3D INDOOR LOKALISIERUNG FÜR UNTERWEGS

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1 Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Auftaktveranstaltung BMWi-Förderschwerpunkt Von Tür zu Tür 3D INDOOR LOKALISIERUNG FÜR UNTERWEGS Steffen Meyer, Fraunhofer IIS

2 Lokalisierungstechnologien in Städten und Gebäuden Technologieüberblick indoor (local) indoor / outdoor outdoor (global) custom tailored solutions wireless sensor networks pico cellular networks satellite based tele communication networks Ultra Wide Band Ultrasound, RFID Infrared Beacon NFC, INS, Compass Sensornodes Bluetooth WLAN DECT Indoor GPS GPS/A-GPS GLONASS GALILEO GSM (2G) UMTS (3G) LTE (4G) 2

3 Lokalisierungstechnologien in Städten und Gebäuden Verfügbarkeit auf gängigen Smartphones indoor (local) indoor / outdoor outdoor (global) custom tailored solutions wireless sensor networks pico cellular networks satellite based tele communication networks Ultra Wide Band Ultrasound, RFID Infrared Beacon NFC, INS, Compass Sensornodes Bluetooth WLAN DECT Indoor GPS GPS/A-GPS GLONASS GALILEO GSM (2G) UMTS (3G) LTE (4G) 3

4 Grundprinzipien der Ortsbestimmung Physikalische Messgrößen und Technologien 4

5 Grundprinzipien der Ortsbestimmung Physikalische Messgrößen und Technologien GSM (2G) UMTS (3G) WLAN WLAN Bluetooth GPS/A-GPS GLONASS GALILEO INS, Gyro, Kompass 5

6 Anforderungen an die 3-D Indoor Lokalisierung Was braucht meine Anwendung wirklich? 6

7 Anforderungen an die 3-D Indoor Lokalisierung Systemparameter und Kenngrößen Abzudeckender Bereich (Fläche, innen/außen) Anzahl zu ortender Objekte Kosten Genauigkeit Zeitauflösung (Häufigkeit, Verzögerung) Lebensdauer / Stromverbrauch Baugröße / Form Verfügbarkeit Anwendung Mobil Zentral 7

8 Anforderungen an die 3-D Indoor Lokalisierung Genauigkeit und Zuverlässigkeit Übliche Genauigkeitsangaben: Mittlerer Fehler 90% Fehlerquantil 95% Fehlerquantil Positioning accuracy Beispiel: Mittlerer Fehler: 2,40 Meter - 3,60 Meter 90% Fehlerquantil: 4,05 Meter - 9,20 Meter 95% Fehlerquantil: 5,30 Meter - 13,10 Meter 8

9 Anforderungen an die 3-D Indoor Lokalisierung Genauigkeit und Kosten 9

10 Anforderungen an die 3-D Indoor Lokalisierung Abdeckung und Skalierbarkeit 10

11 Anforderungen an die 3-D Indoor Lokalisierung Koordinaten oder Aufenthaltsort Logische Abtrennung der relevanten Bereiche (Location) Definition von»triggerpunkten«innerhalb der Locations Berechung einer aktuellen Qualität für eine Location: Abstand der Position zum Triggerpunkt und Größe der Location Trigger ist abhängig von Qualität und Verweildauer in der Location 11

12 Bekannte Lösungsansätze 12

13 Signalstärkenbasierte Lokalisierungstechnologie Selbstlokalisierung in WLAN-Netzen Eigenschaften: Autarke Lokalisierung auf dem Endgerät Basierend auf Erkennung von WLAN-Netzen Nutzung bestehender Infrastruktur Lokalisierung in Innenstädten und in Gebäuden möglich Reine Software-Lösung Genauigkeit bis zu wenigen Metern Voraussetzung: Trainingsphase zur Inbetriebnahme Verfahren zur Reaktion auf Änderungen an der Infrastruktur 13

14 Signalstärkenbasierte Lokalisierungstechnologie Signalstärken-basiertes Fingerprinting Verfahren basierend auf Mustervergleich: Phase 1: Einmessen der Referenzdaten Aufnehmen und Speichern von Messwerten an definierten Referenzpunkten Phase 2: Lokalisieren Aufnehmen von Messwerten und Abgleichen mit Referenzwerten Vorteil: erhöhte Genauigkeit Variante: Berechnung der Referenzdaten anhand theoretischer Ausbreitungsmodelle AP MAC RSS 0010C6215AE C7345B C243D Signal strength sample (= reference point) 14

