Indoor-Ortung Studiengang: Telematik TM16 Kurs: Ortung und Navigation in Telematikdiensten

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1 Indoor-Ortung Studiengang: Telematik TM16 Kurs: Ortung und Navigation in Telematikdiensten Martin Wernitz, Benjamin Stahl

2 Gliederung 1. Problemstellung Indoor-Ortung 2. Grundlagen 3. Anwendungsbereiche 4. Herausforderungen 5. Verfahren 6. Technologien 6.1 W-LAN-Ortung 6.2 RFID-Ortung 6.3 BLE-Ortung 6.4 VLC-Ortung 6.5 Optisches-Tracking 6.6 Ultraschall-Tracking 4. Quellenverzeichnis TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 2

3 1. Problemstellung Indoor-Ortung! übliche Ortungstechnologien (z.b. GPS) nicht innerhalb von Gebäuden anwendbar! Grund: Dämpfung des Signals durch das Gebäude zu stark "#$%%$&'())*&++,,,-./0112/34.53).1/-0$+,.66$/+./011275*67,.$78#/9).1/.$2)7./01127/34.53).1/71(/$75* TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 3

4 2. Grundlagen - Positionsbestimmung! Ermittlung des eigenen Standorts! oftmals mittels Empfängermodul! Beispieltechnologien sind GPS und GLONASS "#$%%$&'())*&++,,,-./6*$:)71/%./$-:1;+6.)$6+5.)-$;-%3/+8.%$6+.;35$6+6*$:.3%+<=>?@AB<CC12.5./3%-D*5

5 2. Grundlagen - Ortung! Positionsbestimmung ist Teil der Ortung! zusätzlicher Rücklaufkanal! dieser liefert Positionsdaten zurück "#$%%$&'())*&++,,,-./6*.2$75$1*12)3%-$#+;$0.$/+B?<@C>B=-5*6712)#/5-D* TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 5

6 2. Anwendungsbereiche der Indoor-Ortung! Audio/Info-Guide in Museen via App! Navigation in öffentlich zugänglichen Gebäuden! Kundengesteuerte Werbung! Produktortung auf der Montagelinie oder Lagerhalle! Personenlokalisierung durch Polizei/Feuerwehr! Werkzeugortung in der Fabrikhalle! Produkt- und Personenortung in öffentlichen Einrichtungen TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 6

7 2. Herausforderungen bei der Indoor-Ortung! Multipath-Fading-Problematik (Mehrwegeausbreitung/Überlagerungen)! Signaldämpfung durch verschiedenste Materialien! stetig räumliche Veränderungen (sich bewegende Objekte)! Line of Sight - LOS (direkter Sichtkontakt) oftmals nicht möglich TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 7

8 2. Verfahren zur Positionsbestimmung 3 Basistechniken! Triangulation/Trilateration Berechnung mittels Winkel/Abständen! Schauplatzanalyse (Scene Analysis, Fingerprint) Datenabgleich der Gegebenheiten einer Position! Näherungsanalyse (Proximity Measures) Objekt in der Nähe einer bekannten Position TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 8

9 Triangulation! Ermittlung Position durch Basisstrecke und zwei Winkeln! Basisstrecke befindet sich zwischen zwei Bezugspunkten! von diesen wird jeweils der Winkel zur eigenen Position ermittelt! Bezugspunkte und eigene Position spannen Dreieck auf! durch zwei gegebenen Winkel, kann der dritte mit Hilfe des Dreieckssatzes berechnet werden!"#$$#%&'(()*%++")$,-./01213#.1-/, )#.1-+6,33,7*+('" :41-75"$-(1,79./)75+ ;<9=)>?:41-75"$-(1,79./) TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 9

10 Trilateration! benötigt Entfernungen zu 3 Bezugspunkten in der Ebene! im Raum werden 4 Bezugspunkte benötigt! 1 Station: liefert Kreisradius! 2 Stationen: liefert 2 sich schneidende Kreise! 3 Stationen: liefert den konkreten Schnittpunkt mit Position!"#$$#%&'(()*%++")$,-./01213#.1-/, )#.1-+6,33,7*+@+@A+:41$-(#4-(1,7/) TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 10

