Novinky zeměměřické knihovny č. 3/2006

Klíčová slova: lokační systém

Abstrakt:

Pro zjišťování polohy osob a objektů v budovách byla vyvinuta řada metod. Příspěvek popisuje hlavní metody, vedle infračervených systémů, ultrazvukových či rádiových i vizuální poziční systémy. Tyto systémy mohou zaznamenat i částečný vstup mezi navigační systémy, jelikož jejich mobilní uživatel je lokalizován nejen v městském exteriéru, ale i v  budovách.

1.                 Úvod

Navigace, a s ní spojené určení pozice, provází lidstvo již odedávna. Svědčí o tom zprávy řeckých historiků o námořnících, kteří na základě postavení hvězd určovali kurs lodi a za evangelisty Matouše to byli mudrcové z Východu, kteří následovali hvězdu nad Betlémem. Od té doby se v navigaci mnoho změnilo. GPS umožňuje v dnešní době celosvětovou navigaci v oblastech s volnou viditelností na satelity. S rostoucími technickými možnostmi rostou také požadavky na zajištění navigace a stanovení pozice objektů a osob v budovách. Projekt NAVIO (navigace chodců v budovách a městské zástavbě), který se zabývá navigací chodců nejen vně, ale i uvnitř budov,  je jednou z částí celého problému a je v současné době řešen na Technické univerzitě ve Vídni. Zásadním cílem projektu je kontinuální určení pozice chodců, plynulý přechod navigace mezi prostorem venkovním a vnitřním a přesné stanovení podlaží ve vícepodlažních budovách. Toto pojednání popisuje některé dílčí aspekty projektu NAVIO a zabývá se tématem stanovení pozice v budovách. Nejdříve je pojednáno o různých typech signálů, které se při určení pozice používají. Poté jsou představeny různé sestavy přístrojů a na závěr je porovnání těchto systémů.

2.                 Typy signálů vhodných pro určení pozice

V podstatě mohou být využity různé signály. Běžně využívány jsou infračervené, ultrazvukové, rádiové a světelné z oblasti viditelného spektra. V dalších odstavcích budou krátce popsány včetně jejich výhod a nevýhod.

2.1  Infračervené světlo

Infračervené paprsky jsou neviditelné elektromagnetické vlnění, jehož spektrum se nachází v oblasti mezi červeným světlem a mikrovlnným zářením. Je potřeba rozlišovat mezi krátkými, středními a dlouhými vlnami infračerveného záření. Krátkovlnné s vlnovou délkou 0,8-3 μm, navazuje na viditelnou část spektra. Dlouhovlnné je naopak s délkou vlny 20-300 μm. Protože infračervené záření je neviditelné, hodí se dobře pro systémy zjišťování pozice. Infračervené paprsky se šíří rychlostí světla s dosahem několika metrů. Protože je jejich prostupnost zdmi omezená je jejich využití omezeno na jednotlivé prostory. Na druhé straně není nutné žádné přímé propojení vysílače s přijímačem, postačuje i signál odražený. Proto se nekladou žádné přesné požadavky na umístění přístrojů v místnosti. Signál lze modulovat, čímž lze rozlišit různé přijímače. Vysílače i přijímače jsou snadno dostupné a relativně levné.

2.2  Ultrazvuk

Ultrazvukem je označován zvuk na prahu slyšení lidského ucha s frekvencemi mezi 20 kHz až 1000 MHz. Ve srovnání s infračerveným zářením a rádiovými signály se zvuk šíří ve vzduchu pomaleji, a to rychlostí 330m/s. Proto je jednodušší s malými náklady dosáhnout vysoké přesnosti při spojení. Při nárazu na překážku se signál odráží. Tohoto využívají např. netopýři, kteří se pomocí odražených signálů orientují. Dosah signálu je silně omezen výkonem vysílače. Signál je produkován pomocí piezoelektrického jevu. Na vhodně broušené krystaly se působí elektrickým polem. Tím se dosahuje rychlé pružné deformace krystalu a vzniká ultrazvukové vlnění. Ultrazvukové vysílače a přijímače jsou laciné a proto jsou vhodné pro komerční využití.

