Lokalisierungsverfahren für drahtlose Sensornetzwerke

Transkript

1 Lokalisierungsverfahren für drahtlose Sensornetzwerke Prof. Dr. Fachhochschule Forschungsschwerpunkt: Mobile Business Mobile Systems

2 Lokalisierungsverfahren für drahtlose Sensornetzwerke Inhalt Drahtlose Sensornetzwerke Einsatz in der Intralogistik Verfahren zur Positionsbestimmung nanoloc Sensornetzwerk Positionsbestimmung mit dem nanoloc System Experimentelle Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 1

3 Lokalisierungsverfahren für drahtlose Sensornetzwerke Drahtlose Sensornetzwerke Funknetzwerk aus Kleinstrechner zur Messdatenerfassung Einsatzgebiete: Umweltmonitoring, Landwirtschaft (Wetter, Schadstoffe) Überwachung von Gebäuden oder Landesgrenzen Logistik (Ortung, Monitoring von Materialflüssen) Anforderungen und Eigenschaften: Geringe Kosten Geringe Baugröße Hohe Energieeffizienz (meist batteriegetrieben) Geringe Rechenleistung (meist 8 Bit Mikrocontroller) Geringe Funkreichweite (typisch 0 dbm Sendeleistung) Standards: Zigbee, IEEE

4 Einsatz in der Intralogistik Monitoring der Materialflüsse Sensornetze in der Logistik Sensorknoten werden an Ladungsträgern oder Transportfahrzeugen angebracht. Sensorknoten können RFID-Tags von Behälter abfragen. Lokalisierung der Ladungsträger Erfassung aller Transportvorgänge Erfassung der Transport- und Lagerbedingungen (z.b. geschlossene Kühlkette, Erschütterungen) 3

5 Verfahren zur Positionsbestimmung Klassifizierung der Methoden zur Lokalisierung Näherungsanalyse: Es wird untersucht, ob Objekte mit bekannten Positionen sich in der Nähe befinden (z.b. Cell of Origin). Szenenanalyse: Es werden Merkmale der aktuellen Position mit Merkmalen einer Karte verglichen (z.b. Fingerprinting, Radio Map) Geometrische Analyse: Es werden Winkel oder Abstandsinformationen zu Landmarken mit bekannte Positionen genutzt (z.b. ToA, TDoA, AoA). 4

6 Verfahren zur Positionsbestimmung Klassifizierung der Funklokalisierungstechniken Messverfahren Distanz Richtung Nachbar Signallaufzeit Signalstärke Winkel Cell-ID ToA TDoA E-OTD RSSI AoA CoO 5

7 Verfahren zur Positionsbestimmung Triangulation b C γ a A sin(α) = B sin(β) = C sin(γ) a 2 = b 2 + c 2 2 b c cos(α) α A(x 1 y 1 ) c β B(x 2 y 2 ) b 2 = a 2 + c 2 2 a c cos(β) c 2 = a 2 + b 2 2 a b cos(γ) Über diese Winkelbeziehungen lässt sich die Lage der unbekannten Position auf einer Ebenen (2D) in Abhängigkeit zu den bekannten Größen bestimmen. 6

8 Verfahren zur Positionsbestimmung Trilateration P 1 (x 1 y 1 ) r 1 r 3 P 3 (x 3 y 3 ) r 2 P 2 (x 2 y 2 ) r 1 = (x x 1 ) 2 + (y y 1 ) 2 r 2 = (x x 2 ) 2 + (y y 2 ) 2 r 3 = (x x 3 ) 2 + (y y 3 ) 2 7

9 Verfahren zur Positionsbestimmung Distanzmessung mit elektromagnetischen Wellen (ToA, TDoA) Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen etwa 0,3 m/ns (Lichtgeschwindigkeit) 10 6 fach schneller als Schallgeschwindigkeit 3m entspricht etwa einer Laufzeit von 10ns Sender Empfänger Sender Empfänger Signal 1 t 1 Signal Signal 2 t 2 s = t v (mit t = t t 1 t 0 ) 0 t 1 s = t 2 t 1 v 8

10 nanoloc Sensornetzwerk nanoloc Kommunikations- und Lokalisierungssystem Kommunikation und Ranging in einem Chip Kommunikation im 2,45 GHz ISM-Band Modulation: Chirp Spread Spectrum (CSS) Robust gegen Multi-Path-Fading Hohe Effizienz des Spektrums und der Energie Lokalisierung mittels Symmetrical Double-Sided Two-Way Ranging (SDS-TWR) 9

