Integration of ultrasonic and inertial methods in indoor navigation system

• Autorzy: Tokarz K. , Czekalski P. , Sieczkowski W.

Warianty tytułu

PL

Integracja metody ultradźwiękowej i inercyjnej w systemie nawigacji wewnątrz budynku

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents integration of ultrasonic and inertial approaches in indoor navigation system. Ultrasonic navigation systems allow to obtain good results whilst there are at least three beacon transmitters in the range of mobile receiver, but in many situations placement of large number of transmitters is not economically justified. In such situations navigation must be aided by other technique. This paper describes research on supporting ultrasonic system by inertial system based on Magnetic, Angular Rate and Gravity sensor. This can measure current orientation of the receiver and allows to estimate the length of the path by pedometer functionality.

PL

Metody określania aktualnej pozycji są przez ludzkość używane i rozwijane od zawsze. Wczesne metody, stosowane przez wiele lat, zwłaszcza podczas podróży morskich, polegały na określaniu pozycji na podstawie układu widocznych ciał niebieskich, a w późniejszych latach także kompasu. Postęp w elektronice i telekomunikacji, który nastąpił w XX wieku, umożliwił wprowadzenie nowych technologii takich jak kompas żyroskopowy, radary i wreszcie nawigację satelitarną, której przykładem jest system GPS (Global Positioning System). System GPS jest obecnie dostępny dla każdego mieszkańca Ziemi pozwalając na wyznaczenie jego połoźenia w dowolnym miejscu kuli ziemskiej z dokładnością sięgającą kilku metrów. Dostępne obecnie urządzenia nawigacyjne są z powodzeniem stosowane do lokalizacji w przestrzeni otwartej osób, pojazdów, statków morskich i powietrznych. Niestety, sygnał pochodzący z satelitów jest silnie tłumiony przez konstrukcje budowlane co uniemożliwia zastosowanie satelitarnych odbiorników nawigacyjnych wewnątrz budynków. W literaturze można znaleźć różne metody rozwiązania problemu pozycjonowania obiektu w pomieszczeniach zamkniętych, wykorzystujące różne techniki i zjawiska fizyczne. Wymienić tutaj należy metody bazujące na pomiarze czasu propagacji fal ultradźwiękowych, pomiarze mocy odbieranych sygnałów radiowych generowanych przez specjalne nadajniki lub przez elementy istniejącej infrastruktury sieci bezprzewodowej czy pomiarze przyspieszeń za pomocą czujników MEMS. Kilka systemów doczekało się komercyjnej realizacji (Sonitor, Indoor Atlas, WiGLE, iBeacon). W pracy przedstawiono konstrukcję i wyniki pomiarów hybrydowego systemu pozycjonowania bazującego na pomiarze czasu propagacji fali ultradźwiękowej i radiowej wspomaganego metodą inercyjną. System składa się z rozmieszczonych w obiekcie stacjonarnych urządzeń nadawczych oraz z odbiornika będącego urządzeniem mobilnym. Stacje nadawcze emitują impulsy ultradźwiękowe oraz jednocześnie sygnał radiowy zawierający identyfikator stacji. Mierząc róznicę czasu dotarcia obu sygnałów odbiornik jest w stanie wyznaczyć odległość dzielącą go od nadajnika. Gdy w pomieszczeniu jest kilka nadajników odbiornik, wykorzystując multilaterację, może z dużą dokładnością wyznaczyć swoje aktualne położenie. Urządzenie odbiorcze wyposażone zostało także w czujnik typu MEMS, który pełni funkcję kompasu pozwalając na ustalenie aktualnej orientacji odbiornika względem kierunków geograficznych oraz krokomierza, który służy do oszacowania odległości przebytej przez osobę poruszajacą się w przypadku braku sygnału z urządzeń nadawczych. System jest zbudowany z wykorzystaniem mikrokomputerów jednoukładowych z rodziny AVR. Skonstruowany system został poddany badaniom dokładności pozycjonowania, a jego błąd nie przekracza 1m.

Słowa kluczowe

EN

ultrasonic navigation; inertial navigation; dead reckoning; position measurement

PL

nawigacja ultradźwiękowa; nawigacja inercyjna; pomiar pozycji

• Wydawca: Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej Polskiej Akademii Nauk
• Czasopismo: Theoretical and Applied Informatics
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 26, No. 3-4
• Strony: 107--117
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys.

Twórcy

autor

Tokarz K.

• Institute of Informatics Silesian University of Technology ul. Akademicka16, Gliwice, Poland

autor

Czekalski P.

• Institute of Informatics Silesian University of Technology ul. Akademicka16, Gliwice, Poland

autor

Sieczkowski W.

• Mentor Graphics Polska sp. z o.o., Chorzowska 50, 40-121 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Bratcher, A. J. Navigation at Sea, History of: An entry from Macmillan Reference USA's Water: Science and Issues. Macmillan Reference USA, 2003.
• [2] Miu, A. K. L. Design and Implementation of an Indoor Mobile Navigation System. Master’s thesis. Massachusetts Institute of Technology, May 2002.
• [3] Priyantha, N. B. The Cricket Indoor Location System. Massachusetts Institute of Technology, June 2005.
• [4] Grzechca D., Biolik B., Chruszczyk Ł., Fiołka J.: Indoor location based on the signal fusion -mobile device and base station for 433 MHz band. 3rd International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation. IPIN 2012, Sydney, Australia, 13-15.11.2012. pp. 40-49.
• [5] Welch G. and G., Bishop G. An Introduction to the Kalman Filter. University of North Carolina at Chapel Hill, Dept. of Computer Science.
• [6] Ward, A. M. R. Sensor-driven Computing. University of Cambridge, 1998.
• [7] Harter, A., et al. The Anatomy of Context-Aware Application. Wireless Networks, February 2002. Vol. 8, pp. 187-197.
• [8] Bahl, P. and Padmanabhan, V. N. RADAR: An In-Building RF-based User Location and Tracking System. IEEE INFOCOM 2000, p. 775-784.
• [9] Dean, E.A. Atmospheric effects on the speed of sound. Physics Department, University of Texas at El Paso, August 1979.
• [10] Madgwick, S. An efficient orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays.April 2010.
• [11] Scarlett, J. Enhancing the Performance of Pedometers Using a Single Accelerometer, AN-900 application note. Analog Devices.
• [12] Weinberg, H. Using the ADXL202 in Pedometer and Personal Navigation Applications, AN602 Application note. Analog Devices, 2002.