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

Реферат Выпускная квалификационная работа содержит 71 страницу, включая 6 таблиц, 18

рисунков, 72 литературных источника.

Ключевые слова: технология внутреннего позиционирования; датчик мобильного телефона; микроэлектромеханическая система (МЭМС); метод счисления пути пешехода

(PDR); инерциальная система навигации; метод фильтрации данных.

Цель работы - разработка алгоритма автономной навигации в помещении с использованием мобильных устройств, на основе встроенных микроэлектромеханических систем (МЭМС).

Диссертация состоит из технического задания, введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Список использованных источников состоит из наименований, включающих различные научные статьи, техническую и учебную литературу.

В техническом задании ставятся задачи на выполнение выпускной квалификационной работы, а также определяются требования к разрабатываемому алгоритму внутреннего позиционирования. Во введении обосновывается выбор темы выпускной работы, ее актуальность и значимость. В первой главе проводится обзор и анализ существующих подходов, применяемых в системах внутреннего позиционирования. Во второй главе рассмотрена общая структура к использованию МЭМС-технологии в инерциальных навигационных системах (ИНС). Исследованы особенности, преимущества и недостатки, а

также способы устранения ошибок позиционирования ИНС. В третей главе разработан алгоритм внутреннего позиционирования, предложены методы сбора, фильтрации и последующей обработки данных от датчиков встроенной ИНС с целью построения пройденного маршрута, а также предложены методы коррекции на основе линейных и угловых калибровочных точек решающие проблемы точности позиционирования. В четвертой главе представлены результаты работы алгоритма на основе данных датчиков, встроенных в мобильное устройство и алгоритма с использованием тех же данных, но с использованием методов коррекции.

Область применения результатов: интеграция разработанного алгоритма в мобильные приложения для автономной навигации в замкнутом пространстве.

В настоящее время развитие МЭМС позволяет создавать широкий спектр мобильных устройств, применяемых в различных отраслях промышленности и на потребительском рынке в части использования в ИНС. Применение МЭМС-акселерометров и гироскопов позволяет реализовать методы инерциальной навигации на базе недорогих и энергоэффективных мобильных устройств, что дает возможность обеспечить позиционирование внутри помещений сложной структуры в отсутствии внешних источников данных.

Техническое задание Предметом исследовательской работы является исследование и разработка алгоритма

внутреннего позиционирования с использованием мобильных устройств на основе МЭМС-

технологии.

Целью данной исследовательской работы является разработка алгоритма автономной навигации в помещении с использованием мобильных устройств, на основе встроенных микроэлектромеханических систем (МЭМС).

В ходе выполнения научно-исследовательской работы должны быть выполнены следующие задачи:

разработка алгоритма внутреннего позиционирования с использованием датчиков встроенной в мобильное устройство инерциальной навигационной системы (ИНС):

акселерометра и гироскопа.

разработка методов коррекции данных в части определения длины пройденного пути, азимута и угла поворота с целью повышения точности позиционирования;

экспериментальная проверка разработанного алгоритма на тестовых картах.

Для алгоритма внутреннего позиционирования на основе данных, получаемых от датчиков ИНС, необходимо получить сравнительную характеристику зависимости точности позиционирования от ошибки в интервале [0.5; 2.5] метра.

Для алгоритма внутреннего позиционирования на основе данных, получаемых от датчиков ИНС с использованием методов коррекции, необходимо:

Определить минимальную ошибку позиционирования с точностью позиционирования [95 ± 1]%;

получить сравнительную характеристику точности позиционирования от ошибки в интервале [0.5; 2.5] метра.

Цель исследовательской работы: исследование и разработка алгоритма автономной навигации в помещении с использованием мобильных устройств на базе микроэлектомеханических систем.

Задачи данной исследовательской работы:

проведение аналитического обзора литературы, затрагивающей технические проблемы данной научно-исследовательской работы;

обзор и сравнительный анализ подходов, применяемых в системах внутреннего позиционирования;

исследование и анализ общей структуры к использованию технологии внутреннего позиционирования применимой в данной научно-исследовательской работе;

анализ особенностей, преимуществ и недостатков исследуемой навигационной системы, а также анализ уже существующих методов и алгоритмов для решения проблем позиционирования;

предоставление подхода к использованию исследуемой системы навигации с использованием мобильных устройств на базе микроэлектомеханических систем;

анализ всевозможных способов устранения возникающих ошибок позиционирования с использованием инерциальных навигационных систем;

анализ методов обработки данных от встроенных датчиков мобильного устройства для построения траектории пройденного пути;

разработка алгоритма внутреннего позиционирования на основе ранее исследуемых методов обработки данных;

представление результатов эксперимента (построение траектории пройденного пути, сравнительный анализ точности позиционирования).