15 Bausteine des awiloc Lokalisierungssystems Schritte vom Messwert zur Position Modell der Umgebung Referenzdaten Gebäudeplan, Ebenen Wände, Bereiche.. Konfigurationsparameter Typische Signalstärken an Referenzpunkten Messung Vorverarbeitung der Messwerte Matching Positions- rechnung Positionsberechnung Nachver- Arbeitung der Positionen Applikation z.b. Visualisierung auf einem Plan Ausfiltern von Messfehlern Mustervergleich Bewegung, Map Matching, Bereichserkennung Positionsschätzung Applikationsspezifische Nachbeareitung 15

16 Weitere Technologien Physikalische Messgrößen und Technologien GSM (2G) UMTS (3G) WLAN WLAN Bluetooth GPS/A-GPS GLONASS GALILEO INS, Gyro, Kompass 16

17 Bekannte Herausforderungen 17

18 Ortungsgenauigkeit Unterscheidung von Bahnsteigen/Abschnitten/Gleisen Unterscheidung technisch herausfordernd Offene Umgebung mit wechselnden Umgebungsbedingungen (z.b. ein-/ausfahrende Züge, Personenströme) Anbindung an Echtzeitinformationssysteme 18

19 Lokalisierung im Kontext Lokalisierung am Bahnsteig und im Verkehrsmittel Relative Lokalisierung Reisender - Zug Welcher Zug/Wagen steht vor mir? Anbindung an Echtzeitinformationssysteme Lokalisierung im Zug 19

20 Einbinden von 3-D Gebäudemodellen Verfügbarkeit von Daten und Standards BRD Bayern Welt Europa Globale Koordinaten Lokale Koordinaten (kartesisch, metrisch) Gebiet: Nürnberg (UTM, GPS [WGS84]) Stadtteil : Ziegelstein Stadtteil : Erlenstegen Gebäude: Nordostpark 94 Gebäude: Nordostpark 93 Strasse: Nordostpark Stockwerk: S1 Stockwerk: S2 Bereich: Treppenhaus Bereich: Eingang Raum: R2.1 Flur: Korridor Raum: R2.2 Hierarchische Ortsbeziehung Semantische Ortsbeziehung: : Erreichbarkeit Ortstyp: Name des Orts Ort dem Ort zugeordnete Form 20

21 Flächendeckung Jedes Gebäude ist ein Projekt 1. Planung der Aufstellorte der WLAN Access Points für die Lokalisierung (falls nötig) 2. Überprüfung der WLAN Infrastruktur für die Lokalisierung 3. Erstellen eines 3D Umgebungsmodells der Gebäude 4. Planen der Einmesspfade 5. Erheben von Messdaten für die Lokalisierung 6. Generieren von Referenzdaten aus den Messdaten 7. Integrieren von MobileLocator mit Umgebungsmodell und Referenzdaten mit der Anwendung 21

22 22 Referenzdaten Messegelände (große Gebäude, mehrstöckig)

23 23 Detailzoom Innenstadt Nürnberg

24 Anwendung von Indoor Lokalisierung 24

25 Beispiele für Anwendungen von Indoor Lokalisierung Lokalisierung in Bahnhöfen, U-Bahnen, Flughäfen Sicherheitspersonal in Bahnhöfen, Flughäfen, U-Bahn, öffentlichen Gebäuden Lokalisierung durch GSM / WLAN RSS Fingerprinting Nutzung vorhandener Infrastruktur Unterstützung vieler Ebenen Durchgängige Unterstützung von GPS-Koordinaten Innen und Außen Integration ins Einsatzleitsystem 25

26 Beispiele für Anwendungen Lokalisierung in Hallen und Parkhäusern Eigenschaften: Autarke Lokalisierung auf dem Endgerät Basierend auf Erkennung von WLAN-Netzen Nutzung bestehender Infrastruktur Lokalisierung in Innenstädten und in Gebäuden möglich Reine Software-Lösung Genauigkeit bis zu wenigen Metern 26

27 Beipiele für Anwendungen Mit dem ipod durchs Museum Mobiles Multimedia-Führungssystem mit awiloc Gerät erkennt und zeigt Besucherstandort und bietet die passenden Zusatzinformationen zu den umliegenden Ausstellungsstücke an Quelle/Fotograf: Guido Gesell Quelle/Fotograf: Guido Gesell 27

28 Zusammenfassung: 3D Indoor Lokalisierung Autarke Lokalisierung: Endgerät des Benutzers ermittelt die Position Basistechnologien: WLAN, Mobilfunknetze, Bluetooth, Magnetfelder, INS, GPS Lokalisierung in Innenstädten und in Gebäuden möglich Reine Software-Lösung Genauigkeit bis zu wenigen Metern, höhere Genauigkeiten vervielfachen den Aufwand 28

29 Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Auftaktveranstaltung BMWi-Förderschwerpunkt Von Tür zu Tür 3D INDOOR LOKALISIERUNG FÜR UNTERWEGS Steffen Meyer, Fraunhofer IIS 29