11 2. Techniken zur Positionsbestimmung! Messung der Laufzeit - Time of Arrival (ToA)! Laufzeitdifferenz - Time Difference of Arrival (TDoA)! Paketumlaufzeit - Round Trip of Flight (RToF)! Eingangswinkel eines Signals - Angle of Arrival (AoA)! Zellenreichweite eines Sender - Cell of Origin (CoO)! Signalstärke - Received Signal Strength Indicator (RSSI) TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 11

12 2. Techniken zur Positionsbestimmung Time of Arrival (ToA) Messung der Laufzeit! Messung der einfachen Signallaufzeit zwischen Basis und Client! absolute Zeitsynchronisation aller Teilnehmer erforderlich "#$%%$&'())*&++,,,-.),.66$/-./81+E.%0$2+6.5/3%%3#8F$.)$/7E$.7).;$ %7)13-*/ TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 12

13 2. Techniken zur Positionsbestimmung Time Difference of Arrival (TDoA) Laufzeitdifferenz! Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen der einzelnen Signale! Absolute Zeitsynchronisation aller Basisstationen erforderlich "#$%%$&'())*&++$)#)12.3% (32$0+.;35$6+)#)12.3%6+)#)12.3%CB=G+?=8.5?G-D* TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 13

14 2. Techniken zur Positionsbestimmung Round Trip of Flight (RToF) Paketumlaufzeit! Messung der Signallaufzeit zwischen Basis und Client und zurück! Keine absolute Zeitsynchronisation notwendig! Bekanntheit der exakten Verzögerung des Clients notwendig (Uhr mit hoher Genauigkeit)! Funktionsprinzip wie Radar/Sonar TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 14

15 2. Techniken zur Positionsbestimmung Angle of Arrival (AoA) Eingangswinkel eines Signals Messung mittels Goniometrie mindestens 2 Basisstationen mit jeweils mehreren gerichteten Antennen Quelle: TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 15

16 2. Techniken zur Positionsbestimmung Cell of Origin (CoO) Zellenreichweite eines Sender! Ermitteln der verbundenen Basisstation! Identifizierung mittels der Cell-ID/BSSID! Aufgrund der Zellengröße sehr ungenau ())*&++,,,-:.6:1-:1;+:+03;+$/+#6+)0+.+B????B7<?????+BG???B TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 16

17 2. Techniken zur Positionsbestimmung Received Signal Strength Indicator (RSSI) Signalstärke Auswertung der Sendeleistung der Basisstation-Signale Berechnung der Signalstärke aus der Sendeleistung Mehrere Signale an einer Position notwendig Quelle: TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 17

18 3. Technologien für die Indoor-Ortung! Wireless Local Area Network - WLAN! Radio-Frequency Identification - RFID! Bluetooth Low Energy - BLE ())*6&++,,,-2$/$636-:1;+$/7#6+;$0.3+61%#).1/6+9$H7 )$:(/1%15H+:1//$:).4.)H+E%#$)11)(76;32)+%151CE)C6;32)-D*5! Visible Light Communication - VLC! Optisches Tracking! Ultraschall-Tracking ())*&++,,,-4%::-/$)+)($;$6+I*35$C0$83#%)+.;35$6+% ())*&++,,,-, )$6+3%%+)($;$6+,83+366$)6+'.;35$6+JKLCL%%.3/:$CK%3)CJ$ECMN-*/ TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 18

19 6.1 Wireless LAN-Ortung I! Time of Arrival, Time Difference of Arrival und Round Trip of Flight! bedingt realisierbar Grund: ungenaue Uhrzeiten der Access Points! Angle of Arrival AoA! nicht realisierbar Grund: Antennen nicht für Richtfunk ausgelegt TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 19

20 6.1 Wireless LAN-Ortung II! Cell of Origin CoO! realisierbar! Access Point dienst als Basisstation Associated Access Point! kleinere Zelle! Zunahme der Genauigkeit! sehr ungenau (Außen bis zu 200 Meter, Innen Meter)! Received Signal Strength Indicator RSSI! realisierbar! WLAN nutzt bereits RSSI bei Handover! hohe Anfälligkeit gegenüber Hindernissen und Multipath! Positionsgenauigkeit aktueller WLAN Systeme ca. 10m TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 20

21 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 21

22 Ekahau Vision WLAN-Ortung! ermöglicht 2D-Ortung auf einer 2D-Map! Ortung kann über bestehendes WLAN-Netzwerk erfolgen! Visualisierung erfolgt über Weboberfläche TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 22

