimmten Ort zeigen. Man kann Informationen über den aktuellen Ort oder die Umgebung bereitstellen. Diese Beispiele zeigen, dass solche Systeme zunehmend benötig werden. Einerseits strebt man immer mehr nach erhöhtem Komfort und verbesserten Sicherheit, anderseits sind heutzutage Kommunikation und schnelle Reaktionszeiten in modernen Arbeitsumgebungen oder im Business von großer Bedeutung. Also, warum beschäftige ich mich mit diesem Thema, wenn Informationssysteme über die aktuelle Position eines Objektes schon existieren? Wie obens bereits erwähnt ist, Navigationssoftware für Autofahrer, Flugzeuge oder Schiffe ziemlich verbreitet, aber es gibt viele Anwendungsgebiete, besonders im Bereich innerhalb von Gebäuden, für welche bestehende Systeme noch unterentwickelt sind. Zum Beispiel kann man ein System erstellen, das einem Reiseführer hilft, eine Gruppe von Personen besser zusammenzuhalten. Jede Person aus der Gruppe wird mit einem kleinen Funktransceiver ausgestattet werden. Der Führer trägt einen PDA bei sich, auf dem er die Bewegungs einer Gruppe verfolgen kann. Dieses Gerät sendet einen Alarm, wenn eine Person sich zu weit wegbewegt. Solch ein System könnte auch für die Eltern sehr nützlich werden, um die Position ihres vermissten Kindes zu bestimmen. Ortsbasierte Dienste für Indoor Location wie in Shoppingall, Museen oder Büro verwenden derzeit Funkbasierte Systeme, die keine präzise Ortungsgenauigkeit zei- 3

5 gen. Mit Hilfe von Satellitensystemen kann man Ortungsgenauigkeit vergrößern. Leider eignet sich eine solche Methode nicht für die Lokation innerhalb von Gebäuden, weil die Satellitensignale schlecht empfangbar sind. Deswegen ist es zur Entwicklung von Netzwerksystemen für Indoor Positions wie Bluetooth, RFID und Funk für kurze Entfernungen gekommen. Aber auch hier gibt es Probleme welche z.b. bei Störungen des Signals durch Hindernisse, den Funkhindernisse wie Fahrzeuge, zur ungenauen Positionsbestimmung führen. Es gibt noch viele weitere Beispiele, aber man kann mit Sicherheit behaupten, dass sich diese und auch andere Technologien immer weiter entwickeln werden. Im Prinzip kann man sagen, dass es ganz deutlich eine Lücke gibt, bei der Möglichkeit, die Informationen über Position eines Objektes auf kleinen mobilen Geräten wie PDA, Handy etc darzustellen und zu verarbeiten. Es gibt noch keine standardisierte Software für indoor Systeme. Dieser Vortrag soll einen Überblick über die technischen Grundlagen für Indoor Positionsbestimmung geben, um einer Person z.b. auf dem Flughafen nutzerabhängige Dienste bereitstellen zu können. Hier gibt es eine Idee, dass es auf dem Flughafen Bereiche so genannten Werbezonen gibt, wo Anbieter aktiv werben können. Außerdem soll ein ortsbewusste Applikationen zum Beispiel Fragen beantworten, wie z.b.: Wo befindet sich eine navigierte Person? Wo findet eine Person Drucker oder andere Ressourcen? Für die Person, welche einen navigierten Nutzer verfolgt, ist es auch sehr nützlich, zu wissen, wie lange sich ein Benutzer in einem Dienst aufhält? Wann weicht er von einem Weg ab? Welche Sache hat die Person schon erledigt? 2 Grundlagen Indoor-Location Tracking Unter Indoor-Location Tracking versteht man Positionsermittlung einer Person, die sich über die Zeit bewegt. Dieses System sammelt Positionsdaten beziehungsweise 4

