Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

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1 Technische Universität Berlin Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation Prof. Dr. Thomas H. Kolbe Geschäftsführender Direktor Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik Technische Universität Berlin 13. September 2010 e-city / Xinnovations Forum an der HU Berlin

2 Gliederung Navigation und Navigationssysteme Navigation in Innenräumen Anwendungen Lokalisierungsverfahren Methoden- und Technologiedefizite Kooperationsprojekt Indoor Spatial Awareness Modellierung von Gebäuden für die 3D-Routenplanung Wegenetze in Gebäuden Neuer Modellierungsansatz: Mehrschichtiges Modell Kombination der Raummodelle zur Routenplanung + Lokalisierung 2 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

3 Navigation in Innenräumen Vision: Bild: Projekt u-gis: Indoor Spatial Awareness, Südkorea 3 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

4 Anwendungen für Innenraumnavigation Notfall-Management Fluchtwegeberechnung, Simulation von Evakuierungen Zielführung von Einsatzkräften in Gebäuden Verfolgung / Aktivitätsüberwachung von Personen (z.b. Rettungskräften) und Objekten (z.b. Waren oder Roboter) Navigation in öffentlichen Gebäuden wie z.b. Flughäfen, Museen, Verwaltungen, Einkaufszentren (Check-in-)Schalter, Ausgang, Toilette, Polizei, Exponate, Büros generell: ortsbasierte Dienste (Location Based Services) 4 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

5 Navigation Navigation umfasst Positions- und i.d.r. Orientierungsbestimmung Positionsvermittlung braucht Geoinformationen (i.d.r. Karten) Zielsuche und Routenplanung erfordert Geoinformationen über den zu navigierenden Raum erfordert Adressierungsschema (Benennung von Orten): Koordinatensysteme und/oder textuelle Zielführung und Routenverfolgung Abgleich SOLL-Position IST-Position Steuerung der Bewegung zur Minimierung der Differenz Mitteilung der Navigationsanweisungen 5 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

6 Roboternavigation Routenplanung geometric route planning: die exakte Trajektorie des Roboters wird berechnet erfordert topologische & geometrische Informationen über den navigierbaren Raum; mind. 2D-Grundrisspläne Lokalisierung verwendet typ. (Laser- / Ultraschall-) Entfernungsmesser oder photogrammetrische Lokalisierungsmethoden oftmals wird Simultaneous Localisation and Mapping (SLAM) angewendet; heutzutage werden 3D-Modelle benutzt Picture: CS Dept. III Univ. of Bonn 6 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

7 Roboternavigation Routenplanung geometric route planning: die exakte Trajektorie des Roboters wird berechnet Bewegungsmodus: Fliegen! erfordert topologische & geometrische Informationen über den navigierbaren Raum; mind. 2D-Grundrisspläne Lokalisierung verwendet typ. (Laser- / Ultraschall-) Entfernungsmesser oder photogrammetrische Lokalisierungsmethoden oftmals wird Simultaneous Localisation Image: and Microdrones Mapping (SLAM) angewendet; heutzutage werden 3D-Modelle benutzt Picture: CS Dept. III Univ. of Bonn 7 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

8 Was braucht ein Navigationssystem? Lokalisierungsverfahren / -technologie Geoinformationen über den navigierbaren Raum navigierbare Bereiche des Raumes (z.b. Routenabschnitte) Ortslisten (benannte Orte und ihre Koordinaten) Räumliche Bezugssysteme (heutzutage typ. zwei!) 1. Räumliches Bezugssystem des Lokalisierungsverfahrens (oftmals lokales oder Welt-Koordinatensystem) 2. Natürliches räumliches Bezugssystem des Benutzers (zur Benennung von Start und Ziel; oftmals kein Koordinatensystem sondern z.b. Adressen, Points of Interest) Methoden zur Positions- und Routenvermittlung 8 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

9 Navigation früher in der Schifffahrt Lokalisierung navigierbare Routenabschnitte Räumliche Bezugssysteme Positions- und Routenvermittlung - Längen- und Breitengrad - Ortslisten mit Koordinaten 9 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

10 Fahrzeugnavigation Lokalisierung navigierbare Routenabschnitte fast ausschließlich GDF Räumliche Bezugssysteme - GPS-Koordinaten - Adressen und Points-of-Interest Positions- und Routenvermittl. Bild: Tom Tom 10 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

11 (Fußgänger-)Navigation in Innenräumen Lokalisierung? GPS i.d.r. nicht verwendbar Räumliche Bezugssysteme - Koordinatensystem? - Adressen und Points-of-Interest navigierbare Routenabschnitte - Wegenetz wird benötigt, ist aber nicht flächendeckend und einheitlich verfügbar - Erfassung problematisch Positions- und Routenvermittl. [Butz et al. 2001] 11 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