1. Подходы, применяемые в системах внутреннего позиционирования Внутренняя система позиционирования (ВСП) — это сеть устройств, используемых для

определения местоположения людей или объектов там, где спутниковая система навигации

(ССН) и другие спутниковые технологии недостаточно точны или вообще не работают,

например, внутри многоэтажных зданий, аэропортов, переулков, гаражей и подземных переходов.

Для обеспечения позиционирования в замкнутых пространствах применяется большое разнообразие подходов и технических устройств. Примерами таких устройств являются:

реконфигурируемые технические устройства (РТУ), мобильные устройства, Wi-Fi и Bluetooth

антенны, цифровые наручные часы и фото и видеокамеры, которые используются в заранее спроектированных установках с коммутационными устройствами и анкерными точками или маяками, размещенными с соблюдением установленных диапазонов в пространстве.

ВСП может обеспечить точность определения местоположения в 2 см, что соответствует приемникам ГНСС, которые в свою очередь при определенных условиях способны достигать схожей точности вне замкнутого пространства. В внутренней системе позиционирования используются разные подходы (технологии), например, измерение расстояния до ближайших узловых точек (под узловыми точками подразумевается, точки в пространстве с заранее фиксированными позициями, например, точки доступа WiFi, Bluetooth

маяки или Ultra-Wide Band (UWB)), оптическое позиционирование, магнитное позиционирование, инерциальное позиционирование. Они либо активно определяют местонахождение мобильных устройств и меток, либо сообщают о местоположении или окружающем контексте устройствам для обнаружения. Из-за того, что внутренняя система позиционирования является локальной это привело к фрагментации системы — это значит,

что система использует различные технологии (оптические, радиочастотные, ультразвуковые и т.д.).

В главе исследуем основные группы технологий внутреннего позиционирования,

детально рассмотрим каждый из них, определим их плюсы и минусы, сделаем выводы по поводу того какую технологию стоит использовать, исходя из поставленных целей и задач исследовательской работы.

Основные подходы внутренних систем позиционирования (ВСП):

Технология магнитного позиционирования;

Технология ультразвукового позиционирования;

Технология оптического позиционирования;

Технологии инерциального позиционирования;

Беспроводные радиолокационные технологии.

1.1.Беспроводные радиолокационная технологии

Самой большой категорией ВСП, которая состоит из нескольких подкатегорий,

является беспроводная радиолокационная технология. Эта технология имеет такое название,

потому что для определения и дальнейшего отслеживания положения технического устройства в пространстве используются радиосигналы.

1) Ultra-wideband (UWB, ultra wideband, ultra-wide band and ultraband) — это беспроводная энергоэффективная радиолокационная технология, которая используется для связи на короткие расстояния с высокой пропускной способностью в большей части радиочастотного спектра. UWB обычно применяется в одиночной радиолокации. Одни из последних приложений нацелены на определение положения технического устройства и дальнейшего отслеживания на основе сбора данных с датчиков. Возможность использовать

UWB появилась еще с 2019 года в мобильных телефонах флагманской серии.

Полоса пропускания при передачи данных составляет не менее 500 МГц., что говорит о высоком уровне помехозащищенности, т.к. широкая полоса пропускания сигнала дает возможность передать большее количество энергии сигнала, тем самым, не создавая помех в полосе пропускания для других устройств.

В своей работе Ди Бенедетто, М.Г. писал, что «вводимые регулярные ограничения в большинстве стран дают возможность результативно использовать доступную полосу пропускания радиосвязи, они заключаются в обеспечении подключения к персональной вычислительной сети (ПВС), передача данных в которой достигают очень высоких значений»1.

Системы позиционирования в реальном времени (СПРВ) основанные на UWB

технологии, зарекомендовали себя как системы с отличной точностью.

Главными плюсами рассматриваемой технологии являются:

высокая энергоэффективность;

помехозащищенность;

безопасность;

отсутствие помех в полосе пропускания сигнала для других технических устройств, работающих на аналогичной частоте;

точность позиционирования до 20 сантиметров.