6 entstehende Bewegungsprofile und kann dadurch Auswertung liefern. Mit Hilfe der Location-Tracking kann man auf oben erwähnte Frage antworten. Um eine Person zu navigieren und Dienste vorstellen zu können, muss man zunächst Positionierungsmodelle kennen lernen, die das Format der Positionen definieren und vom Positionsdienst verwendet werden. 2.1 Positionierungsmodelle Es gibt viele Möglichkeiten für die Darstellung von Positionen. Prinzipiell kann man zwei Klassen von Informationsdaten bereitstellen: geometrische und symbolische Geometrische Positionierungsmodelle In geometrischen Modellen wird ein globales geographisches Koordinatensystem verwendet (z.b. bei GPS) d.h. Positionen werden als Punkte in einem n-dimensionalen- Koordinatensystem und seinem Ursprung definiert. Für Positionsbestimmung innerhalb von Gebäuden stellt man den Empfängern als Ursprung ein und benutzt darauf bassierend ein Koordinatensystem. Für Positionsdienste kann man dreidimensionale Koordinaten (Breite, Länge und Höhe) verwenden. Die dritte Stellung gibt nur Informationen darüber, ob sich eine Koordinate auf die richtige Etage bezieht. Es gibt auch Lokalisierungstechniken, die ein lokales Koordinatensystem besonders im kleinen Bereich für ein mobiles Gebiet benutzen Symbolische Positionierungsmodelle Bei den symbolischen Modellen werden die Positionen logisch verteilt damit sie für Menschen lesbarer sind. Zum Beispiel anhand von Gebietsnahme oder Raumnummer. Außer den obigen Techniken kann man auch Kombinationen beider Modelle benutzen. 5

7 2.1.3 Kombinationen von Positionierungsmodellen Symbolische Positionierungsmodelle haben den großen Nachteil, dass sie eine ungenaue Position bestimmen. Im Gegensatz dazu stellen geometrische Modelle auf der einen Seite genauer, aber auf der anderen Seite sehr strukturierte und unlesbare Positionsinformationen dar. Deswegen ist es möglich eine Kombinationen von beiden Systemen zu erstellen, bei denen man Positionsdaten verschiedener Modellen ineinander transformieren kann. Dadurch kann einer geometrischen Position ein symbolisches Positionssymbol zugeordnet werden. 2.2 Auswahl der Techniken zur Positionsbestimmung Im laufenden Projekt wird eine Position sowohl absolut im Gebäude als auch relativ zu einem Raum angegeben. Um relativ absolute Positionen zu berechnen, muss man zunächst Positionsdaten zu allen gegebenen Koordinatensystemen zuordnen d.h. diese Lokalisierungssysteme werden ein gemeinsames Koordinatensystem für alle lokalisierten Objekte benutzen, sodass eine Position für jeden Objekt genau die gleiche Stelle besitzt. Bei der relativen Positionsbestimmung wird hier Position relativ zu einem Raum gemeint. Ein Beispiel für diese Technologie sind X/Y Koordinaten, die sich auf einer bestimmten Karte mit der Architektur des Gebäudes befinden. Wenn die absolute Position im Gebäude bekannt ist, kann die relative Position in die absolute Position umgerechnet werden. Solche Kombination stellen eine Sicherheit bei Ausfall einer von beiden Techniken dar, weil man immer noch eine Positionierung vornehmen kann. Bei der relativ absoluten Position kann man auch verschiedene Verfahren verwenden. Diese Systeme werden im nächsten Kapitel beschrieben. 2.3 Verfahren zur Positionsbestimmung Wie man auf dem Bild eins sieht, wird die Position entweder mittels Winkel- (Triangulation) oder Abstandmessung (Trilateration) berechnet. Die Genauigkeit der zur bestimmenden Position hängt nicht nur von dem gewählten Verfahren, sondern auch 6

8 Lokalisation W inkel Distanz Cell ID AoA RSSI Signallaufzeit T oa T DoA Abbildung 1: Verfahren zur Positionsbestimmung. von der Lage der Referenzpunkte ab. Eingangswinkel eines Signals Angle of Arrival (AOA) Bei diesem Verfahren nutzt man die Kenntnis über den Eingangswinkel des empfangenen Signals aus, deren Eingangssignal gleichzeitig misst, um die Position des Sendens zu ermitteln. Durch Antennen mit Richtungscharakteristik, kann ermittelt werden, aus welcher Richtung ein bestimmtes Signal eintrifft. Diese Eigenschaft wird bei GSM Positionierungssystemen benutzt. Vor allem wird diese Technik in der Schiffs- und Luftfahrt verwendet d.h. diese Technik ist besonders gut für outdoor Position geeignet. Cell-ID Dieses Verfahren wird beim weltweit vernetzen Telefonsystem benutzt (für indoor und outdoor). Es ist mit verschiedenen Systemen realisierbar wie GSM, GPRS, UMTS-Netzen. Das Funknetz identifiziert die Basisstation, mit der das 7

