Implementierung einer hochpräzisen Positionierung in Innenräumen

Erik Carlberg, Senior Product Manager, Produktstrategie Kurzstreckenfunk, u-blox

Bluetooth bietet jetzt eine neue Antwort auf die Frage nach der hochpräzisen Ortung in Innenräumen. Wir haben einen Proof of Concept auf Basis dieser Technologie in einer Industriehalle getestet.

Die Lokalisierung ist einer der Hauptvorteile, die die IoT-Technologie Unternehmen und Verbrauchern gebracht hat. Zu einem vernünftigen Preis können Flottenmanager ihre Fahrzeuge, Logistikunternehmen ihre versendeten Waren und Landwirte ihr Vieh verfolgen – alles in Echtzeit. Darüber hinaus können wir alle ein vernetztes Gerät kaufen, um uns um ein älteres Familienmitglied, unsere Haustiere oder wertvolle Gegenstände wie ein Auto zu kümmern.

Die Ortungstechnologie, ermöglicht durch globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) wie GPS, GLONASS, BeiDou und Galileo, hat in fast alle Bereiche unserer Wirtschaft und unseres täglichen Lebens Einzug gehalten. Die GNSS-Technologie hat sich Jahr für Jahr verbessert und ihre Genauigkeit ist von der Größenordnung von Metern auf nur noch wenige Zentimeter gestiegen, während die Verbindungszeit von zehn Sekunden auf Sekunden gesunken ist und ihre Abdeckung erweitert wurde, um die städtischen Gebiete mit den größten abzudecken Dichte.

Die hochpräzise Positionierung hat jedoch noch einen großen dunklen Bereich: Innenräume. Schwache GNSS-Signale können die meisten Innenräume nicht ausreichend durchdringen. Dadurch stehen die Effizienzgewinne durch kontinuierliches Standortwissen in keinem Zusammenhang mit unzähligen Aktivitäten:

• Überwachung von medizinischen Geräten, Patienten und Personal in Krankenhäusern.
• Optimierung des Gepäckmanagements und Lokalisierung von verspäteten Passagieren an Flughäfen.
• Automatisierung von Produktionsprozessen in produzierenden Unternehmen.
• Nachverfolgung des Kundenverhaltens und Backend-Operationen in Einzelhandels- und Dienstleistungsunternehmen.
• Modernisierung des Betriebs mit Robotern in Lagern.

Da in diesen Räumen oft keine Satellitensignale verfügbar sind, wurde eine Reihe alternativer Technologien vorgeschlagen, um die Lücke zu füllen. Zum Beispiel können Geräte, die mit Mobilfunkmodems ausgestattet sind, Mobilfunksignale verwenden, um eine Schätzung ihrer Position relativ zu den nächsten Mobilstationen zu erhalten, indem sogenannte Netzwerk-Fingerabdrücke oder ausgefeiltere Flugzeittechniken verwendet werden. Mit Wi-Fi verbundene Geräte können ähnliche Methoden verwenden, um sich relativ zu Wi-Fi-Zugriffspunkten zu lokalisieren. Bluetooth-fähige Geräte können den Received Signal Strength Indicator (RSSI) nutzen, um eine Schätzung der ungefähren Entfernung zu installierten Bluetooth-Beacons zu erhalten.

Alle diese Technologien leiden jedoch unter Beschränkungen, die ihre Verwendung in den genannten Anwendungsumgebungen eingeschränkt haben, wo die Genauigkeit, Verfügbarkeit, Benutzerfreundlichkeit und Erschwinglichkeit der GNSS-Technologie die Messlatte hoch gelegt haben. Ortungstechnologien auf Basis von Mobilfunknetzen und Wi-Fi erfordern relativ hohe Hardwarekosten, die die Erwartungen nicht erfüllen. Trotz seiner geringen Genauigkeit hat es Bluetooth RSSI dank seiner geringen Kosten, seines geringen Verbrauchs und seiner Kompatibilität mit den meisten angeschlossenen Geräten geschafft, in Anwendungen einzudringen, die eine genaue Ortung innerhalb eines Raums erfordern.

