INDOOR-POSITIONIERUNG

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1 INDOOR-POSITIONIERUNG EIN ÜBERBLICK MIT AUSGEWÄHLTEN BEISPIELEN Jörg Blankenbach Geodätisches Institut, RWTH Aachen Workshop 3D-Stadtmodelle Bonn,

2 Agenda Ausgewählte Systeme Infrastrukturgestützte Systeme Autonome Systeme Hybride Systeme Magnetische Positionierung () Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

3 Einleitung Motivation Nachfrage nach der Geolokalisierung von Personen und Objekten hat zugenommen Weiterentwicklungen der Sensorik ( pervasive Computing) Massenmarktzugänglichkeit von Positionierungstechnologie [Bildquelle: hackingglass.com] [Bildquelle: infoworld.com] Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

4 Einleitung Anwendungen Ubiquitäre Positionierung für viele Anwendungen erforderlich Outdoor: Globale satellitengestützte Systeme (GNSS) Indoor:? Lokale Positionierungssysteme Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

5 Einleitung Lokale Positionierungssysteme I Autonome Sensorik (MEMS) Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

6 Einleitung lokale Positionierungssysteme II Infrastrukturgestützte Systeme Technologien RFID, Bluetooth, Ultraschall, Infrarot, WLAN, UWB, Magnetfeld, Marker, Positionsbestimmung approximativ exakt Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

7 Einleitung lokale Positionierungssysteme II Infrastrukturgestützte Systeme Autonome Systeme (Bildquelle: Technologien Inertialsensorik (Accelerometer, Gyroskop, Magnetometer, Barometer) Positionsbestimmung Dead Reckoning / Koppelnavigation Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

8 Einleitung lokale Positionierungssysteme II Infrastrukturgestützte Systeme Autonome Systeme Hybride Systeme (Bildquelle: Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

9 AUSGEWÄHLTE ANSÄTZE

10 Infrastrukturgestützte Systeme Annäherungsprinzip Stationärer Sender (Bake) Positionierungsprinzip: Eigene Position entspricht der der Bake ( Ähnlichkeit zur zellbasierten Ortung) Mobiler Empfänger Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

11 Infrastrukturgestützte Systeme Beispielsystem Metratec IPS (Bluetooth Low Energy, BLE) (Bildquelle: Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

12 Infrastrukturgestützte Systeme Annäherungsprinzip Technologien RFID, Bluetooth, Infrarot, Marker/QR-Codes durch BLE im Aufschwung Eigenschaften Einfache Technologie kostengünstig Bestückungsaufwand Wartung Genauigkeit = Zellgröße Personen oder Warenlokalisierung an zentralen Erfassungspunkten Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

13 Infrastrukturgestützte Systeme Signalstärke / Fingerprinting Freiraumdämpfung Signalstärke (RSS) = f(distanz) (Bildquelle: Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

14 Infrastrukturgestützte Systeme Fingerprinting Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

15 Infrastrukturgestützte Systeme Beispielsysteme Ekahau /Cisco (Aktives RFID/WLAN) (Bildquelle: (Bildquelle: Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

16 Infrastrukturgestützte Systeme Fingerprinting Technologien WLAN, RFID (aktiv) Eigenschaften Infrastruktur häufig verfügbar kostengünstig (Re)Kalibrierung Genauigkeit room-level 2D-Lokalisierung Personenortung in offenen Gebäuden (z.b. Messehalle, Terminal) Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

17 Infrastrukturgestützte Systeme Laufzeitmessung (TOA/TOF) s = v s t TOA/TOF Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

18 Infrastrukturgestützte Systeme Laufzeitdifferenzmessung (TDOA, AOA) Antennenarray D t AOA TDOA Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

19 Infrastrukturgestützte Systeme Positionsschätzung TOA/TOF, TDOA, AOA r 1 r 3 r 2 Strecken (TOA/TOF) (Trilateration) Streckendifferenzen (TDOA) (Hyperbelschnitt) Winkel (AOA) (Triangulation) Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

20 Infrastrukturgestützte Systeme Laufzeitmessung MIT Cricket Indoor Location System Ultraschall Stationäre Sender Empfänger (Bildquelle: (Bildquelle: Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

21 Infrastrukturgestützte Systeme TDOA/AOA UWB Ubisense Real Time Location System Ultra Wide Band (UWB) (Bildquelle: Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

22 Infrastrukturgestützte Systeme TOA/TOF, TDOA, AOA Technologien UWB, Ultraschall Eigenschaften Genauigkeit (cm - dm) Robustheit gegenüber elektromagn. Störungen (UWB) 3D-Positionierung Synchronisation & Kalibrierung Reichweite (Ultraschall) Akustische Störungen (Ultraschall) Kosten (UWB) Robotik, Mixed Reality, Industrielle Fertigung, Betriebsmittellokalisierung Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