9 Mobiletelefon eine Verbindung aufgebaut hat und die Position des Telefons. Die Basisstationen haben so genannte Zellen. Die Position des Mobilen Gerätes wird dann durch die ID der Zelle ausgedrückt. Das Mobiltelefon sendet einen Registrierungswunsch an den Server Provider, der daher weiß, in welcher Zelle sich der Benutzer befindet. Messung der Signalstärke Aus der Signalstärke am Empfangsort kann auf den Abstand zum Sender geschlossen werden. Dieses Verfahren ist besonders anfällig gegenüber Hindernissen und Mehrwegeffekten des Signals. Zusätzlich abschwächen Mauern und Gegenstände das Signal ab. Somit kann die gesendete Leistung nicht richtig ermittelt werden. Messung der Laufzeit Time of Arrival (TOA) Dieses Verfahren basiert auf Messungen der Distanz zwischen zwei Punkten und wird vornehmlich von GPS und Radar verwendet. Wichtig bei dieser Technik ist eine exakte Zeitmessung der Signale von den Empfängern und zurück an den Sender, was problematisch zu erreichen oder zu kontrollieren sein kann. Um eine genaue Zeitmessung durchzuführen, ist eine ständige Synchronisation der Uhren bei Sender und Empfänger notwendig. Time Difference of Arrival (TDOA) Dieses Verfahren ist eine Verbesserung der TOA-Technik. Hier braucht man schon keine Uhren mehr zu synchronisieren und erreicht eine höhere Genauigkeit. Es wird der zeitliche Unterschied beim Empfang der Signale gleichzeitig sendender Sender gemessen und durch Auswertung der Laufzeitunterschiede die Position bestimmt. Von obigen Verfahren eignen sich nur zwei Techniken für mein Projekt und zwar TOA oder TDOA, weil nur diese zur Positionsbestimmung einer Person, die sich 8

10 über die Zeit bewegt, dienen. Natürlich ist von diesen beiden TDOA besser, weil sich darüber eine genauere Position bestimmen lässt. 3 Unterschiede zwischen Indoor und Outdoor Position Es gibt, wie bereits beschrieben wurde, unterschiedliche Maßstäbe in der Positionsbestimmung. Für manche Anwendungsgebiete ist eine globale Positionsbestimmung nötig, andere brauchen eine Position innerhalb eines engeren Kontextes. Das liegt an technischen Gründen. Die Signale der Satelliten können nicht innerhalb von Gebäuden empfangen werden. Anderer Unterschiede sieht man bei den Koordinatensystemen und bei der Präzision der Messung. Bei der Positionsbestimmung in Gebäuden ist eine Entwicklung der Grenzen des Gebietes wichtiger als eine genaue Positionsbestimmung umgekehrt zur Outdoor Positionsbestimmung z.b. GPS. Außerdem sieht die Navigation für Indoor anders als für Outdoor Positionen aus. Mobile Personen in einem Gebäude haben keinen bestimmten Weg gekennzeichnet. Sie können sich überall hinbewegen. Ganz anders sieht eine Situation z.b. für Autonavigation aus, dessen Bewegung begrenzt ist. Indoor Lokalisierungssysteme benötigen meistens eine Infrastruktur des Gebäudes, die nicht so einfach verfügbar ist wie eine Straßenkarte. Ohne solche Gebäudeinfrastruktur kann die Positionsbestimmung gar nicht oder nur sehr ungenau ermitteln werden. 3.1 Technologien zur Positionsbestimmung innerhalb von Gebäuden Die Position einer bewegten Person zu ermitteln ist nicht trivial. Es gibt noch keine universelle Lösung zur Lokalisierung. Wichtig sind nicht nur das Ortungsverfahren und die verwendeten Techniken, sondern auch das Übertragungsmedium. Für Indoor Position kann man folgende Medien, die verschiedene Technologien darstellen: 9

11 Ultraschall (Active Bat) Funk (SpotOn, RFID) Infrarot (Active Badge, WIPS) eine Mischung von Funk und Ultraschall (Cricket) Visuelle Positionsbestimmung (Visual Tags) Es gibt noch wesentliche Kategorien, die diese Technologien unterscheiden. Und zwar einige verwenden einiege Tracking (Position wird von Sensoren ermittelt) und andere Positioning (bewegtes Objekt ermittelt Position). Beim Tracking befinden sich Empfänger an die Decke und jeder muss mit dem Rechner verbunden sein, um Daten zum Server zu schicken, welcher dann die Position der Personen berechnet. Beim Positioning ist die Situation umgekehrt. Die Positionsbestimmung wird von der bewegten Person übertragen, was besser ist, weil hier nur die einzelne Person mit dem Server kommuniziert Ultraschall Ultraschall Systeme basieren auf Laufzeitmessung. Das Active Bat benutzt diese Technologie, um den Abstand zwischen Sender und Empfänger zu ermitteln und arbeitet präziser als das Active Badge System. Der Benutzer trägt ein Bat, welches über Funk einen Ultraschallimpuls zum Server abgibt. Der Nachteil dieser Technik ist der hohe technische Installationsaufwand, der sich aus der Tracking Infrastruktur ergibt. Weitere Nachteile des Activ Bat Systems sind das unbequeme Tragen des Bat, hohe Kosten und geringe Erweiterbarkeit Funk Funk basiert grundsätzlich auf Messung der Laufzeit und Signalstärke. Um genaue Ergebnisse zu erzielen, müssen hohe Hardwareanforderungen erfüllen. Funksignale 10

