Abstandsmessung mit Schall und Funk

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Dieter Schuster
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1 Abstandsmessung mit Schall und Funk Steven Fluck Fachseminar: Verteilte Systeme SS2006 Betreuer: Kay Römer 1

2 Motivation und Einleitung Die meisten Lokalisierungstechniken basieren auf Trilateration Ohne Abstandsmessung keine Trilateration Erklärte Technologien sind in beinahe allen Lokalisierungsystem anzutreffen (Sensornetze, GPS, Ubisense,...) 2

3 Übersicht Abstandsbestimmung mittels Laufzeit und Signalstärke Funk und Schall Empirische Analysen Zusammenfassung 3

4 Abstandsbestimmung mittels Laufzeit und Signalstärke 4

5 Abstandsbestimmung mittels Laufzeitmessung Time of Arrival (ToA) Time Difference of Arrival (TDoA) 5

6 Time of Arrival a x b c 6

7 Time Difference of Arrival Hyperbel von (a,b) a x b c Hyperbel von (a,c) Hyperbel von (b,c) 7

8 Voraussetzungen Genaue Uhren Synchronisation der Uhren Verzögerungsfreie Signalverarbeitung 8

9 Abstandsbestimmung mittels Signalstärke Ausbreitungsmodell basiert Direkt Lernbasierte Algorithmen Messpunkt basiert 9

10 Ausbreitungsmodell basiert a x b c 10

11 Messpunkte basiert x 11

12 Voraussetzung Exaktes Model der Signalausbreitung Signalausbreitung möglichst Umgebungsunabhängig 12

13 Funk und Schall 13

14 Funksignale Meist im freien 2.4GHz oder 5.2GHz Band Sendeleistung gesetzlich reguliert (in der Schweiz 2.4GHz Band: 100mW; 5.2GHz Band: 200mW) Ausbreitung beinahe mit Lichtgeschwindigkeit Wellenlänge von 2-3GHz: 30-10cm Energieaufwändig für Sender und Empfänger 14

15 Schall 16-20kHz hörbarer Schall 20kHz - 1GHz Ultraschall Ausbreitungsgeschwindigkeit: ~343m/s Wellenlänge von 1m - 1.5cm bei hörbarem Schall Energieaufwändig für Sender; Empfänger kann Energie des Signals verwerten 15

16 Welches Verfahren ist geeignet Funk Schall Signalstärke Gute Ausbreitungsmodelle Zu Umgebungsabhängig Laufzeit Schnelle Signalausbreitung, benötigt genaue Synchronisation Langsame Signalausbreitung, einfache Synchronisation 16

17 Ausbreitung von Funksignalen (1) Reflexion Diffraktion Streuung Abblendung/Dämpfung Streuung der Verzögerung (Mehrwege Effekt) 17

18 Ausbreitung von Funksignalen (2) Ausrichtung der Antenne Bauweise der Antenne Kalibrierung Sich bewegende Objekte Interferenzen mit anderen Systemen 18

19 Ausbreitung von Schallsignalen (1) Reflexion Streuung Abblendung Streuung der Verzögerung 19

20 Ausbreitung von Schallsignalen (2) Meteorologische Einflüsse Wind Temperatur Luftdruck Luftfeuchtigkeit Atmosphärische Einflüsse Temperaturunterschiede 20

21 Empirische Analysen 21

22 Empirische Analyse: Auswahl von vielen Funk Grosse Unterschiede der Qualität der Analysen Gute Qualität und gute Genauigkeit im Vergleich zu anderen Methoden RADAR 22

23 Vorgehen Messpunkte basiert Wahl des nearest neighbor in signal space (NNSS) (t,x,y,d) Tupel werden gespeichert (Zeit, Ort in 2D, Ausrichtung) Fingerprint der Signalstärke von 3 Basisstationen 23

24 Versuchsaufbau ( Mm b- Punkte sind vorvermessene Messpunkte (70 Stück) 43.5 m Sterne sind WLAN Basisstationen Quelle: [2] 24

25 Messergebnisse (1) Error Distance Percentile 25th 50th 75th Method Empirical 1.92m 2.94m 4.69m 4.54m Strongest (2.4x) Random 10.37m (5.4x) 8.16m (2.8x) 16.26m (5.5x) 11.5m (2.5x) 25.63m (5.5x) Quelle: [2] 25

26 Messergebnisse (2) w o l i Size of empirical data set (# physical points, n ) Quelle: [2] 26

27 Probleme Sich bewegende Objekte Antennen Ausrichtung Umgebungsabhängigkeit Wahl der Messpunkte 27

28 Empirische Analysen Funk Name Methode Messfehler Ecolocation direkt RSSI ~3m [3] RADAR Messpunkte ~3m (50% Perzentil) 28

29 Empirische Analyse: Schall Verwendung handelsüblicher Soundkarte Synchronisation mittels Funk Verwendung von Breitband, mittels Kodierung reflektierte Signale erkennen Messungen bei LoS, Erkennung wäre möglich z.b. mittels Kamera 29

30 Versuchsaufbau Synchronisation chirp 30

31 Messergebnisse (1) Effect of Atmospheric Parameters on the Speed of Sound Speed of sound, m/s 500 mbar 700 mbar 900 mbar 1100 mbar Temperature, Degrees C Relative Humidity (%) Quelle: [1] 31

32 Messergebnisse (2) 605 LOS Calibration Experiment: 6m detail 20 Trials per point Linear 604 Acoustic-measured range Laser-measured range (cm +/- 0.5 cm) Quelle: [1] 32

33 Messergebnisse (3) LOS Calibration Experiment: 3m detail 20 Trials per point Linear 303 Acoustic-measured range Laser-measured range (cm +/- 0.5 cm) Quelle: [1] 33

34 Probleme Line of Sight Temperaturunterschiede Ausrichtung Lautsprechers/Mikrofon 34

35 Zusammenfassung Sehr Störungsanfällig, viele Fehlerquellen Sehr wichtig, starke Entwicklung Schall genau aber nur bei vorhandener LoS Funk ungenauer aber grosses Einsatzgebiet Einsatzzweck bestimmt die zu verwendende Technik 35

36 Referenzen [1] L. Girod, D. Estrin: Robus Range Estimation Using Acoustic and Multimodal Sensing [2] P. Bahl, V.N.Pdamanabhan: RADAR: An In-Building RFbased User Location and Tracking System [3] D. Lymberopoulos, Q. Lindsey, A.Savvided: An Empirical Analysis of Radio Signal Strength Variability in IEEE Networks using Monopole Antennas [4] K.Yedavali, B.Krishnamachari, S.Ravula, B.Srinivasan: Ecolocation: A Sequence Based Technique for RF Localization in Wireless Sensor Networks [5] J.S.Lamancusa: Engineering Noise Control (Course Material) 36

37 37

38 ( Mm b m 38

39 Effect of Atmospheric Parameters on the Speed of Sound Speed of sound, m/s 500 mbar 700 mbar 900 mbar 1100 mbar Temperature, Degrees C Relative Humidity (%) 39

40 605 LOS Calibration Experiment: 6m detail 20 Trials per point Linear 604 Acoustic-measured range Laser-measured range (cm +/- 0.5 cm) 40

41 LOS Calibration Experiment: 3m detail 20 Trials per point Linear 303 Acoustic-measured range Laser-measured range (cm +/- 0.5 cm) 41

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