Localizzazione e tracciamento indoor con e senza infrastrutture Davide Merico (davide.merico@disco.unimib.it) Università degli Studi di Milano-Bicocca DISCo, NOMADIS TECH IT EASY - Telemobility Forum 08 Milano, 05 novembre 2008
Mobilità e Localizzazione La conoscenza della posizione geografica dell utente ha forti implicazioni. dal punto di vista dell utente: Permette di fornire servizi mirati e rilevanti in quella locazione. Aiuta nella navigazione e localizzazione in aree sconosciute all utente. dal punto di vista del sistema: Permette di trovare un particolare utente (e.g. emergenze). Permette di raccogliere informazioni per ottimizzare il funzionamento del sistema stesso e.g. ottimizzazione di flussi, percorsi, edifici, accessi etc. 05 novembre 2008 2
Localizzazione e Tracking Localizzazione: dove sono? Tracking: come mi sto muovendo? I sistemi di localizzazione e tracking hanno utilizzi estremamente variabili: per applicazione per luogo di utilizzo per granularità in quale edificio si trova l utente? in quale stanza? con accuratezza di 1m in 2d. con accuratezza di 10 cm in 3d. tipologia dell entità in movimento veicolo (auto, aereo, ), persona, robot, etc. finalità di utilizzo (tracking, riconoscimento dell entità in movimento) 05 novembre 2008 3
Sistemi di Localizzazione e Tracking: Problemi Infrastrutture (presenza/assenza). Accuratezza e precisione. Costi e pervasività. Complessità movimento. 05 novembre 2008 4
Tecniche di localizzazione e tracking 05 novembre 2008 5
Tecniche di calcolo delle distanze Ranging Utilizzano un emissione di energia (elettromagnetica o pressione nell aria). potenzialmente andata e ritorno. È possibile utilizzare le seguenti caratteristiche dell emissione: Tempo di viaggio (assoluto/relativo). Intensità. Effetto Doppler. Fase (interferometria). Angolo di provenienza. Problemi riscontrabili: Difficoltà di misura (alcuni segnali viaggiano alla velocità della luce). Riflessioni che creano segnali multipli. 05 novembre 2008 6
Tecniche di calcolo degli spostamenti Dead Reckoning Il Dead Reckoning è la stima della posizione sulla base del calcolo degli spostamenti da un punto iniziale noto. Il calcolo si basa su direzione e velocità in un dato intervallo di tempo. Utilizza sensoristica inerziale (e.g. accelerometri, magnetometri, giroscopi). Problemi riscontrabili: precisione dei sensori. 05 novembre 2008 7
Tecnologie per sistemi di localizzazione e tracking La maggioranza dei sistemi di localizzazione e tracking sono basati su: intensità del segnale (e.g. Received Signal Strength Indicator - RSSI) misure inerziali emissioni a impulsi (e.g. Ultrawide Band - UWB) ultrasuoni interferometria feedback utente Il laboratorio NOMADIS ha svolto una valutazione comparativa delle tecnologie elencate. 05 novembre 2008 8
Valutazione di sistemi di localizzazione RSSI (1) Valutazione di sistemi commerciali RSSI WiFi Ekahau Aeroscout Valutazione di sistemi commerciali RSSI ZigBee Texas Instruments/Chipcon 05 novembre 2008 9
Valutazione di sistemi di localizzazione RSSI (2) Abbiamo realizzato e valutato un sistema di localizzazione basato su RSSI (ZigBee Jennic). L ambiente di valutazione è composto da diverse zone logiche infrastruttura con diversi nodi di riferimento un oggetto mobile D.Merico, A. Mileo, S.Pinardi, R.Bisiani. A Logical Approach to Home Healthcare with Intelligent Sensors Network Support. The Computer Journal, Special Issue on Artificial Societies for Ambient Intelligence. 05 novembre 2008 10
Valutazione di sistemi di localizzazione RSSI (3) I dati raccolti nell ambiente di valutazione hanno permesso di: caratterizzare il comportamento del segnale RSSI. implementare un sistema di tracking (90% dei cambi di zona riconosciuti correttamente). 05 novembre 2008 11
Valutazione di sistemi inerziali (1) Vectronix DRC (Dead Reckoning Compass) Honeywell GyroDRM 05 novembre 2008 12
Valutazione di sistemi inerziali (2) Abbiamo comparato le due unità inerziali valutandone le prestazioni all interno di un edificio. Molti errori su percorsi lunghi. D. Merico and R. Bisiani. Indoor Navigation with Minimal Infrastructure. In proc. of WPNC 07 (4th Workshop on Positioning, Navigation and Communication 2007 - http://www.wpnc.net). Hannover, Germany, March 22, 2007. 05 novembre 2008 13
