Indoor-Ortung Studiengang: Telematik TM16 Kurs: Ortung und Navigation in Telematikdiensten Martin Wernitz, Benjamin Stahl
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 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 2
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(/$75*6 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 3
2. Grundlagen - Positionsbestimmung! Ermittlung des eigenen Standorts! oftmals mittels Empfängermodul! Beispieltechnologien sind GPS und GLONASS "#$%%$&'())*&++,,,-./6*$:)71/%./$-:1;+6.)$6+5.)-$;-%3/+8.%$6+.;35$6+6*$:.3%+<=>?@AB<CC12.5./3%-D*5
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*5 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 5
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 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 6
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 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 7
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 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 8
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!"#$$#%&'(()*%++")$,-./01213#.1-/,45+0121)#.1-+6,33,7*+('"38+9+96+:41-75"$-(1,79./)75+ ;<9=)>?:41-75"$-(1,79./)75 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 9
Trilateration! benötigt Entfernungen zu 3 Bezugspunkten in der Ebene! im Raum werden 4 Bezugspunkte benötigt! 1 Station: liefert Kreisradius! 2 Stationen: liefert 2 sich schneidende Kreise! 3 Stationen: liefert den konkreten Schnittpunkt mit Position!"#$$#%&'(()*%++")$,-./01213#.1-/,45+0121)#.1-+6,33,7*+@+@A+:41$-(#4-(1,7/)75 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 10
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) 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 11
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).;$7187322.43%7)13-*/5 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 12
2. Techniken zur Positionsbestimmung Time Difference of Arrival (TDoA) Laufzeitdifferenz! Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen der einzelnen Signale! Absolute Zeitsynchronisation aller Basisstationen erforderlich "#$%%$&'())*&++$)#)12.3%6-125+6(32$0+.;35$6+)#)12.3%6+)#)12.3%CB=G+?=8.5?G-D*5 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 13
2. Techniken zur Positionsbestimmung Round Trip of Flight (RToF) Paketumlaufzeit! Messung der Signallaufzeit zwischen Basis und Client und zurück! Keine absolute Zeitsynchronisation notwendig! Bekanntheit der exakten Verzögerung des Clients notwendig (Uhr mit hoher Genauigkeit)! Funktionsprinzip wie Radar/Sonar 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 14
2. Techniken zur Positionsbestimmung Angle of Arrival (AoA) Eingangswinkel eines Signals Messung mittels Goniometrie mindestens 2 Basisstationen mit jeweils mehreren gerichteten Antennen Quelle: http://etutorials.org/shared/images/tutorials/tutorial_159/05fig08.jpg 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 15
2. Techniken zur Positionsbestimmung Cell of Origin (CoO) Zellenreichweite eines Sender! Ermitteln der verbundenen Basisstation! Identifizierung mittels der Cell-ID/BSSID! Aufgrund der Zellengröße sehr ungenau ())*&++,,,-:.6:1-:1;+:+03;+$/+#6+)0+.+B????B7<?????+BG???B7 <?????+BG???B7BGB???+BG?=>@-*6+CD:2C:1/)$/)+2$/0.).1/6+BG?=>@-D*5 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 16
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: http://www.itwissen.info/bilder/abfallender-sendepegel-bei-der-rssi-messung.png 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 17
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+%151-5.8 ())*&++,,,-,.78.-125+6.)$6+3%%+)($;$6+,83+366$)6+'.;35$6+JKLCL%%.3/:$CK%3)CJ$ECMN-*/5 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 18
6.1 Wireless LAN-Ortung I! Time of Arrival, Time Difference of Arrival und Round Trip of Flight! bedingt realisierbar Grund: ungenaue Uhrzeiten der Access Points! Angle of Arrival AoA! nicht realisierbar Grund: Antennen nicht für Richtfunk ausgelegt 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 19
