Исследование и разработка алгоритма внутреннего позиционирования с использованием мобильных устройств на основе МЭМС-технологии

Таблица 1.1. Сравнение технологий беспроводной радиолокационной навигации.

1.2.Технология магнитного позиционирования

Магнитное позиционирование — это решение ВСП (внутренняя система позиционирования), которое использует аномалии магнитного поля, типичные для помещений, используя их в качестве отличительных признаков распознавания места. Первое упоминание позиционирования на основе магнитных аномалий можно проследить до военных приложений в 1970 году. Использование аномалий магнитного поля для позиционирования внутри помещений вместо этого впервые было заявлено в статьях, связанных с робототехникой, в начале 2000 года.

Существуют ряд приложений, которые позволяют снимать показания магнитного датчика с помощью смартфона, полученные данные позволяют устанавливать координаты положения устройств/объектов внутри замкнутых пространств

В настоящее время нет стандарта де-факто для ВСП, однако магнитное позиционирование представляется наиболее полным и экономичным. Он обеспечивает точность без каких-либо аппаратных требований и относительно низкую совокупную стоимость.

Принцип работы технологии магнитного позиционирования основан в обеспечении информации о нахождении устройства/объекта в пространстве на основании данных о локальном изменении магнитного поля. Для использования подобных технологий требуется предварительно ознакомиться магнитным полем данной локации и скомпилировать карту на основании этих данных.

Главными плюсами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:

отсутствие необходимости размещения страховочных точек.

Главными минусами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:

сложность в компиляции точной карты помещения на основании данных о изменении магнитного поля;

необходимость постоянно обновлять данные в связи с постоянно меняющимися показаниями магнитного поля земли.

1.3.Технология ультразвукового позиционирования

Принцип работы ультразвукового позиционирования базируется на методе ToF (Time- of-flight), то есть на измерении времени распространения сигнала от датчика до принимающего устройства. Для измерения расстояния используются специальные метки,

которые распространяют ультразвуковые импульсы. Сеть приемников прослушивает эти

сигналы и отправляет данные в центральную систему, которая применяет мультилатерацию для вычисления местоположения с точностью до 3 см.

Главными плюсами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:

работа в реальном времени – частота обновления сигналов варьируется от субсекунды до 3 секунд;

высокая точность – благодаря технологии можно получать высокоточную информацию относительно местоположения объектов до нескольких сантиметров;

поддержка разных сценариев применения – может использоваться в любых бизнес-процессах;

минимальный набор оборудования – при небольшом количестве датчиков обеспечивает максимальное покрытие помещений;

небольшие расходы на обслуживание – в устройствах используются батареи с продолжительным периодом службы;

быстрый монтаж – производится преимущественно беспроводным методом.

Благодаря батарейному питанию можно выполнять оперативное развертывание системы с точной настройкой;

возможность удаленного управления – для более простой диагностики и обновления программы.

Главными минусами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:

низкий радиус работы;

отсутствие защиты от звуковых сигналов высокой частоты;

проблематичность использования в замкнутых пространствах;

распространение ошибочных сигналов.

Чтобы исключить недостатки, описанные выше, требуется тщательное планирование системы, а также постоянная калибровка, в целях уменьшения влияния погрешностей в работе системы.

1.4.Технология оптического позиционирования

Технологии оптического позиционирования разделяют на две группы:

отслеживание положения устройств/объектов при помощи инфракрасного излучения;

отслеживание положения устройств/объектов при помощи лазерных или световых импульсов.

1) Система внутреннего позиционирования (СВП), которые основаны на технологии отслеживания положения устройств/объектов при помощи инфракрасного излучения можно разделить на два типа: активные (с использованием активного маячка) и пассивные (без использования активного маячка). СВП активного типа представляет из себя светодиод,

который излучает с некоторой периодичностью импульсы в инфракрасном диапазоне (маячок)

и в качестве приемника этих импульсов в инфракрасном диапазоне выступает фотодиод. В

своей работе Вахрушева А.А. писала, что «местонахождение объекта обычно рассчитывается по времени прохождения ИК-импульса от маяка к приемнику»2.