Valutazione di sistemi inerziali (3) Utilizzando un infrastruttura di ricalibrazione (e.g. WSN) la precisione della localizzazione aumenta sensibilmente. Ricalib. ogni 10 m Ricalib. ogni 20 m Ricalib. ogni 50 m Mean errors (meters) 10m 20m 30m 50m GyroDRM 1.01m 1.68m 2.46m 3.12m DRC 0.91m 1.38m 1.67m 2.21m 05 novembre 2008 14
Valutazione delle altre tecnologie Valutazione sistema UWB Ubisense Time Difference of Arrival Angle of Arrival Valutazione sistema ultrasuoni Cricket Time Difference of Arrival Valutazione interferometria Radio Interferometric Positioning System (RIPS). 05 novembre 2008 15
Valutazione tecniche di interazione con l utente (1) Il feedback dell utente è un importante fonte sensoriale. Aumenta la precisione della localizzazione. Abbiamo sviluppato un sistema di localizzazione e tracciamento che utilizza il feedback dell utente per ricalibrare un unità inerziale. Nessuna infrastruttura necessaria. Non sempre applicabile. R. Bisiani, D. Merico and F. Malizia. Indoor Navigation without a Localization Infrastructure. In proc. of Mobile Guide 2006 (http://mobileguide06.di.unito.it/), Torino, Italy, October 18, 2006. D. Merico and R. Bisiani. Indoor Navigation with Minimal Infrastructure. In proc. of WPNC 07 (4th Workshop on Positioning, Navigation and Communication 2007 - http://www.wpnc.net). Hannover, Germany, March 22, 2007. 05 novembre 2008 16
Valutazione tecniche di interazione con l utente (2) Utilizzo di augmented photos per feedback. R. Bisiani, D. Merico and F. Malizia. Indoor Navigation without a Localization Infrastructure. In proc. of Mobile Guide 2006 (http://mobileguide06.di.unito.it/), Torino, Italy, October 18, 2006. D. Merico and R. Bisiani. Indoor Navigation with Minimal Infrastructure. In proc. of WPNC 07 (4th Workshop on Positioning, Navigation and Communication 2007 - http://www.wpnc.net). Hannover, Germany, March 22, 2007. 05 novembre 2008 17
Riepilogo tecnologie Indoor Categorie di sistemi Accuratezza Precisione Costo Utente RSSI Reti di Sensori 1-5 m bassa basso basso Costo Infrastrutturale Principali Limitazioni precisione RSSI WiFi 1-5 m bassa basso medio Sistemi Inerziali 10-15 m bassa basso (futuro) UWB 30 cm 3D alta basso alto precisione, costo infrastruttura Scartando le tecnologie con alto costo infrastrutturale, il problema principale della maggior parte delle tecnologie è la bassa precisione! 05 novembre 2008 18 zero Ultrasuoni TDOA 50 cm 3D media basso medio Interferometria 25 cm 50 cm media basso basso precisione costo infrastruttura costo infrastruttura pesantezza computazionale, multipath
Come migliorare la precisione di localizzazione e tracking? Utilizzo contemporaneo di numerose informazioni di localizzazione (stream sensoriali). Sfruttando la diversità delle caratteristiche degli errori degli stream sensoriali. Realizzando architetture di integrazione. Sfruttando la presenza di infrastrutture di ricalibrazione. 05 novembre 2008 19
Esempio. Tracking con tre stream sensoriali (1) Modello cinematico dell entità in movimento. Combinazione e fusione di diverse sorgenti di informazione. WiFi RSSI, Contapassi, Mappe Ambientali Wang H., Lenz H., Szabo A., Bamberger J., Hanebeck U. D., WLAN-Based Pedestrian Tracking Using Particle Filters and Low-Cost MEMS Sensors, Workshop on Positioning, Navigation and Communication, (WPNC 2007), Hannover, Germany, March, 2007. 05 novembre 2008 20
Esempio. Tracking con tre stream sensoriali (2) Si ottengono risultati complessivi migliori di quelli ottenibili con ciascuno dei singoli stream sensoriali. L aggiunta di distanze e mappe migliora RSSI WiFi del 40% e Kalman del 30%. Errore Medio (m) Deviazione Standard (m) RSSI WiFi 6.44 6.84 Kalman Filter (KF) 5.81 4.07 Particle Filter (PF) 5.57 3.90 PF + Accelerometer 4.54 3.52 PF+ Accelerometer +Map 4.30 2.80 05 novembre 2008 21
Fonti sensoriali utilizzabili 05 novembre 2008 22
NOMADIS Localization Engine Il laboratorio NOMADIS sta realizzando un sistema di localizzazione indoor che utilizza opportunamente tutte le fonti sensoriali elencate. sfrutta la modellazione del movimento per migliorare l accuratezza in presenza di dati rumorosi. migliorare la precisione del tracciamento. utilizza, quando possibile, un infrastruttura di ricalibrazione basata su Wireless Sensor Networks (Jennic ZigBee). 05 novembre 2008 23
Davide Merico davide.merico@disco.unimib.it