23 Autonome Systeme Verwendung von MEMS-Inertialsensorik Beschleunigung Strecke Drehraten Richtungsänderungen Magnetometer Richtung Barometer Höhe (Bildquelle: (Bildquelle: Morrison et al. 2012) Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

24 Autonome Systeme Technologien MEMS-Inertialsensorik Eigenschaften keine Infrastruktur notwendig kostengünstig Störungen Sensordriften Genauigkeit (Bildquelle: Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

25 Hybride Systeme Fusion verschiedener Systeme Infrastruktursysteme + Inertialsensorik (Bildquelle: Eigenschaften Robustheit Verfügbarkeit Komplexität des Systems Anwendungsadaption Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

26 Smartphone-Positionierung für Fußgänger 3-Achs-Beschleunigungssensor 3-Achs-Magnetfeldsensor 3-Achs-Gyroskop Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

27 Smartphone-Positionierung Messungen vertical acceleration [m/s²] Accelerometer Schritterkennung Distanz distance time [s] step _ size num _ steps Gyroskop / Magnetometer Richtung dt R ( t R R(t 0 ) Magnetometer und Accelerometer dt) R( t) DR heading atan(r( t dt) 12 / R( t dt) 22 ) Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

28 Smartphone-Positionierung Gebäudemodell Particle Filter S9 S1 S2 S25 Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

29 Smartphone-Positionierung Prototyp Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

30 Zwischenfazit Herausforderung Bauwerk bzw. Gebäude Signalabschattung Störungen Signaldämpfung Laufzeitverzögerung Mehrwegeffekte Interferenzfelder Sensorfehler (z.b. Drift) 3D-Positionierung Lokalisierungs-IT Spezialsensorik vs. Massenware Datengrundlage Hybride Systeme oder Alternative Technologien Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

31 MAGNETISCHE POSITIONIERUNG

32 Magnetfelder Magnetfelder können Baumaterialien unverfälscht durchdringen Magnetfeldquellen Erdmagnetfeld ( Magnetfeldanomalien im Bauwerk) Künstliche Magnetfelder als Signalträger Künstliche Erzeugung mit stromdurchflossenen Spulen Einfache und kostengünstige Herstellung Magnetfeldsensoren als Mobilstation Keine Kommunikationsprotokolle notwendig Kein Benutzermanagement erforderlich Magnetic Indoor Local Positioning System () Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

33 Architektur Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

34 Experimentalsystem Relaiseinheit ZigBee- Funkmodul 3-achsiger Magnetfeldsensor (Honeywell HMR2300) Spule (N = 140, r 0 = 0,25m) Messrechner Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

35 Signalverarbeitung BE Bn BSp BE Bn BSp 2BSp Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

36 2D/3D-Positionsschätzung 2D-Positionsschätzung Überbestimmter Bogenschlag Kleinste-Quadrate-Schätzung 3D-Positionsschätzung Iterative Schätzung B i x i, y i, z i Initial. i = 0 B i, i x i, y i, z i r NIF 4 B sin 2 r i x i, y i, z i Räumlicher Bogenschlag x MS,y MS,z MS i, B i Berechnung i x 0,y 0,z 0 x i, y i, z i Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

37 Beispiel: Statische 3D-Positionsschätzung Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

38 Beispiel: Statische 3D-Positionsschätzung HMR2300 iphone 4 Samsung Galaxy Nexus Pos. dx [cm] dy [cm] dz [cm] dx [cm] dy [cm] dz [cm] dx [cm] dy [cm] dz [cm] 1-2,5-0,1-19,0-3,2-2,00 45,7 9,0-8,6-141,3 2-3,4-0,0-11,4 1,8-12,3-82,0 6,9-26,3-129,9 3-4,5-2,7-14,5-5,5-4,1-44,5-1,8-20,4-119,0 4-4,3-0,9-13,5-5,7 0,4-45,0-13,4 0,3-96,3 5-3,1-0,5 9,8-3,1 2,8-61,7 10,3-11,3-143,2 6-0,8-6,4-99,6 5,2-13,5-131,4 11,6 10,5 141,6 7 9,5-8,0-56,50-9,6-3,3-51,7-12,0 8,3-81,5 Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

39 Smartphone-Positionierung -Integration 2 Spule Schwerpunkt b. Nach dem 4. Schritt c. Nach dem 8. Schritt d. Nach dem 10. Schritt Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

40 Smartphone-Positionierung -Integration Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

41 Zusammenfassung & Ausblick Noch keine allumfassende Lösung zur Indoor- Positionierung Lösungen für ausgewählte Anwendungen verfügbar hybride Ansätze oder alternative Technologien NLoS-Lokalisierung ohne Signalausbreitungsfehler 3D-Positionierung mit hoher Absolutgenauigkeit Verwendung von low-cost Sensorik -Ausblick 3D-Kalibrierung Verfeinerungen der 3D-Positionsschätzung Vergrößerung der Reichweite Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Blankenbach Workshop 3D-Stadtmodelle, Bonn,

42 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!