Иногда для расчёта отслеживания положения необходимо учитывать под каким углом импульс в инфракрасном диапазоне падает со светодиода на фотодиод. Для того чтобы применить подобную систему внутреннего позиционирования в большом помещении,

необходимо использовать множество ИК-приемников, размещенных, например, на потолке помещения.

Под активным маячком подразумевается электрическое устройство закрепленное или встроенное в объект/устройство для его отслеживания, но, например, для мобильных телефонов в качестве активных маячков обычно выступают инфракрасные датчики,

встроенные в корпус. Минусом подобных систем является то, что активные маячки зачастую не встроены в устройство, т.к. крепятся обычно к одежде человека, человек попросту может забыть взять маячок и т.п. Если говорить про мобильные телефоны, то тут все не так хорошо,

как могло показаться, т.к. далеко не во всех современных мобильных телефонах есть встроенные инфракрасные датчики, а если и есть, то далеко не все могут быть использованы в качестве активного маячка.

Основным отличием активного типа инфракрасной технологии позиционирования от пассивного типа является отсутствие в системе внутреннего позиционирования активных маячков. В системах пассивного типа зачастую применяют пироэлектрические инфракрасные датчики. С помощью этих датчиков производится позиционирование на основе информации о температурах тел людей в помещении. В инфракрасных системах внутреннего позиционирования пассивного типа датчики размещают аналогично системе активного типа.

Плюсом таких систем является неиспользование активных маячков, а основным минусом

2 А.А. Вахрушева. «Технологии позиционирования в режиме реального времени», Вестник СГУГиТ (Сибирского государственного университета геосистем и технологий), 22:1 (2017),

с. 170–177.

принято считать невыполнимой задачей идентификации отслеживаемых устройств/объектов.

ИК-система пассивного типа может отслеживать лишь перемещение отслеживаемого устройства/объекта в пространстве.

Как и другие внутренние системы позиционирования, технология инфракрасного навигации имеет возможность интеграции с другими способами позиционирования в помещении.

Основными плюсами внутренней системы позиционирования на базе инфракрасной технологии, являются:

инфракрасное излучение применяется в рамках конкретного помещения

(комнаты) с точностью позиционирования от десяти сантиметров до двух метров;

высокая дальность работы инфракрасных датчиков вплоть до тридцати метров;

при инфракрасной технологии позиционировании активного типа есть возможно идентифицировать устройство/объект по уникальному излучаемому сигналу;

высокая скорость передачи данных;

энергоэффективность;

низкая стоимость инфракрасных модулей.

Основными минусами внутренней системы позиционирования на базе инфракрасной

технологии, являются:

уязвимость канала приема и передачи данных к помехам в эфире;

необходимость использования корректирующих фильтров для улучшения точности навигации в помещении;

необходимость отсутствия препятствий между светодиодом (активным маячком) и фотодиодом (приемником) или отслеживаемым устройством/объектом и инфракрасным датчиком;

2) VLC (Visible Light Communication, связь по видимому свету, СВС) – это технология,

применяет лазерные или световые импульсы для приема и передачи данных. Прием и передача

данных осуществляется за счет возможности источника света шифровать данные с помощью

циклов мерцаний. В своей работе И. В. Поспелова, Д. С. Брагин, И. В. Черепанова, В. Н.

Серебрякова утверждают, что «наиболее подходящими источниками света для реализации

VLC-технологии являются светодиоды»3. Светодиоды имеют возможность менять цикл

мерцаний не различимый человеческому глазу.

3 И. В. Поспелова, Д. С. Брагин, И. В. Черепанова, В. Н. Серебрякова. «Оптические технологии локального позиционирования в здравоохранении. (аналитический обзор)». Программные системы: теория и приложения, 2020, 11:3(46), с. 133–151.

Структурная схема внутренней системы позиционирования на базе VLC-технологии представлена на рис. 1.1.

Большинство внутренних систем позиционирования представлены минимум двумя источниками света. Это говорит о том, что фотодиод/камера способна зафиксировать поток света с нескольких светодиодов одновременно.

В соответствии с рис. 1.1, внутренняя система позиционирования состоит из передатчика (каскад светодиодов и другие устройства) и приемника (фотодиод/камера и другие устройства).

Рисунок 1.1. Структурная схема внутренней системы позиционирования на базе VLC-

технологии

Структура передатчика внутренней системы позиционирования на основе технологии

VLC представлена в виде микроконтроллера, модулятора светового сигнала, оптического драйвера и каскада светодиодов.

