11. VIMOS Tagung Technische Universität Dresden

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1 11. VIMOS Tagung Technische Universität Dresden Indoor Ortung und Navigation für die Führung von Fußgängern in Gebäuden des öffentlichen Verkehrs Olaf Czogalla ifak Magdeburg 26. November

2 Einführung und Zielstellung Multimodale Tür-zu-Tür-Reisekette Indoor Ortung und Navigation als Element der Gesamtroute Umsteigevorgänge in komplexen Umsteigebauwerken Zielstellung ist Orientierungshilfe unter Nutzung der Sensorik von Smartphones VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

3 Problem und Anforderung Indoor Ortung und Navigation in Gebäudekomplexen mit mehreren Ebenen Frankfurt am Main Hbf. ifak Magdeburg 6F 5F 4F 3F 2F 1F 0F Aufstiegshilfen: Aufzug Treppe Ebenen: -3, -2-1, 0, +1, Ebenen sind frei navigierbar Ebenen enthalten Einschränkungen Verbindungen zwischen den Ebenen: Treppe, Rolltreppe, Aufzug Verbindungen sind linear bidirektional nutzbar VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

4 Bewertung und Verfahrenskonzept Kriterien zum Einsatz eines Indoor Verfahrens Einsatz auf dem Smartphone Nutzung vorhandener Sensoren Verarbeitungsleistung des Endgerätes Angemessene Ressourcenauslastung durch Indoor-Verfahren Entwicklung eines speziell für Anforderungen im ÖV Bereich nutzbaren Indoor Ortungs- und Navigationsverfahrens Nutzung von Navigationshilfen: Bluetooth, WiFi, QR Entwicklung eines PDR-Verfahrens: Fußgänger-Koppelnavigation mit Schritterkennung und Erfassung der Bewegungsrichtung Gebäudemodellierung: Geographisch-Topologisches Gebäudemodell: Ebenen (Floors), Aufstiegshilfen Ebenen-Navigation mittels Hexagonalnetz Erfassung der Bewegungsebene durch Drucksensor VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

5 Lösungsansatz Aufbau eines geografisch-topologischen Gebäudemodells Datengewinnung aus OpenStreetMap: Gebäudeebenen, Layout, Floors Integration der Geometrien zu Layern Beschreibung der Ebenenübergänge (Aufstiegshilfen) Festlegung bzw. Ermittlung der Positionen der Navigationshilfen (BLE, QR, WiFi) Implementation auf Smartphone Fußgänger-Koppelnavigation (Pedestrian Dead Reckoning) Zellortung (Bluetooth, WiFi) Automatische Generierung des Gebäudemodells Di-Graph Breitensuche für Routenfindung im Gebäudemodell Auto-Generierung eines Hexagon-Netzes für Ebenen-Navigation mit A* Ebenendetektion unter Nutzung des aktuellen Luftdrucks / Barometer Sprachausgabe von Navigationsanweisungen VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

6 Indoor-App Funktionsblockdiagramm GPS Kamera Bluetooth WiFi LOC Heuristik Pathfinder Display/ Zielführung Magnetometer Accelerometer Gyroskop PDR In-/Outdoor- Test Start (x,y,z) Ziel (x,y,z,t Ziel ) Via (x,y,z) LineLayers Bakenposition Ebenenwechsel Barometer Mapper Modeler Hex-Grid Obstacle map Building model Indoor router Progress (%) Position (x,y,z) Abweichung Indoor route VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

7 Zellortung mit Bluetooth Baken Bluetooth 4.0 (Low Energy) Räumliche Verteilung im Objekt (Umsteigebauwerk) Zyklisches Aussenden von Nachrichten (Broadcast) Device-ID (MAC-Adresse) RSSI (Received Signal Strength Indicator), Indikator für Empfangsfeldstärke Daten-Record (Nutzdaten) Unterschreiten eines definierten RSSI: Zuweisung der Nutzerposition mit Baken-Koordinate Automatischer Empfang ohne Nutzerinteraktion Daten-Record enthält benötigte Nutzdaten auf: verbindungloser Betrieb Zuordnung der Nutzer-Koordinate anhand MAC-Adresse VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

8 Fußgänger-Koppelnavigation Schritterkennung Tiefpaß-geglättete Vertikalbeschleunigung (Acceleration Sensor Y) Zustände: R-L, L-R Wartezeit 200 ms zur Ausblendung von Prelleffekten VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