23 Ekahau Vision W-LAN-Ortung TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 23

24 RFID-Ortung Radio Frequency Identification TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 24

25 6.2 RFID-Ortung I kontaktlose Übermittlung von Daten auf Abruf Frequenzbereichen von 125 KHz bis 5,8 GHz Kommunikation zwischen Transponder und Lesegerät Lesegerät ist zumeist stationär Transponder an Gegenstand/Person symmetrisch zueinander aufgebaut (Senden/Empfangen) lobal/web_content_1col/pic_con1_a_ _int.jpg TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 25

26 6.2 RFID-Ortung II! passive Transponder! keine eigene Energiequelle! Energie durch Induktion mit den Readern! Daten durch Lastmodulation des induzierten Signals + geringe Anschaffungskosten + lange Lebensdauer + keine eigene Energiequelle - geringe Reichweite ())*6&++%15.6).99/1,(1,-:1;+,*7:1/)$/)+#*%1306+' <?B>+?O+PQ<PLG7J1R.7K1)1%.3-:1;7<-D* TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 26

27 6.2 RFID-Ortung III aktive Transponder eigene Stromversorgung notwendig Reichweiten von bis zu 100m im freien Feld Speziallösung: semiaktive Transponder senden nur nach Anstoß durch den Reader, sonst im Sleep-Modus + hohe Reichweite - geringe Lebensdauer (ausgenommen Semiaktive) - erhöhte Anschaffungskosten /06/%C2%A9-iconshow-Fotolia.com_.jpg TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 27

28 6.2 RFID-Ortung IV Peiltransponder Frequenzbereich 2,45 GHz Ermittlung in Echtzeit + hohe Reichweite mit bis zu 300m + Genauigkeit von 3 Metern - hohe Anschaffungskosten TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 28

29 6.2 RFID-Ortung V ())*&++./ )#/5-0$+,*7:1/)$/)+#*%1306+%$.6)#/56;$29;3%$728.0-*/ TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 29

30 Verwendete Technik: TDoA 6.2 RFID-Ortung VI _processed_/csm_rtls_stapler_782c32f5ed.png TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 30

31 Bluetooth-Low-Energy Ortung Bluetooth Smart TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 31

32 6.3 Bluetooth-Low-Energy-Ortung I nutzt freies ISM-Band (2,402 GHz und 2,480 GHz) Genauigkeit von bis zu 2 Metern einige Indoor-Ortungsverfahren basierend auf Bluetooth Technik RSSI + allgegenwärtig, preiswert und energiearm Endgeräte - störungsanfällig gegenüber Objekten/Personen TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 32

33 6.3 Bluetooth-Low-Energy-Ortung II! Beacons! ibeacon! Apple Standard (2013)! Eddystone! Google Standard (2015)! im Gebäude verteilt! mehr empfangbare Beacons! Erhöhung der Genauigkeit! Beispiel: Zürich Hauptbahnhof! Fläche von ca Quadratmetern! etwa Beacons! Genauigkeit von zwei bis drei Metern ())*&++;1221/.-:1;+,*7:1/)$/)+#*%1306+' <?B=+B<+.E$3:1/C%151-*/5 ())*&++$41)(./56-:1;+<-B+01:+6)32)$27 5#.0$6+.;35$6+$00H6)1/$7%1517<-*/ TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 33

34 VLC-Ortung Visible light communication TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 34

35 6.4 VLC/LiFi-Ortung I! Datenaussendung mittels unmerklich flackerndes Licht! Spezielle LEDs oder Leuchtstofflampen senden ID! Datenempfang via Smartphonekamera oder Photodetektor! genaue Ortung durch Berücksichtigung des Einfallswinkels! Ortung durch Fingerprint (Datenabgleich) ())*6&++,,,-./8618)-0$+V12)3%6+?+W;35$6+E%15+32:(.4$+4%:7./01127*16.).1/./57./8618)-D* TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 35

36 6.4 VLC/LiFi-Ortung II Vorteile Lampen sind großflächig vorhanden und homogen Verteilt Signale sind leicht begrenzbar moderne LEDs sparen Strom die Stromversorgung ist nicht von Batterien abhängig VLC ist genau (unter 1 Meter) und besitzt eine hohe Reichweite (bis 8 Meter) keine störende, auffällige oder aufwändig anzubringende Hardware funktioniert plattformübergreifend Nachteile geringere Flexibilität in der Installation als bei Beacons Überwiegend innen (abgedunkelt) einzusetzen hohe Kosten bei vorhandener Lichtinfrastruktur Nachrüsten nicht immer sinnvoll TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 36