С помощью микроконтроллера осуществляется управление областью приема и передачи данных. С помощью демодулятора осуществляется шифрование сигнала с каскада светодиодов определенным методом, при котором после дешифровки было возможно легко определить источник сигнала. С помощью оптического драйвера можно менять цикл мерцания источников света.

Структура приемника внутренней системы позиционирования на основе технологии

VLC представлена в виде пользовательского интерфейса, модуля расчета местоположения,

демодулятора светового сигнала и фотодиодом/камерой.

Чаще всего используются системы, которые используют приемник (фотодиод/камера)

в качестве активного маячка. Камера или фотодиод регистрирует данные о сигнале, после чего демодулятор осуществляет дешифровку сигнала, далее устанавливаются координаты положения фотодиода/камеры в пространстве с помощью модуля, отвечающего за расчет этих данных, а предоставление выходных данных системы внутреннего позиционирования осуществляется через пользовательский интерфейс.

Не редко систему внутреннего позиционирования на основе технологии VLC

интегрируют с ИНС. Координаты местоположения фотодиода/камеры определяются с помощью встроенных инерциальных датчиков мобильного телефона.

Также существуют системы, где системы внутреннего позиционирования на основе технологии VLC интегрируются с лазерными технологиями, где положение устройства/объекта идентифицируется с помощью лазера относительно других источников света.

При проектировании системы внутреннего позиционирования на основе VLC-

технологии нужно обратить внимание на следующее:

Какой вид светодиода вы хотите использовать. Существует всего два вида светодиодов – это с белым и цветным свечением. Они различаются между собой лишь по скорости передаче данных (для светодиодов белого и цветного свечения >100 Мбит/с и 40

Мбит/с, соответственно) и широтой пропускания частот модуляции (для светодиодов белого свечения ограниченная широта, а для цветного свечения наоборот).

Какой способ модуляции сигнала вы хотите использовать. Различают большое количество способов, например, OOK, PPM, CAP, UPSK и другие.

Какой тип приемника вы хотите использовать. Обычно в подобных системах внутреннего позиционирования используют фотодиоды и камеры, зачастую встроенные в мобильном телефоне. Может показаться, что точность получаемых данных будет низкой, но это не так, потому что применяемые в современных мобильных устройствах и планшетах методы решают проблему уплотнения канала связи, когда несколько световых потоков проходят по единому каналу связи.

Для того чтобы найти дистанцию между светодиодом и фотодиодом/камерой применяются соответствующие подходы: ToA/TDoA/RSSi/AoA.

Для того, чтобы определить местоположение объекта/устройства в пространстве данных о дистанции между светодиодом и фотодиодом/камерой будет недостаточно, поэтому необходимо узнать исходное положение фотодиода/камеры в рассматриваемой системе координат. Для решения этой проблемы применяются используются различные подходы позиционирования в пространстве такие как:

метод трилатерации;

метод триангуляции;

метод приближения;

метод дактилоскопической идентификаций.

Помимо выше перечисленных методов в программной среде используются фильтры низких частот, Калмана, Савицкого–Голея и другие для повышения точности позиционирования в пространстве.

Основными плюсами рассматриваемой беспроводной системы внутреннего позиционирования на основе технологии VLC являются:

высокая точность измерений, лежащая в диапазоне от пары сантиметров до половины метра;

источник света (светодиод) не является источником электромагнитных и радиочастотных импульсов, тем самым не создает помех в этом спектре частот;

источник света (светодиод) имеет широту пропускания сигнала в сотню мегагерц и большую скорость передачи сигнала к фотодиоду;

система внутреннего позиционирования на основе технологии VLC может успешно использоваться больницах и поликлиниках;

энергоэффективность;

высокий уровень безопасности, который обусловлен отсутствием возможности распространяться свету за пределы стен и перегородок помещения;

низкая стоимость;

высокая надежность, обусловленная отсутствием возможности распространяться свету за пределы стен и перегородок помещения, тем самым, не формируя помех;

высокий период работы источников света (светодиод).

Основными минусами рассматриваемой беспроводной системы внутреннего

позиционирования на основе технологии VLC являются:

необходимость отсутствия материальных препятствий (стен, ограждений и т.п.)