11 nanoloc Sensornetzwerk Chirp Spread Spectrum (CSS) Modulation 10

12 nanoloc Sensornetzwerk Symmetrical Double-Sided Two-Way Ranging (SDS-TWR) Problem von TOA: Synchronisation der Uhren von Sender und Empfänger Durch Messung der Roundtrip Time of Flight (RToF) kann auf die Uhrensynchronisation verzichtet werden. Problem von RToF: Uhrenabweichung (Clock Drift, Quarz-Toleranz) führt zu Ungenauigkeiten. Durch doppelseitige Messung der RToF wird der Einfluss der Uhrenabweichung ausgeglichen. 11

13 nanoloc Sensornetzwerk Symmetrical Double-Sided Two-Way Ranging (SDS-TWR) t d = (T 1 T 2 ) + (T 3 T 4 ) 4 12

14 nanoloc Sensornetzwerk nanoloc Sensorknoten (Development Kit) Available with an integrated SMD antenna or SMA connector nanoloc RF Module JTAG Adapter ATmega128L microcontroller Light sensor Programmable LEDs Programmable buttons ment Kit 13

15 Lokalisierung mit dem nanoloc System Lokalisierung eines Tags mittels Abstandsmessung zu Ankerknoten y a y,3, a y,4 4 3 r 4 r 3 p y r 1 r 2 Anchor Tag a y,1, a y,2 1 2 a x,1, a x,4 p x a x,2, a x,3 r i = (p x a x,i ) 2 + (p y a y,i ) 2 x 14

16 Lokalisierung mit dem nanoloc System Trilateration Tag Position: ( ) px H = z p y 2 a x,1 2 a x,2 2 a y,1 2 a y,2 r 2 2 r a 2 x,1 a 2 x,2 + a 2 y,1 a 2 y,2 mit H = 2 a x,1 2 a x,3 2 a y,1 2 a y,3 und z = r 2 3 r a 2 x,1 a 2 x,3 + a 2 2 y,1 a y,3 2 a x,1 2 a x,4 2 a y,1 2 a y,4 r 2 4 r a 2 x,1 a 2 x,4 + a 2 2 y,1 a y,4 kann mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate aufgelöst werden: ( ) ˆpx = (H T H) 1 H T z ˆp y. 15

17 Lokalisierung mit dem nanoloc System Trilateration mit dem Erweiterten Kalman Filter (EKF) x k+1 = x k+1 + A k ˆx k y k ỹ k +C k (x k x k ) mit x k = ( p x v x a x p y v y a y ) T 1 T T 2 / T A =, C T T 2 /2 k = T r 1 r 1 p x p y r 2 r 2 p x p y r 3 r 3 p x p y r 4 r 4 p x p y mit r i p x = r i p y = p x a x,i (px a x,i ) 2 +(p y a y,i ) 2 p y a y,i (px a x,i ) 2 +(p y a y,i ) 2. 16

18 Lokalisierung mit dem nanoloc System Time Update und Measurement Update im EKF Predictor Equations ^ x* k+1 = f (x k, u k, 0) P* k+1 = A k+1 P k A k+1t + W k+1 Q k W T k+1 Corrector Equations K k+1 = P* k+1 C T k+1 (C k+1 P* k+1 C T k+1 + V k+1 R k+1 V k+1t ) 1 ^ x k+1 = x* k+1 + K k+1 (y k+1 h(x* k+1, 0)) P k+1 = (I K k+1 C k+1 ) P* k+1 Initial estimates for x^ 0 und P 0 17

19 Experimentelle Ergebnisse Statische Messungen im Hochregal 18

20 Experimentelle Ergebnisse Messfehler Abstandsmessung Measurement error to anchor 1 Measurement error to anchor 3 Deviation (m) Range measurement Deviation (m) Measurement error to anchor 2 0 Measurement error to anchor 4 Deviation (m) Deviation (m) Number of measurements Number of measurements 19

21 Experimentelle Ergebnisse Messfehler EKF Errors in the x position Deviation (m) Errors in the y position 0.8 EKF estimation Deviation (m) Number of measurements 20

22 Experimentelle Ergebnisse Tracking eines Fahrerlosen Transportfahrzeugs (FTF) A4 A3 Tag A1 A2 A4 A3 Tag A1 A2 21

23 Experimental Results Tracking FTF auf einer Geraden Multilateration Estimated Position (EKF) Desired Position 14 Position (m) Time (s) 22

24 Experimental Results Tracking FTF auf einem Oval Positions Diagramm der EKF Schaetzung Trilateration Kalman Schaetzung Fahrkurs Startposition Ankerknoten 11 y Position (m) x Position (m) 23

25 Lokalisierungsverfahren für drahtlose Sensornetzwerke Zusammenfassung und Ausblick Lokalisierung in Sensornetzwerke Einsatz von Sensornetzwerken in der Intralogistik Monitoring von Materialflüssen nanoloc-system Abstandsmessung mittels SDS-TWR Positionsbestimmung mittels Erweitertem Kalman Filter Weitere Untersuchungen im Bereich der Algorithmen und der Sensordatenfusion 24