2.3  Rádiové signály

Rozsah rádiových signálů s frekvencí několika desítek až 300 milionů kmitů za sekundu jsou signály ultrakrátké, krátké a střední vlny. Rádiové vlny představují část elektromagnetického spektra mezi 75 kHz a 10 GHz. Rádiové vlny jsou využívány jako nosné vlny pro bezdrátový přenos informací (např. rozhlas, mobilní sítě, LAN sítě nebo Bluetooth). Principiálně lze rozlišit dva druhy rádiové modulace, a to frekvenční a amplitudovou. Na rozdíl od infračervených paprsků a viditelného světla prostupují zdmi, a proto není jejich využití omezeno pouze na uzavřené prostory.

2.4  Viditelné světlo

Viditelné pro lidské oko jsou signály o vlnové délce mezi 400 a 750 nanometrů. Jsou složeny ze všech barev duhy. Viditelné světlo má oproti jiným signálům tu výhodu, že je k dispozici všude a  není nutné vyrábět ho uměle. Pro využití jsou vyráběny CCD-senzory.

3.                 Metody zjištění pozice

Signály popsané v kapitole 2. mohou být využity ve stavbách. K tomu existují různé možnosti, které jsou popsány dále.

3.1  Počáteční buňka

Tuto metodu lze úspěšně využít tam, kde vykazuje systém strukturu buněk. V tomto případě obsáhne každý vysílač na základě svého omezeného dosahu jen určitou oblast. Oblast vysílačů lze ale rozdělit, čímž se docílí buňkové struktury. Na základě signálu získaného z vysílačů jsou některé vysílače vypnuty. Následně jsou všechny vysílače v dosahu identifikovány a se znalostí buňkové skladby jsou stanoveny body,  ve kterých se přijímač nachází.

3.2  Měření tranzitního času

Elektromagnetické signály se šíří rychlostí světla, proto jsou časy měření krátké. Za předpokladu prakticky konstantní rychlosti šíření světla lze měřit vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem. Pro přesný výsledek je potřeba stanovit v rovině tři a v prostoru čtyři vzdálenosti. Uvedené platí nejen pro elektromagnetické vlnění, ale i pro ultrazvuk.

3.3  Měření rozdílů tranzitního času

Vzhledem k tomu, že z jednoho vysílače je signál přijímán více přijímači, dochází k jisté diferenci v době měření. Množina přijímačů s konstantní dobou dosahu signálu leží na hyperbole se dvěma vysílači v ohniscích. Jsou-li změřeny alespoň tři body, lze vyznačit dvě hyperboly, v jejichž dvou průsečících lze označit dvě možné pozice uživatele. Pokud jsou známy souřadnice hledaného bodu např. prostřednictvím údaje mobilního telefonu, lze určit přesnou polohu.

3.4  Měření úhlu dopadu

Při této metodě se používají vysílače a přijímače, kterými lze stanovit směr signálu. Tyto antény jsou složeny z většího počtu antén kruhového tvaru, kterými lze určit směr příchozího signálu. Každému měřenému zdroji signálu odpovídá jedna přímka. Jestliže jsou změřeny dva nebo více známých bodů, lze zjistit v průsečíku přímek hledaný bod, ve kterém je umístěn vysílač. Na újmu této metody je, pokud není mezi vysílačem a přijímačem přímá viditelnost. Pak je zachycen odražený signál, čímž je zkreslen výsledek. K chybám v určení pozice dochází také, jestliže dochází k překrytí přímého signálu signály odraženými.

3.5  Měření síly signálu

Intenzita elektromagnetického signálu klesá se vzdáleností. Je-li síla vysílaného a přijímaného signálu známá, lze spočítat vzdálenost. Intenzita signálu závisí nejen na vzdálenosti, ale i na překážkách, kterými prostupuje, např. zdi, nábytek nebo lidé. Souvislost mezi intenzitou a vzdá-leností lze stanovit dvěma způsoby. První se nazývá metoda otisku prstů. Zde je při měření měřena intenzita signálu a v databance je porovnána s dalšími body se známými souřadnicemi. Druhá metoda nazvaná, metoda modelování signálu, využívá matematický model signálu.