37 Optische-Ortung SLAM-Tracking Bilderkennung TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 37

38 SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) kommt ursprünglich aus der Robotik Algorithmus, mit welchen mobile Objekte eine Karte der Umgebung anfertigen und sich in dieser positionieren weiße Linie ist der Navigationsgraph Färbungen sind die Aufnahmen der Umgebung Quelle: TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 38

39 SLAM Project Tango! von Google ins Leben gerufen! basiert auf SLAM! Verwendet spezielles Tablet oder Smartphone als 3D- Scanner! ermöglicht Positionierung ohne zusätzliche Infrastruktur!"#$$#%&'(()*%++.#B#$,)#4*/5,,5$#/6,3+(-75,+13-5#*+(,,$*+-.A?17*)#6(,4+==/) TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 39

40 QR-Code Ortung! Codierung der GPS- Koordinaten in QR-Code! Installation der Codes an festen Positionen! Erfassung der Codes und Positionierung in der App Quelle: Systemarchitektur, erstellte Abbildung in Adobe Illustrator TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 40

41 Ultraschall-Tracking SLAM-Tracking Ultraschall TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 41

42 3D-Ultrasound-Sensors TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 42

43 Toposens (Indoor-Ortung)! 3D-Erfassung über die Aussendung von Ultraschallwellen! Echoortung! Ausgesendetes Ultraschall-Signal wird von Objekten reflektiert! nutzt das Time-of-Flight-Prinzip TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 43

44 Toposens (Indoor-Ortung)! Phasendifferenz und Abstrahlwinkel des Lichtstrahls ergeben für jeden Objektpunkt Distanz und Lage! Erstellung eines 3D-Modells! Daten liegen als Punktewolke vor! Reichweite des Systems liegt bei 5 bis 10m TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 44

45 Hybride Systeme WLAN GPS RFID SLAM TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 45

46 Hybride Indoor-Ortung TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 46

47 NavVis (Hybride Indoor-Ortung) Aufnahme/Datenerfassung mittels M3-Trolley diverse Sensoren zur Datenerfassung Quelle: NavVis M3 Trolley, Kundenpräsentation Automotive NavVis Seite TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 47

48 NavVis (Hybride Indoor-Ortung)! Step-Detection aller Sensoren! Lithium-Ion-Akku (5 Stunden)! pro Tag kann Scan mit maximal m! erfolgen! Pointcloud wird auf Server abgelegt, Indizierung durch Hashcodes (durchsuchbar) Quelle: IndoorViewer TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 48

49 NavVis (Hybride Indoor-Ortung) Quellen: IndoorViewer von Kundenpräsentation Automotive NavVis Seite 22H 9I?J7*16'( B,3 K#8L".# 31( M-B15-(1,7*54-)'H J8$-"A M-BN1* O-*#4*6-7 "7. P-))175 '(()%++000/7-BB1*/6, #(*+*6-7(,6-.+*(#)9/)75

50 InLoc4Log (Indoor Localization for Logistics) System für die hybride Navigation im WMS und YMS komplette Navigation ab eintreffen des LKWs bis zum Stellplatz der Ware beachtet die Multipath- Problematik sehr genaue und unterbrechungsfreie Positionierung TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 50

51 4. Quellen TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 51

52 4. Quellen Nummer Bezeichnung Herkunft Abruf 01 ONTD Wiki Ortung#Einf.C3.BChrung NavVis Golem.de 04 ebook 3D Robotic Mapping. The simultaneous localization and mapping problem with six degrees of freedom 05 Uni- Paderborn 06 Präsentation Automotive r.pdf Tobias Bahnemann Vorstellung Toposens (2016): automotivit Kongress Hannover Präsentation TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 52

53 4. Quellen!"##$% &$'$()*+"+, -$%."+/0 12%"/!a %VRD*82<(+U *++,-.// K*82<(+U158/(<C?;26+()/_>/857/;?:?+()/0-H!"H/;?:?+()XQ1,5C!P `?K*-K*748R'(4567fe`g1!Q (<C-?C+ HQ1"!1"G!a1""1"G "! "" M;7<5)7;-R2?:(48R _?227<()6+(?<-3 -L-+828 Y67+8;cRT6;+(< TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 53

54 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 54