12 können im Gegensatz zu Infrarotsignalen Wände durchdringen, d.h. dieses Signal ist nicht auf einen Raum beschränkt. Hier ist das Problem, dass die Signalstärke auch durch Hindernisse beeinflusst wird. Zum Beispiel kann mit SpotOn eine Genauigkeit von 3 m erreicht werden. Hier geht das Signal wie bei Active Badge vom Benutzer aus. RFID-Tags benutzen auch Funk. Das sind kleine Geräte mit Prozessor, Speicher und Antenne. Der Vorteil dieses Systems die Stromversorgung. Die notwendige Energie zum Arbeiten nimmt dieses Gerät aus den Funksignalen. Dies Verfahren dient generell zur Verfolgung von Objekten beim Transport und bei der Produktion Infrarot Active Badge ist das erste indoor Lokalisierungssystem. Jeder Benutzer trägt einen kleinen Infrarotsender (Active Badge) offen sichtbar an der Kleidung. Alle 15 sec. Sendet der Active Badge ein Infrarotsignal, in dem die Benutzererkennung kodiert ist. Location server sammeln die Informationen der Sensoren. Ein Vorteil dieses System ist ein geringer Batterieverbrauch und eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit von Kollision. Nachteile dieser Technologie liegen in der Tracking Infrastruktur (die Ortinformationen liegen beim Location Server), der Anfälligkeit der Infrarottechnik bei direkter Sonneneinstrahlung und in der Sicherheit. Ein Signal könnte durch andere Signale imitiert werden. Ein umgekehrtes Verfahren zu Active Badge ist WIPS. Hier bereitet ein Location Server die Daten auf und sendet über WLAN an die Badges zurück Die Mischung von Funk und Ultraschall Dieses Verfahren benutzt Cricket. Hier wird vom Sender mit dem Ultraschallsignal zeitgleich ein Funksignal ausgesendet. Der Empfänger fängt nach Eingang des Funksignals mit der Zeitmessungen und dann stoppt sie nach Eingang des Ultraschallsignals. Durch Zeitdifferenz wird die Entfernung des Sendes zum Empfänger berechnet. Dieses Verfahren ist preisgünstig und braucht keinen Server. Dieses System ist ziemlich stabil bei Störung einer einzelnen Komponente. Da die Funksignale sich über 11

13 Raumgrenzen überschneiden können, ist es sehr wichtig, deutliche Grenzen zwischen Räumen von den Empfängern zu stellen. Cricket System (IMAPS System, der von Sebastian Gregor an der HAW entwickelt wurde) wird im laufenden Projekt eingesetzt. Da braucht man eigentlich eine Positionsbestimmung in Form eines Kreises. Für Anbieter ist es eher wichtig, wie nahe von seiner Werbezone eine Person sich befindet, um eine Nachricht mit einem Angebot zu schicken. Für Steuersystem sind z.b. solche Informationen interessanten, wie: Im welchen Gebieten war eine Person schon? Im welchen Gebieten hat sie sich aufgehalten und wie lange? Also keine präzise Position. Solche Lösung kann hilftlich sein, bei der Bestimmung der Richtung einer Person. Dann kann man auch gleichzeitig erkennen, ob eine Person sich auf den vorgeschlagenden Weg befindet. Um solcher Umfang stellen zu können, muss man mit Hilfe der Baken solche Grenze implementieren d.h. es wird ein Raum in kleinere Bereiche aufgeteilt. Außerdem muss man die Umwelt des Gebäudes (Architektur) kennen, um ein Abbild der aktuellen Dienstumgebung zu erstellen (z.b. auf einer Landkarte) und um eine erstellte relative Position zu einem Raum oder einer Person zur absoluten Position transformieren und ablesen zu können. Da die Funksignale sich üeber Raumgrenzen überschneiden, kann das zur Verfalchung der Position führen. Eine Lösung dafür wäre, ein Filter zu setzen. Dann muss sich überlegen, welche Filter am besten hier passt Visuelle Positionsbestimmung Diese Technik basiert auf der Auswertung von Video-Aufnahmen. Ein Benutzer trägt leicht zu erkennendes Muster aus roten und grünen Quadraten (Visual Tags), aus denen man ID und Ausrichtung des Benutzers im Raum bestimmen kann. Außerdem kann man die Entfernung zur Kamera berechnen. 12