Главными минусами рассматриваемой технологии являются:

малая скорость передачи данных на расстоянии до 10 метров (110 Мбит/с);

1 Ди Бенедетто, М.Г. Системы связи UWB: Всесторонний обзор. — Издательская корпорация

"Хиндави", 2006. — 497 с.

далеко непростая инфраструктура;

создание помех для ССН.

Подходы, которые зачастую используются в позиционировании на основе рассмотренной технологии: TDoA/ToA/AoA/ToF.

2) Навигация на основе Wi-Fi — это система беспроводного локального позиционирования, основанная на использовании данных локальных точек доступа, для определения местоположения отслеживаемого устройства.

Рассматриваемая система обычно применяется для навигации в замкнутых пространствах, где позиционирование с помощью ГНСС и ССН не дают адекватных показаний, это может происходить по ряду причин, включая многолучевое распространение и сложности приема и передачи сигнала из замкнутых пространств таких как, здания, метро,

туннели, или если позиционирование с помощью ГНСС занимает слишком много времени.

ССН относят к вспомогательным системам позиционирования для определения локальной позиции в замкнутых пространствах. Положительный аспект развития навигации на основе

Wi-Fi это быстрый рост числа точек беспроводного доступа в городских районах в начале 21

века, на сегодняшний момент практически в каждом помещении используются Wi-Fi модули.

Самый часто используемый подход для позиционирования устройств в помещении с помощью точек доступа Wi-Fi, базируется на определении изменения интенсивности принимаемого сигнала (индикатор мощности принимаемого сигнала или RSSI) и методе

«отпечатков пальцев». Типичные параметры, которые используются для определения геолокации это: MAC-адреса и SSID номера, эти данные получают с точек доступа Wi-Fi.

Точность полученных данных будет зависеть от того сколько Wi-Fi точек расположено поблизости, все данные заносятся в базу отслеживаемого технического устройства (планшета,

мобильного телефона, карманного персонального компьютер (КПК) и др. устройств). Данные вносятся в базу путем их сопоставления ССН о местоположении мобильных устройств с MAC-

адресами локальных Wi-Fi точек. Данные действия могут привести к увеличению ошибок позиционирования, для того чтобы минимизировать ошибки, неточности и флуктуацию принимаемого сигнала можно применить определенные методы фильтрации шума.

В массовом применении Wi-Fi не применялся в качестве способа навигации технических устройств в замкнутом пространстве из-за очень маленькой точности позиционирования на уровне расположения Wi-Fi модулей, поэтому того чтобы улучшить точность позиционирования необходимо применить дополнительные подходы, например,

RSSi или TDoA.

Главными плюсами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:

повсеместное использование в помещениях;

маленькая стоимость Wi-Fi модулей.

Главными минусами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:

увеличение точности позиционирования прямо пропорционально количеству размещенных Wi-Fi модулей в помещениях;

низкая помехозащищенность;

низкая точность.

Подходы, которые зачастую используются в позиционировании на основе рассмотренной технологии: TDoA, RSSi.

3) Навигация на основе WiMAX (англ. сокращение worldwide interoperability for microwave access) – технология беспроводного позиционирования, функционирующая на большие расстояния. Эта технология основана на наборе стандартов IЕЕЕ 802.16. Благодаря этому стандарту появляется возможность использования PHY (с англ. physical layer protocol

— протокол физического уровня) и управления MAC-адресами.

Изначально скорость передачи данных технологии WiMAX измерялась в пределах 30

– 40 Мб/с, но в результате усовершенствований систем в 2012 году обеспечило скорость передачи данных вплоть до одного гигабита в секунду при использовании неподвижных станций.

Структура WiMAX преставляет из себя совокупность нескольких частей:

станций абонентской и базовой связи;

оборудования необходимого для передачи данных, которая связывает необходимые данные базовых станций с поставщиком услуг, для дальнейшего подключения

кинтернету;

оборудования необходимого для передачи данных между базовыми станциями для передачи данных на большие расстояния.

Для того чтобы подключиться к абонентской станции с базовой, применяется диапазон частоты в диапазоне 1,5 – 11 ГГц, в результате чего скорость приема и передачи данных может достигать 70 Мбит/с.

Большинство систем массовой информации называют WiMAX улучшенной версией

Wi-Fi. Которая может применяться для множества различных приложений и систем, включая