12 Lokalisierung in Innenräumen Verfahren zur Positionsbestimmung absolute Positionsbestimmung ermittelt Position innerhalb eines Bezugssystems Bezugssystem kann global (Welt-Koordinatensystem) aber auch lokal sein (Gebäude, Raum) Positionsfortschreibung (Dead Reckoning) Distanz + Richtung oder Geschwindigkeit + Zeit + Richtung Inertialnavigation Bild: [Renaudin, Yalak, Tomé 2007] 12 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

13 Methoden + Technologien zur Lokalisierung Barcodes Radio Frequency ID (RFID) Infrarotbaken Ultraschall Bluetooth Wireless LAN (WLAN) Pseudo-GPS (Pseudolites) (Assisted GPS) Funknetzlokalisierung Angle of Arrival Time (Difference) of Arrival Video- und Fotolokalisierung Bilder: Wikipedia 13 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

14 Methoden + Technologien zur Lokalisierung Barcodes Radio Frequency ID (RFID) Infrarotbaken Ultraschall Bluetooth Wireless LAN (WLAN) Pseudo-GPS (Pseudolites) (Assisted GPS) Funknetzlokalisierung Angle of Arrival Time (Difference) of Arrival Video- und Fotolokalisierung 25% WLAN Access-Points 50% 75% überlagernde WLAN Empfangsbereiche und -stärken 25% 50% 75% 75% 50% 25% 14 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

15 Methoden + Technologien zur Lokalisierung Barcodes Radio Frequency ID (RFID) Infrarotbaken Ultraschall Bluetooth Wireless LAN (WLAN) Pseudo-GPS (Pseudolites) (Assisted GPS) Funknetzlokalisierung Angle of Arrival Time (Difference) of Arrival Video- und Fotolokalisierung Rosum TV GPS system 15 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

16 Methoden + Technologien zur Lokalisierung Barcodes Radio Frequency ID (RFID) Infrarotbaken Ultraschall Bluetooth Wireless LAN (WLAN) Pseudo-GPS (Pseudolites) (Assisted GPS) Funknetzlokalisierung Angle of Arrival Time (Difference) of Arrival Video- und Fotolokalisierung Genauigkeit : je nach Zellengröße (GSM 150 m 1 km) 16 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

17 Methoden + Technologien zur Lokalisierung Barcodes Radio Frequency ID (RFID) Infrarotbaken Ultraschall Bluetooth Wireless LAN (WLAN) Pseudo-GPS (Pseudolites) (Assisted GPS) Funknetzlokalisierung Angle of Arrival Time (Difference) of Arrival Video- und Fotolokalisierung Genauigkeit : ~ Meter (UMTS) 17 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

18 Messung / Simulation von Signalstärken % % % % % > 35 % 18 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

19 Probleme der Innenraumnavigation verschiedene, uneinheitliche Lokalisierungsverfahren jedoch: Transmitter/Sensoren sind zwar unterschiedlich, die meisten haben aber vergleichbare räumliche Charakteristika (Sichtbarkeitsbereich, Empfangsbereich, Signalausbreitung). über den Ort eines Sensors bzw. Senders und den abgedeckten Bereich kann die absolute Position ermittelt werden Unschärfe entspricht der Größe des jeweils abgedeckten Bereichs Wegenetz sowie Adressierungsprinzip für Navigationsziele, erforderlich (Koordinaten sind ungeeignet) Gesucht: Raummodell für Lokalisierung + Routenplanung 19 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

20 Modellierung navigierbarer Innenräume Semantische 3D-Stadt- und Gebäudemodelle liefern heutzutage die Geometrie und eine thematische Unterteilung der Innenbereiche (zumindest Aufteilung in Gebäudeteile, Stockwerke und Räume) Internationale Standards CityGML und IFC thematische Unterteilung eignet sich bereits zur Adressierung, Wegbeschreibung und Zielführung z.b. über Raumnummern 20 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

21 Geodaten für die Innenraum-Navigation 21 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

22 Das Projekt Indoor Spatial Awareness Innenraumnavigation, Simulationen, Anwendungen Finanziert durch das Verkehrs- und Transportministerium Südkorea Kooperationspartner: Ki-Joune Li, Pusan National Univ., Südkorea Jyeong Lee, Univ. of Seoul, Südkorea Mike Worboys, Univ. of Maine, USA Christian S. Jensen, Aalborg Univ., Dänemark Unsere Aufgabe an der TU: Entwicklung eines Raumkonzepts und Implementierung durch ein Datenmodell, das sowohl die 3D-Gebäude als auch die räumliche Charakteristik der Sensorik umfasst 22 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

23 Wegenetze aus 3D-Modellen [aus Lee 2004] 3D-Gebäudemodell Primärer Raum 3D-Verbindungsgraph Dualer Raum Verbindungsgraph ist eine topologische Struktur mit Einbettung in IR³ ermöglicht Suche kürzester Wege in dem Netzwerk 23 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