3.6  Určení pozice digitálním obrazem

Ke stanovení pozice v tomto případě se používá speciálních měřicích kamer a fotogrammetrických postupů vyhodnocení.

4.                 Systémy určování pozice v budovách

V této části jsou popsána zařízení využívající výše uvedené metody. Popsán bude především způsob funkce, možnosti nasazení a speciální volitelné vlastnosti. Systémy lze podle využívaných signálů rozdělit do čtyř skupin, a to infračervené, ultrazvukové, rádiové a optické. V závěru jsou systémy porovnány v tabulce.

4.1  Systémy využívající infračervený signál

Dva systémy využívající infračervené paprsky jsou Active Badge (Aktivní čidlo) (Roth, 2002) a  WIPS (Wireless Indoor Positioning System = Bezdrátový interiérový poziční systém) (Roth, 2004).

Systém s aktivním čidlem byl vyvinut specielně pro identifikaci osob v kancelářských objektech. Každý pracovník je vybaven čidlem vysílajícím infračervený signál, který je přijímán stabilními stanicemi a vyhodnocován na centrálním serveru. Čidlo musí být nošeno na těle viditelně, aby bylo zajištěno zachycení signálu na stabilní stanici v okruhu cca 6 m. Protože signál neprostupuje stěnami, musí být v každé oddělené místnosti nejméně jeden přijímač. Počet přijímačů v místnosti závisí na velikosti a členitosti prostoru. Zvláště důležité je osazení přijímačů do strategicky důležitých bodů, jako jsou přístupové chodby a schodiště. Při montáži je potřeba dbát na to, aby snímače byly dostatečně vysoko na stěnách, aby nebyly zakryty přítomnými osobami. Zachycené signály jsou shromážděny a vyhodnoceny v ústředně. Každý vysílač signálu má svou adresu a záznam je identifikován a uložen včetně času záznamu. Přesnost určení polohy je tedy dána velikostí vyhodnocované místnosti. Zásah do uložených dat je povolen pouze autorizovaným osobám definovaným firmou. Uvedený systém je vhodný pro uzavřené komplexy s velkým počtem pracovníků. Cena systému je nízká.

 WIPS – bezdrátový interiérový poziční systém využívá jak aktivních čidel, tak i metodu paměťových míst. Signál vyslaný aktivními čidly je transformován v systému WIPS. Získané údaje jsou prostřednictvím sítě LAN zaslány na server , který vyhodnotí pozici aktivního čidla a  zašle zpětný signál na toto čidlo. Pozice je tedy načítána i u uživatele,  což zvyšuje možnost využití. Čidla jsou malé přenosné počítače a jsou srdcem celého systému. V počítačích je integrovaná PCMCIA karta, umožňující přístup do sítě LAN. Signální majáky jsou osazeny do všech strategicky důležitých místností. Protože dosah je 3 m, je nutné osadit dostatečný počet snímačů. Samotné snímače není nutné propojovat do sítě. Jsou osazeny nezávisle na sobě a každý vysílá vlastní signál. Napájeny jsou z baterie a jejich cena je nízká. Přes síť LAN je každý uživatel připojen na server a má různé možnosti zobrazení zde uložených dat, např. může být informován o pohybu jiných osob.

4.2  Systém využívající ultrazvukový signál

Dva systémy, které používají k určení pozice ultrazvuk, jsou Active Bat (AB) (Hightower a Boriello,  2001) a Cricket.

Active Bat systém byl vyvinut, aby bylo možné určit pozici a pohyb objektů v budovách s velkou přesností. Navíc by mělo být možné stanovit současně orientaci většího počtu objektů jen nepatrně ovlivňujících okolní prostředí. Zde je malý přenosný ultrazvukový vysílač (nazývaný také Bat) upevněn na všech objektech, které chceme lokalizovat. Dále obsahuje mikroprocesor a rádiový přijímač. Na stropě prostor jsou přijímače osazeny do rastrů v odstupech 1,2 m. Všechny přijímače vytvářejí síť propojenou se serverem. Server vysílá každých 195 ms na vysílače a přijímače signál, který obsahuje 16-ti bitovou adresu Batu. Bat, jehož adresa byla vyslána, se aktivuje a vyšle na frekvenci 40 kHz ultrazvukový signál dlouhý 50 μs. Po přijetí signálu přejde Bat do úsporného režimu, ze kterého se aktivuje po 195 ms, aby přijal další signál. Vysílaný ultrazvukový signál se šíří prostorem, je zachycen přijímačem, zesílen, filtrován a digitalizován. Další přijímače, které signál zachytily, sledují dalších 20 ms, zda první snímač vyšle signál. Za 1 sekundu je provedeno 5 měření, čímž se dosáhne v 95% případů přesnosti 14 cm. Metoda poskytuje dobrý přehled o sledovaném prostoru, a přes poměrně velký počet snímačů je cenově dostupná.

