Skip to main content

Обзор методов локализации объектов в помещении

По мотивам вопроса в QA.

Существует множество причин контролировать положение объектов — контроль посещаемости сотрудников, учет оборудования, слежение за мобильными устройствами.

При желании можно на каждую дверь поставить электронный замок, и каждому работнику выдать ключ-карту, которую он должен применять для входа в помещение. Плюсом такого способа является простота. Минусы — низкая точность (с точностью до помещения), невозможность автоматически отследить ситуации, когда входят двое в открытую дверь.

Можно поставить в эту же дверь сканирующую раму, как в супермаркетах, которая будет отслеживать пронос через нее специальных RFID меток. Это дороже, да и точность не повышает.

В данной статье я рассмотрю метод локализации объектов в помещении на основе беспроводных передатчиков.

Суть метода очень простая. В помещении расставляется несколько эмиттеров\ресиверов (в зависимости от метода триангуляции). Аналогичный прибор находится у отслеживаемого объекта. Объект и датчики обмениваются сигналами, по которым потом восстанавливается положение объекта ( производится триангуляция ).

Методы триангуляции

В основном подходы различаются методами триангуляции, которые в свою очередь зависят от используемого оборудования.

  • TOA — Time of Arrival или Time of Flight подразумевает передачу между объектом и датчиком временных меток.
    Для позиционирования объекта необходимо минимум 3 датчика(Если мы рассматриваем 2D локализацию). Расстояние от датчика до объекта вычисляется пропорционально разности присланной временной метки и времени приема сигнала датчиком. Минусом подхода является необходимость точной синхронизации часов на объекте и датчиках.
    CISCO TOA Image

    На основе этого алгоритма построен также алгоритм вычисления положения по ближайшему соседу (требует больше датчиков, но менее мощных)

  • RTT — Round Trip Time. Модификация TOA, повышающая точность результатов, но требует от датчиков также умения посылать сигнал на объект и наоборот, объект принимать сигнал. Рассчитывает расстояние до объекта на основе времени прохода сигнала до объекта и обратно. Не требует синхронизации часов на объекте и датчиках(в смеси с AOA дает обычный радар). Иногда называется Return Time of Arrival.
  • TDOA — Time Difference of Arrival. Положение вычисляется на основе разности нескольких TOA . Каждый TDOA датчик выдает гиперболоид в пространстве, на котором может находится объект. Двух TDOA датчиков достаточно для определения положения объекта. Дает более точные результаты в вычислениях. image
  • RSS-based — Recieved Signal Strength. Расстояние до объекта вычисляется на основе мощности сигнала объекта ( используется, например, для определения очагов землетрясений).
  • AOA — Angle of Arrival. Положение вычисляется как пересечение двух лучей. Метод, специфичный, например, для массива антенн или направленных сканирующих датчиков. CISCO AOA Image

Теперь о способах передачи сигнала. Их в общем-то тоже не много, но придумать можно, чего фантазия позволит.

  • GPS-based. Тут я думаю ничего объяснять не надо. Дорого, недостаточно точно, плохой уровень сигнала в помещении. Всегда должно быть подходящее количество спутников в зоне доступа. Из плюсов — широкая распространенность, охват больших территорий(например, заводской территории).
  • Cellular-based. В качестве сигнала выступает мощность ближайших БС сотовых операторов телефона. Плюсы в простоте, минусы — точность (50-200м). Опять же уровень сигнала зависит от помещения. Плюсы — глобальный масштаб(меньше, чем у GPS, но точность в помещении больше)
  • RFID. Радио идентификационные метки имеют малый радиус действия (1-2 м для пассивных, десятки метров для активных меток), но этого может быть вполне достаточно чтобы поставить такую в каждый офисный стол. Пассивные метки не потребляют энергии, откликаются только на полученный сигнал.
  • WLAN (IEEE 802.11). Идентификация с помощью WiFi передатчиков. Не нужно внедрять новое оборудование, если оно уже используется. Довольно хорошая точность. Подходит местам с развитой инфраструктурой (университет, например, выдать каждому студенту метку и следить за посещаемостью)
  • Bluetooth (IEEE 802.15). Все лучше с bluetooth. Если учесть распространение этой технологии в большинстве мобильных телефонов. Меньший радиус действия по сравнению с WiFi.
  • UWB — Ultra Wide Band. Технология очень похожа на RFID, только оперирует в частотах 3.1-10.6 ГГц, против 0.1-1000 МГц для RFID. Также использует другую технологию обмена импульсами (посылает короткие сигналы сразу на нескольких частотах). UWB метки потребляют меньшую мощность чем RFID
  • IR. Передатчики на основе инфракрасного излучения. Обеспечивают довольно большую точность, но требуют прямую видимость объекта наблюдения

Уже разработанных проектов довольно много (например, вот). Более подробную информацию, формулы, список существующих решений можно найти в этой статье.

Спасибо за внимание!