между светодиодом (источник света) и фотодиодом/камерой (приемник);

в системе позиционирования на основе рассматриваемой технологии скорость передачи данных сильно ограничена скоростью процесса кодирования/декодирования сигнала светодиода;

необходимость использования корректирующих методов фильтрации входных данных для улучшения точности навигации;

возможность создания помех при использовании нескольких источников света,

работающих на одной и той же полосе частот;

необходимость в минимизации эффекта многолучевого отражения в

помещении;

для обеспечения высокой точности позиционирования на основе исследуемого метода, необходимо равномерно размещать источники света в помещении;

применение комплексных методов навигации, является причиной длительной работы внутреннего позиционирования;

внутренняя система позиционирования на основе VLC-технологии ранее не использовалось в реализации коммерческого продукта, готового к внедрению на реальные объекты;

в системах внутреннего позиционирования, которые основаны на определении положения устройства/объекта на основе пары источников света, неприемлемы поломки светодиодов, так как, если это произошло навигация на основе данного будет метода невыполнима.

1.5.Технология инерциального позиционирования

Под технологией инерциального позиционирования понимается отслеживание положения объекта в пространстве и определение характеристик его перемещения. Принцип данного метода позиционирования состоит в нахождении линейного и углового ускорения устройства/объекта и ориентации в пространстве, при помощи встроенных инерциальных датчиков (гироскоп и акселерометр) на отслеживаемом устройстве/объекте. С помощью значений углового и линейного ускорения и ориентации в пространстве можно определить с какой скоростью, по какой траектории двигается объект/устройство и т.п. данные.

Разработка микроэлектромеханических систем подтолкнуло к созданию огромного разнообразия малогабаритных, дешевых, энергоэффективных и надежных беспроводных электрических устройств, применяемых во всех областях коммерческой и промышленной индустрии. А с течением времени в результате усовершенствования в технологическом и производственном смысле, например, улучшение параметров датчиков на базе микроэлектромеханических систем (МЭМС), повлияло на их использование в наземной и воздушной отрасли военной и коммерческой промышленности, космической, энергетической и других отраслях.

При использовании в инерциальной навигационной системе миниатюрных датчиков,

выполненных на базе микроэлектромеханической системы (МЭМС), позволяло при сохранении, а даже увеличении надежности, снизить стоимость, массу и размеры по

сравнению с классическими ИНС использующими достаточно габаритные механические элементы. Помимо этого, датчики на базе микроэлектромеханическиой системы в большинстве ситуаций могут эксплуатироваться в более суровых условиях, что является следствием возможности обширного диапазона использования инерциальных навигационных систем, например, в приложениях мобильного телефона для определения положения в пространстве, что до не давнего времени было не реализуемо.

Главными плюсами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:

автономность;

относительно низкая стоимость;

низкое энергопотребление;

простота интеграции в системы;

помехозащищенность.

Главными минусами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:

акселерометры и гироскопы постепенно увеличивают ошибку позиционирования из-за смещений и дрейфов относительно значений выставки начальных параметров, также показания датчиков (акселерометр, гироскоп) подвержены ошибкам линейного и углового ускорения, ошибкам масштабного коэффициента;

данные с датчиков постепенно увеличивают ошибку позиционирования это связано с тем, что при работе инерциальной навигационной системы все получаемые данные

сдатчиков интегрируются вместе с получаемыми погрешностями.

Подходы, которые зачастую используются в позиционировании на основе рассмотренной технологии: PDR/AHRS.

Технологии беспроводного позиционирования внутри помещений, упомянутые выше,

хоть и могут достигать точности позиционирования в диапазоне от сантиметров до метров, но эти технологии по-прежнему трудно использовать при определенных условиях, таких как покупка и размещение беспроводных устройств, что нельзя сказать про технологию инерциального позиционирования на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС).

В своей работе Эль-Шейми, Н.; Ниу, Х. писали, что «развитие МЭМС и миниатюризация электроники делают возможным массовое производство пластинчатых физических датчиков для определения угловой скорости и ускорения»4. Эти пластины

4 Эль-Шейми, Н.; Ниу, Х. Перспективы MEMS для навигационного сообщества. Inside GNSS

2007, 2, 46-56.