6.1 Wireless LAN-Ortung II! Cell of Origin CoO! realisierbar! Access Point dienst als Basisstation Associated Access Point! kleinere Zelle! Zunahme der Genauigkeit! sehr ungenau (Außen bis zu 200 Meter, Innen 25-50 Meter)! Received Signal Strength Indicator RSSI! realisierbar! WLAN nutzt bereits RSSI bei Handover! hohe Anfälligkeit gegenüber Hindernissen und Multipath! Positionsgenauigkeit aktueller WLAN Systeme ca. 10m 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 20
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Ekahau Vision WLAN-Ortung! ermöglicht 2D-Ortung auf einer 2D-Map! Ortung kann über bestehendes WLAN-Netzwerk erfolgen! Visualisierung erfolgt über Weboberfläche 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 22
Ekahau Vision W-LAN-Ortung 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 23
RFID-Ortung Radio Frequency Identification 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 24
6.2 RFID-Ortung I kontaktlose Übermittlung von Daten auf Abruf Frequenzbereichen von 125 KHz bis 5,8 GHz Kommunikation zwischen Transponder und Lesegerät Lesegerät ist zumeist stationär Transponder an Gegenstand/Person symmetrisch zueinander aufgebaut (Senden/Empfangen) https://www.phoenixcontact.com/assets/images_ed/g lobal/web_content_1col/pic_con1_a_0056822_int.jpg 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 25
6.2 RFID-Ortung II! passive Transponder! keine eigene Energiequelle! Energie durch Induktion mit den Readern! Daten durch Lastmodulation des induzierten Signals + geringe Anschaffungskosten + lange Lebensdauer + keine eigene Energiequelle - geringe Reichweite ())*6&++%15.6).99/1,(1,-:1;+,*7:1/)$/)+#*%1306+' <?B>+?O+PQ<PLG7J1R.7K1)1%.3-:1;7<-D*5 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 26
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 https://logistikknowhow.com/wp-content/uploads/ 2013/06/%C2%A9-iconshow-Fotolia.com_.jpg 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 27
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 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 28
6.2 RFID-Ortung V ())*&++./0112712)#/5-0$+,*7:1/)$/)+#*%1306+%$.6)#/56;$29;3%$728.0-*/5 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 29
Verwendete Technik: TDoA 6.2 RFID-Ortung VI http://www.solcon-systemtechnik.de/fileadmin/ _processed_/csm_rtls_stapler_782c32f5ed.png 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 30
Bluetooth-Low-Energy Ortung Bluetooth Smart 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 31
6.3 Bluetooth-Low-Energy-Ortung I nutzt freies ISM-Band (2,402 GHz und 2,480 GHz) Genauigkeit von bis zu 2 Metern einige Indoor-Ortungsverfahren basierend auf Bluetooth Technik RSSI + allgegenwärtig, preiswert und energiearm Endgeräte - störungsanfällig gegenüber Objekten/Personen 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 32
6.3 Bluetooth-Low-Energy-Ortung II! Beacons! ibeacon! Apple Standard (2013)! Eddystone! Google Standard (2015)! im Gebäude verteilt! mehr empfangbare Beacons! Erhöhung der Genauigkeit! Beispiel: Zürich Hauptbahnhof! Fläche von ca. 370.000 Quadratmetern! etwa 1.200 Beacons! Genauigkeit von zwei bis drei Metern ())*&++;1221/.-:1;+,*7:1/)$/)+#*%1306+' <?B=+B<+.E$3:1/C%151-*/5 ())*&++$41)(./56-:1;+<-B+01:+6)32)$27 5#.0$6+.;35$6+$00H6)1/$7%1517<-*/5 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 33
VLC-Ortung Visible light communication 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 34
6.4 VLC/LiFi-Ortung I! Datenaussendung mittels unmerklich flackerndes Licht! Spezielle LEDs oder Leuchtstofflampen senden ID! Datenempfang via Smartphonekamera oder Photodetektor! genaue Ortung durch Berücksichtigung des Einfallswinkels! Ortung durch Fingerprint (Datenabgleich) ())*6&++,,,-./8618)-0$+V12)3%6+?+W;35$6+E%15+32:(.4$+4%:7./01127*16.).1/./57./8618)-D*5 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 35
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 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 36