24 Aufgegliedertes Raummodell Geometrischer Raum (IR³) Topologischer Raum Größe der Zellen ist Maß für die Unschärfe der absoluten Position Skelettierung 3D Gebäudemodell algebr. Topologie des Gebäudemodells Poincaré-Dualität Primärer Raum Dualer Raum 24 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation Node-Relation-Structure [Lee 2004]

25 Mehrschichtiges Raummodell Sensor- Raummodell Weitere Schichten Primärer Raum Physischer Raum Topographie- Raummodell Dualer Raum Zustand + Ereignis Alternative Raummodelle Geometrie Topologie 25 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

26 Mehrschichtenmodell 1. Schicht: Topographie-Raummodell Modellierung der Gebäudestruktur (Topographie) Primärer Raum: geometrisch-topologisches 3D-Modell Dualer Raum: Verbindungsnetzwerk für Routenplanung 2. Schicht: Sensor-Raummodell Modellierung der Sensor-/Sendebereiche Primärer Raum: Ausdehnung der Sensor-/Sendebereiche Dualer Raum: Übergänge zwischen Sensorbereichen weitere Schichten: z.b. weitere Sensor-Raummodelle 26 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

27 1. Schicht: Topographie-Raummodell Geometrie in IR³ Topologie 3D-Gebäudemodelle GM_Solid ISO TP_Solid Primärer Raum Ereignisse: Bewegung in einen anderen Raum ISO Dualer Raum Einbettung des dualen Graphen in IR³ Dualer Graph 27 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

28 Beispiel zum Topographie-Raummodell Primärer Raum, geometrisches Modell: Dualer Raum, topolog. Modell: Räume und ihre Nachbarschaften bzw. Zustandsübergangsgraph (Aufenthalt in einem Raum und Raumwechsel) Berechnete Route (z.b. Fluchtweg) abgelaufene Route 28 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

29 2. Schicht: Sensor-Raummodell Geometrie in IR³ Topologie z.b. WLAN- Empfangsbereiche GM_Solids ISO TP_Solids Primärer Raum Ereignisse: Wechsel von Empfangsbereichen oder Signalstärken ISO Dualer Raum Einbettung des dualen Graphen in IR³ Dualer Graph 29 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

30 Beispiele zum Sensor-Raummodell WLAN RFID Scanner 30 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

31 Beispiele zum Sensor-Raummodell Überlagernde WLAN-Empfangsbereiche Außen WLAN- oder RFID-Bereiche ohne Überlappung Außen 31 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

32 Kombination von Raummodellen (I) Primärer Raum Dualer Raum Bipartiter Dualer Graph Zellen im IR Dualer Graph A AB B BC C Zellen im IR 3 A AB Dualer Graph B C BC A 4 A AB B BC C AB 1 4 B BC C 32 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

33 Kombination von Raummodellen (II) Sensor- Raummodell Topographie- Raummodell Tracking / Lokalisierung Routenplanung AB B Verbindung der Knoten der dualen Graphen mehrerer Ebenen zu einem n-partiten Graph Kanten drücken aus, welche Zustände A in den verschiedenen Raummodellen gemeinsam gültig sein können BC C 33 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

34 Weitere Aspekte Weitere Raummodelle für anwendungsspezifische Raumunterteilungen z.b. Sicherheitsbereiche, Evakuierungsbereiche Partitionierung von Raummodellen (Subspacing) z.b. nach Fortbewegungsart (gehen, fahren, fliegen) kann mit bisherigen Ein-Graph-Modellen nicht abgedeckt werden Kontextbasierte Konfiguration auf Basis der technischen Möglichkeiten des mobilen Endgeräts der im Gebäude vorhandenen Infrastruktur zur Lokalisierung des Fortbewegungsmodus und von Benutzerpräferenzen 34 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation

35 Zusammenfassung und Ausblick Innenraum-Navigation benötigt 3D-Modelle und Daten für die Routen- & Trajektorienplanung sowie Adressierung für die Positionsbestimmung von Personen oder Objekten Mehrschichtenmodell erlaubt Kombination verschiedener Raummodelle miteinander Wichtige Raummodelle: Topographie-Raummodell, Sensor- Raummodell (ggf. eins pro Sensortyp / Lokalisierungsmethode) Trend: Multisensorielle Endgeräte (z.b. i-phone, MDAs) GPS für den Außenraum WLAN, Bluetooth, RFID, Kompass, Accelerometer für Innenräume Offener Punkt: Standard für Navigationsmodell, der sowohl Routenplanung als auch Lokalisierung unterstützt Konzept + Geschäftsmodell für Bereitstellung von Innenraumdaten 35 T. H. Kolbe Sensorik und 3D-Modelle für die Innenraumnavigation