U Cricketu jde  především o to, aby uživatel v prostoru dostal potřebné relevantní informace. Přesné určení pozice není upřednostněno a slouží pouze jako prostředek svému účelu. Cílem je ochrana soukromí uživatele. Cricket využívá kombinace signálu ultrazvukového a rádiového. Vysílače jsou namontovány na stěnách a stropě a vysílají současně ultrazvukový a rádiový signál přijímaný mobilními přijímači. Z časového rozdílu zachycených signálů je vyhodnocena vzdálenost od vysílače. Přístroj pak zjišťuje, ke kterému vysílači je nejblíže. Pro zjišťování nejen pozice, ale i orientace, byl vyvinut rozšířenější přijímač Cricket Kompass. Cricket nenabízí tak vysokou přesnost jako Aktive Bat, což zachovává ochranu soukromí. Díky decentralizované struktuře umožňuje uživateli okamžitý vstup do systému a tím jeho rychlou obsluhu. Cena za vysílač i přijímač činí asi 10 USD. Počet vysílačů je odvislý od plochy objektu, rentabilní je pokrytí 1,5 m² jedním vysílačem.

4.3  Systémy využívající rádiový signál

Rádiové signály jsou využívány v mnohých systémech jako GPS, bezdrátové LAN sítě, sítě mobilních telefonů, a to často ve spojení s přenosem dat přes satelity, kde se potom mluví o asistované GPS (A-GPS). Australská firma Locata vyvinula systém lokalizace v budovách, používající podobný signál jako GPS, který je vysílán z pseudosatelitů, rozmístěných v budově. Zjišťování polohy pak probíhá jako při RTK GPS. Další systém využívající rádiový signál je SpotON. U tohoto systému jsou prvky obsahující jak vysílač, tak přijímač, rozmístěny v budově a  současně přenášeny osobami, které mají být lokalizovány. Z měření síly signálu je poté odvozena vzdálenost vysílače od několika přijímačů.

Bezdrátový LAN systém nabízí možnost vybudovat s malými náklady a v krátkém čase místní síť. Doporučují se přitom ustanovení normy IEEE 802.11 z roku 1997 (IEEE -  Institute of Electrical and Electronic Engineers). Norma uvádí cca 9 různých provedení rozlišených dle přenosové frekvence, vlnové délky a kompatibility. Existují dva způsoby využití LAN systémů. Prvním je ad hoc způsob, při němž je navázáno přímé spojení mezi dvěma stanicemi, např. laptopy. Neexistuje zde žádné centrum, které by spojení kontrolovalo.

Druhý je způsob manažer. Zde je systém pevně instalován, výstavba není spontánní. Takzvané přístupové body představují pojítka mezi kabelovou sítí a mobilními uživateli. Mobilní uživatelé se mohou tímto způsobem připojit přes kabelovou síť do internetu.