9 Fußgänger-Koppelnavigation Ermittlung der Bewegungsrichtung (Heading) Eulerwinkel - Gimbal lock -Problem Sensorfusion von Gyroskop Accelerometer Magnetometer Quaternion -P xy VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

10 Vertikale Detektion der Aufenthaltshöhe Barometrische Höhenmessung mittels Drucksensor Kalibrierung durch bekannten Referenzdruck (z.b.: EDDF METAR) Änderung des Relativdrucks zwischen Gebäudeebenen Bei Zugangsscan (BT,QR) Zuweisung z-koordinate Messung p(z) Bestimmung von p(z=0) Bestimmung von p(minlevel maxlevel) Kontinuierliche Messung und Zuordnung der Gebäudeebene VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

11 Gebäudemodell Bauwerksgeometrie (Google Mercator) Topologie Attributierung Frankfurt a. M. U-/Str.-Bahn Knoten Bockenheimer Warte VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

12 Hexagonalnetz zur Floor-Navigation HexGrid als Tile-basiertes Navigationsnetz für Indoor-Bereich Automatische Erzeugung und Indizierung des Hexagon-Netzes Zuordnung von Attributen für : Entry-Points, QR/BT/WiFi-AP- Positionen, Ebenenwechsel (Treppen, Aufzüge) durch geometrische Superposition Aussparung von Innen- und Außenwänden des Gebäudegrundrisses durch automatische Verschneidung Ergebnis: Routingfähiges Netz mit Berücksichtigung von Hindernissen / Begrenzungen Anwendung von A* als Routensuchalgorithmus mit Heuristik für HexGrids VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

13 Kombinierte Routensuche im Gebäudegraph und Raster-Pfadsuche Geometrisches Gebäudemodell Origin (x,y,z) Floor transfer vertex (x,y,z) Algorithmus 1. Ermittlung Object ID 2. Sammlung aller floors 3. Bildung Gebäudegraph 4. Ermittlung Floor transfer vertex (Origin) 5. Ermittlung Floor transfer vertex (Dest.) 6. Breitensuche (Weg durch Gebäude) 7. Generation Raster für aktuellen Floor 8. Auf Floor: Raster Pfadsuche 9. Aktualisierung der Position mit BT-Bake Hexagonal-Raster BT-Bake A* - Pfadsuche Object ID Destination (x,y,z) Gerichteter Gebäudegraph Floor node 0A 0B Breitensuche Floor transfer edge -1A -2A -3C -3A -3B VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

14 Indoor-Routensegmente Ergebnis von Breitensuche und A* Pfadsuche im Hexagonal-Rasternetz VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

15 Ebenennavigation/-wechsel (Testbetrieb) In-situ-Test Frankfurt a.m. U-Bahnknoten Bockenheimer Warte Testvorrichtung zur Dokumentation des Indoor- Navigationsverfahrens: - Bild (Anzeige) - Ton (Sprachausgaben) - PDR-Schritt-/Richtungserkennung - BT-Baken: Positionsfix VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

16 Zusammenfassung Indoor-Ortung anhand von Navigationshilfen Bluetooth, Wifi, QR als Positionierungs-Update zur Minimierung von Drift Indoor-Routing und Navigation Nutzung von offenen Kartendaten zur Gebäudemodellierung Kombination von graphenbasierter Routensuche im Gebäudemodell und Hexagonal-Rasternetzsuche 2.5D Navigation mit Floorlevel-Detektion anhand relativer Druckmessung Ausblick: mögliche Anwendungsfälle IV/ÖV von Tür zu Tür: Bahnhöfe mit Anschluss an U-Bahn und S-Bahn Übergang vom ÖV zu Flughäfen und Navigation bis zum Gate Orientierung in Einkaufszentren: Shops und Artikel Museen: Indoor-Führung in Kombination mit Audio-Guide Messe-, Kongress- und Tagungszentren: Führung zum Messestand VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Olaf Czogalla Institut f. Automation u. Kommunikation Werner-Heisenberg-Str Magdeburg Germany Tel Fax Olaf.Czogalla@ifak.eu Web Die Denkfabrik als Objekt einer Architekturprojektion im Rahmen des Figurentheaterfestivals la notte 2011, Aufnahme: Prof. Dr. Ulrich Jumar VIMOS Tagung 2015, Olaf Czogalla, ifak Magdeburg e.v.