14 3.2 Fazit Durch oben beschriebene Verfahren, Techniken, Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen ihnen wollte ich dem Leser einen Überblick über Indoor Navigation geben, um zu zeigen, wo die Schwierigkeiten für Positionsbestimmung innerhalb von Gebäuden liegen. Es lässt sich feststellen, dass es zurzeit keine zuverlässige Technik für diese Aufgabe gibt. Jede Technologie enthält irgendein Problem und muss durch andere Methoden unterstützt werden, um bessere Ergebnisse zu erreichen. 4 Zusammenfassung In diesem Kapitel wird das genaue Szenario vom Projekt Flughafen und Personen, die daran arbeiten, vorgestellt. Am Ende dieses Kapitels werden meine Aufgabe für den nächsten Winter Semester 2006/2007 genannt. 4.1 Projekt Mein Projekt, dessen Hauptaufgabe ist, die Position einer Person,welche sich mit PDA in einem Gebäude bewegt, ist eine grundsätzliche Schnittstelle eines großen Flughafen Projektes. Das Flughafen Projekt soll Informationen über Dienste, welche eine navigierte Person wünscht, eines beliebigen Flughafens zur Verfügung stellen und einen Weg zum bestimmten Ziel aufzeigen. Außer mir nehmen an der Entwicklung dieses Projekt Jan Napitupulu und Milen Koychev teil. Jan Napitupulu beschäftigt sich mit Informationen bezüglich der Architektur des Gebäudes und vorhandenen Diensten, wohingegen Milen Koychev an der Personalisierung des Angebotes arbeitet. 4.2 Ausblick auf die Masterarbeit Die Aufgaben, die im Rahmen des nächsten Semesters realisiert werden, betreffen ein Bauen der Schnittstelle für Server und Client. Es ist geplant ein Location Tracking, welches die Informationen über Verlauf, Richtung und Abweichung von Routen einer 13

15 Person enthält sowie den dazu gehörigen Location Server zu erstellen. Dazu braucht man ein Modell über die Räume (Struktur des 11. Stockwerks an der HAW), um Bezugsbereiche zu haben, die bei der Positionsbestimmung unerlässlich sind. Bezüglich des Clients, braucht man Schnittstelle zu dem vorhanden IMAPS Java API System um die Möglichkeit der Positionsrückmeldung an den Server entwickeln. 14

16 Literatur J.Roth Mobile Computing, dpunkt-verlag, 2005 Ugur Teker Realisierung und Evaluation eines Indoor-Lokalisierungssystem mittels WLAN, Diplomarbeit an der Universität Bremen, 2005 Cricket System Allen Ka Lun Miu Design and Implementation of an Indoor Mobile Navigation System, Master of Science in Computer Science and Engineering at the Massachusetts Institute of Technology, 2002 Martina Ljubenova Technologien zur Positionsbestimmung für Mobile Navigationsysteme HS SS 2005, Universität München Thomas King, Thomas Haenselmann, Stephan Knopf, Wolfgang Effelsberg Positionierung mit Wireless-LAN und Bluetooth, University of Mannheim Tobias Drosdol Unterstützung symbolischer Koordinaten im Lokationsmanagement, Stuttgart, 2003 Benedict Weisshaar Emulation eines Positionierungsgeräts, Stuttgart, 2003 Samuel Kuster Nutzung von Kommunikationswerkzeugen zur Lokalisierung und Personalisierung der Kommunikationspartner, Zürich, 2004 Stephan Müller Positionierung im WLAN, 2004 Luca Scheuring Verbesserung der Positionsbestimmung von PDAs für die kontextabhängige Interaktion mit einem fixen Anzeigesystem, Zürich, 2005 Roger Zimmermann Lokalisierung mobiler Geräte, 2001, Zürich Tino Fleuren Location Sensing für ortsabhängige Dienste auf Basis von Web Services,