Velkou výhodou systémů WLAN je, že využívají stávající již postavené sítě. I při velkém počtu uživatelů dochází k významným úsporám. Systém může být využíván dvěma způsoby, a to otisk prstu (Fingerprint) a modelování signálu. Metoda otisku se dělí na fázi mimo provozní (offline Phase) a fázi v reálném čase (Real-time-Phase). V průběhu offline jsou měřicí místa osazena jako strategicky důležité body a souřadnice jsou ukládány v databance. Body jsou měřeny v různých směrech, aby byl kompenzován vliv stínění. Vyhneme se tím rovněž rušení, především osobami nacházejícími se v měřeném prostoru. Doporučuje se provádět testovací měření v noci. Výsledkem offline fáze je získání obrazu intenzity pro každý přístupový bod. Ve fázi v reálném čase měří přijímač v libovolném místě intenzitu signálu a výsledek porovnává s údajem v databance. Pomocí vhodného je stanovena nejpravděpodobnější pozice mobilního přijímače. Přesnost se pohybuje v pásmu 1-3 m v přepočtu na velikost prostoru. Velkou nevýhodou fingerprint metody je, že testovací měření je časově i finančně náročné a při instalaci nových bodů nebo stavebních úpravách musí být provedeno znovu. Metoda modelování signálu přesně tyto nevýhody obchází. Lze tvrdit, že intenzita signálu závisí nejen na vzdálenosti mezi kontrolním bodem a přijímačem, ale i na geometrickém uspořádání prostoru. Základem zobrazení je digitální plán prostoru obsahující souřadnice kontrolních bodů a stěn. Pro každý bod lze stanovit vzdálenost bodu a protilehlé stěny. Data jsou porovnána v modelu, další postup je stejný jako u fingerprint metody. Dosažitelná přesnost je ale menší. Pro obě metody platí, že dosah závisí pouze na ploše osazené snímači a údaji v databance,  kterou lze libovolně rozšířit. Mobilní přijímač může, pokud je přes WLAN propojen s centrálou identifikovat svou polohu bez toho, že by se to jiná osoba dozvěděla. U WLAN systému existuje možnost zobrazení v souřadnicích protože přijímač lze přiřadit určitému prostoru, ve kterém se nachází. To závisí především na účelně stanovené pozici. Na trhu jsou k dispozici systémy jako systém Radar z produkce Microsoft, systém německé firmy IMST, systém Ekahau stejnojmenné finské firmy a systém americké firmy WhereNet.

Vedle WLAN bude v budoucnosti nasazen systém Ultra Widenband (UWB) s vysokou přenosovou rychlostí. Výhodou UWB je, že signály systému nejsou při přenosu poškozovány. Zjišťování polohy se provádí pomocí měření tranzitního času nebo měření rozdílů tranzitního času. Při testovacím měření byla poloha určena s přesností 20 cm v 67% případů.

Bluetooth byl původně vyvinut pro snadno dostupné bezdrátové připojení periferií a notebooků. Přitom pracuje s rádiovými signály v pásmu 2,4-2,48 MHz. Protože tyto volně přístupné frekvence jsou často přetíženy a dochází k interferenci signálů, mění Bluetooth frekvenci 1600 krát za sekundu, o čemž je dána informace  každému uživateli prostřednictvím datového balíku. Tím je zabráněno ztrátě dat při přetížení sítě. Stávající měniče frekvence zvyšují vnější bezpečnost přenosu, ale je obtížné signály zachytit. V současnosti se využívá kódování pomocí programu SAFER+. Systémy Bluetooth pracují s využitelným dosahem 10 m. Každý jednotlivý přístroj disponující Bluetooth technologií má svou adresu, pod kterou může být identifikován. V kancelářských objektech je vždy více stacionárních přístrojů, např. počítačů takto vybavených. Pro identifikaci jejich umístění je zřízena databanka, u které má každý svou adresu. Tím je pokrytí při 10 m dosahu dostačující. Databanka propojená se serverem a interní sítí, případně s internetem data zpřístupní. Spojení je tak možné zprostředkovat i mezi pohyblivými a sta-cionárními přístroji. Není-li databanka v dosahu přístroje, je nutné učinit dotaz po síti přímo na server. Tím je současně určena pozice mobilního přístroje s přesností na 10 m. Přesnost pozice lze zvýšit pokud je přístroj v dosahu více systémů. Počet Bluetooth systémů nelze zvyšovat libovolně, protože k navázání spojení je potřeba určitý čas. Tuzemské přístroje jsou schopny navázat pouze jedno spojení. Proto se přístroji v pohybu nemusí podařit v dostatečném čase spojení navázat. Testovací měření v pěti systémech prokázala, že k navázání všech spojení dojde pouze při pomalém pohybu. Přesto bylo dosaženo přesnosti 1,7 m. Závěrem lze konstatovat, že určování polohy s Bluetooth představuje laciné a snadné řešení.