Optische-Ortung SLAM-Tracking Bilderkennung 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 37
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: http://i.telegraph.co.uk/multimedia/archive/03188/tango_3188897b.jpg 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 38
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#*+(,,$*+-.A?17*)#6(,4+==/)75 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 39
QR-Code Ortung! Codierung der GPS- Koordinaten in QR-Code! Installation der Codes an festen Positionen! Erfassung der Codes und Positionierung in der App Quelle: Systemarchitektur, erstellte Abbildung in Adobe Illustrator 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 40
Ultraschall-Tracking SLAM-Tracking Ultraschall 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 41
3D-Ultrasound-Sensors 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 42
Toposens (Indoor-Ortung)! 3D-Erfassung über die Aussendung von Ultraschallwellen! Echoortung! Ausgesendetes Ultraschall-Signal wird von Objekten reflektiert! nutzt das Time-of-Flight-Prinzip 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 43
Toposens (Indoor-Ortung)! Phasendifferenz und Abstrahlwinkel des Lichtstrahls ergeben für jeden Objektpunkt Distanz und Lage! Erstellung eines 3D-Modells! Daten liegen als Punktewolke vor! Reichweite des Systems liegt bei 5 bis 10m 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 44
Hybride Systeme WLAN GPS RFID SLAM 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 45
Hybride Indoor-Ortung 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 46
NavVis (Hybride Indoor-Ortung) Aufnahme/Datenerfassung mittels M3-Trolley diverse Sensoren zur Datenerfassung Quelle: NavVis M3 Trolley, Kundenpräsentation Automotive NavVis Seite 31 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 47
NavVis (Hybride Indoor-Ortung)! Step-Detection aller Sensoren! Lithium-Ion-Akku (5 Stunden)! pro Tag kann Scan mit maximal 50.000m! erfolgen! Pointcloud wird auf Server abgelegt, Indizierung durch Hashcodes (durchsuchbar) Quelle: IndoorViewer http://dm.navvis.com/iv/ 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 48
NavVis (Hybride Indoor-Ortung) Quellen: IndoorViewer von Kundenpräsentation Automotive NavVis Seite 22H 9I?J7*16'( B,3 K#8L".# 31( M-B15-(1,7*54-)'H J8$-"A M-BN1* O-*#4*6-7 "7. P-))175 '(()%++000/7-BB1*/6,3+135+3-42#(*+*6-7(,6-.+*(#)9/)75
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 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 50
4. Quellen 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 51
4. Quellen Nummer Bezeichnung Herkunft Abruf 01 ONTD Wiki https://www.tm.th-wildau.de/~brun/wiki/index.php/indoor- Ortung#Einf.C3.BChrung 01.11.16 02 NavVis http://www.navvis.com/products/m3-trolley/ 16.10.16 03 Golem.de http://www.golem.de/news/3d-tablet-googles-tango-ist-in-den-usaverfuegbar-1411-110589.html 04 ebook 3D Robotic Mapping. The simultaneous localization and mapping problem with six degrees of freedom 05 Uni- Paderborn 06 Präsentation Automotive http://www2.cs.uni-paderborn.de/cs/agkao/de/teaching/ws04/pg_lbs/seminarausarbeitungen/m%c3%bclle r.pdf Tobias Bahnemann Vorstellung Toposens (2016): automotivit Kongress Hannover Präsentation. 16.10.16 01.11.16 18.10.16 17.10.16 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 52
4. Quellen!"##$% &$'$()*+"+, -$%."+/0 12%"/!a %VRD*82<(+U *++,-.//0001+73 K*82<(+U158/(<C?;26+()/_>/857/;?:?+()/0-H!"H/;?:?+()XQ1,5C!P ><b?knb?@ F;7<+*648;cRY+8C6<R]H!"H^1Rd>T3_e3\<+;6@1R%8K*<(-K*8R `?K*-K*748R'(4567fe`g1!Q (<C-?C+ *++,-.//0001(<C-?C+158/:4?@358/6;+(K48(5/PP/(<5??;3<6I(@6+(?<3 (<5??;3,?-(+(?<-:8-+(227<@37<534?K6+(?<3:6-853-8;I(K8-32(+3 I4K3I(-(:4834(@*+3K?227<(K6+(?<A!"1""1"G HQ1"!1"G!a1""1"G "! ><5??;3?;+7<@158 *++,.//(<5??;3?;+7<@158/!a1""1"G "" M;7<5)7;-R2?:(48R _?227<()6+(?<-3 -L-+828 Y67+8;cRT6;+(< '(8-:658<R.RY,;(<@8;RJ(808@cRH!"OR!O1""1"G 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 53
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit 09.11.16 TM-16 Martin Wernitz, Benjamin Stahl 54