4.4  Vizuální polohové systémy

Vizuální polohové systémy zpracovávají digitální obrazy pro zjištění polohy objektu. Budou popsány tři vizuální systémy, totiž Cyber Code, Ubitrack a EasyLiving. Zjištění polohy není většinou jediný cíl, nýbrž většinou prostředek k cíli - umožnit uživateli nadstavbové upotřebení zjištěné polohy.

CyberCode je identifikační systém, který pracuje s dvojrozměrnými čárovými kódy. Tyto kódy, zvané též CyberCode Tags, mohou být navigovány pomocí CMOS či CCD kamer, které jsou zabudovány ve stále více elektronických přístrojích, jako např. v laptopech či mobilních  telefonech. Z obrazu kódu lze zjistit nejen identitu kódu, ale i relativní polohu kamery vůči kódu. Pro orientaci v budovách jsou kódy umísťovány na strategických místech budovy. Uživatel může po sejmutí kódu v databance nalézt informace připojené ke konkrétnímu kódu. Např. v muzeu mohou být vedle navigace v budově přístupné i informace o tom kterém exponátu.

Ubitrack je zkratka pro Ubiquitous Tracking („všudypřítomné stopování“) a může být použito při použití „rozšířené reality“ (Augmented-Reality – AR). Systém byl vyvinut v roce 2004 za spolupráce TU Vídeň a TU Mnichov. Cílem systému je spojit uživatele a umožnit jim přenos virtuálních dat. Kamera a projektor, které znají vzájemnou polohu, spolu tvoří Augmented-Reality-Tracking systém.

EasyLiving je projekt firmy Microsoft, jehož cílem je vytvořit inteligentní místnosti. To znamená zjišťovat polohu a identitu osob v místnosti. Vybavit prostor systémem EasyLiving, tj. dvě stereokamery, spojené s počítačem, který vytvoří stereomodely. Od obou stereomodulů existuje spojení na "osobního stopaře“, který určí polohu. Kamery jsou montovány na stěny tak, aby pokryly celou místnost.

5.                 Shrnutí a porovnání

V tomto příspěvku jsou představeny a popsány různé systémy pro zjišťování polohy osob a ob-jektů v budovách. Infračervené systémy pracují s metodou „počáteční buňka“, popsanou v kapitole 3.1 a nedosahují vysokých přesností. Poloha je udávána symbolicky a je závislá na velikosti prostoru. Ceny jsou ale nízké a jednotlivé komponenty systému jsou na trhu běžné. Ultrazvukové systémy pracují pomocí metody měření tranzitního času, popsané v kapitole 3.2, rychlost šíření ultrazvuku je v porovnání se světlem velmi omezená to umožňuje určovat polohu s velmi vysokou přesností. Toho lze dosáhnout i instalací velkého množství senzorů. Ceny jsou, stejně jako u infračervených systémů nízké. Rádiové vlny jsou nejpoužívanější, poloha je téměř výlučně určována absolutně a geometricky. Stejně jako přesnost, která se pohybuje od metrového po decimetrový rozsah, tak i cena kolísá v širokém pásmu. Systémy, které určují polohu zpracováním digitálního obrazu, jsou dosud ve fázi vývoje. Mají velký potenciál, jelikož kromě prostorových dat nesou i vizuální informace. Přesnosti jsou variabilní a závislé na obrazu. Ceny jsou dosud střední až vysoké, ovšem s vývojem technologie se předpokládá jejich pokles.

Tabulka obsahuje konečné porovnání daných metod.

Tab.1 Porovnání pozičních systémů v budovách

Signály:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     Metody určení polohy:

IR – infračervené světlo                                                                           CoC – Cell of Origin (počáteční buňka)

US – ultrazvuk                                                                                                          LM – měření tranzitního času

RF – rádiový signál                                                                                                                                         LDM – měření rozdílu tranzitního času

SL – viditelné světlo                                                                                                    AoA – Úhel přijmutí signálu

                                                                                                       SS – měření intenzity signálu

                                                                                 DB – digitální obraz