Im Jahr 2019 baute die Bluetooth SIG ihre Präsenz in der Indoor-Ortung mit der Einführung von Bluetooth Direction Finding aus. Der Vorschlag, der eine neue Art von Bluetooth-Signal und Mehrantennen-Arrays verwendet, um den Winkel zu messen, den eine Bluetooth-Nachricht zwischen einem mobilen Tag und einem oder mehreren statischen Ankerpunkten zurücklegt, bietet eine potenzielle neue Antwort auf die Frage der Positionierung in Innenräumen das erstmals alle Anforderungen erfüllen kann: hohe Präzision, einfache Installation, niedrige Gerätekosten und geringer Stromverbrauch.

Bluetooth-basierte Indoor-Ortungslösungen haben seit ihrer Einführung großes Interesse geweckt. ABI Research prognostiziert für den Verkauf von Bluetooth-Tags zwischen 28,3 und 2019 ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 2025 %. Der mit Abstand größte Anstieg (64,2 %) wird in Smart Offices und in absoluten Zahlen (über 163 Millionen) im Lager und im Lager erwartet Logistikbereich. Aufgrund seiner Komplementarität mit unseren Outdoor-GNSS-Lösungen, dem riesigen globalen Ökosystem von Unternehmen, die Lösungen auf der Grundlage dieser Technologie entwickeln, seines geringen Verbrauchs und seiner niedrigen Kosten sowie der Positionsgenauigkeit von unter einem Meter, die es bieten kann
u-blox haben wir einen erheblichen Teil unserer F&E-Aktivitäten darauf verwendet, die Einführung dieser Technologie zu fördern.

Wie Bluetooth hochpräzise Positionsbestimmung im Innenbereich bietet

Die Indoor-Bluetooth-Positionierung basiert auf der Bluetooth-Peilungstechnologie. Wie der Name schon sagt, ermöglicht diese in zwei Modalitäten verfügbare Technologie die Bestimmung der Richtung, in der sich ein Bluetooth-Signal zwischen einem mobilen Tag und einem festen Ankerpunkt bewegt. Beim Angle of Arrival (AoA) berechnet der Ankerpunkt die Richtung des eingehenden Signals, das vom Tag gesendet wurde. Beim Angle of Departure (AoD) sind die Rollen vertauscht und der Tag ist für die Berechnung des Winkels zuständig, in dem das Signal vom Ankerpunkt gesendet wurde.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf AoA, das besser für Indoor-Positionierungslösungen geeignet ist, während AoD vorteilhafter für Indoor-Navigationslösungen ist.

Um die Technologie zu evaluieren, haben wir in unseren Büros in Malmö, Schweden, eine AoA-basierte Bluetooth-Peilungsdemo aufgebaut. In dieser Demonstration haben wir ein an einem Ankerpunkt montiertes Servo zur Richtungsberechnung programmiert, um einen sich bewegenden Bluetooth-Tag aus dem in Echtzeit berechneten Einfallswinkel zu verfolgen.

Der Betrieb der Bluetooth-Peilung basiert auf zwei Geheimnissen. Das erste davon ist ein neues Signal in der Bluetooth-Peilung, das andere Daten enthält und als Constant Tone Extension (CTE) bezeichnet wird. Während der Rest der Bluetooth-Nachricht moduliert wird, um Daten zu übertragen, besteht CTE nur aus einer Folge von „Einsen“. Als Ergebnis kann der Empfänger diesen Teil der Nachricht verwenden, um Phasenunterschiede zwischen Signalen genau zu messen. Das bringt uns zum zweiten Geheimnis der Funktionsweise: Jeder Ankerpunkt enthält nicht eine einzelne Antenne, sondern ein Array aus mehreren Antennen.

Die obige Abbildung zeigt, wie das vom mobilen Tag ausgesendete Signal zur Richtungsbestimmung jede der Antennen des Arrays am statischen Ankerpunkt erreicht. Aufgrund des Unterschieds in der zurückgelegten Entfernung empfängt jede Antenne das Signal mit einer kleinen Phasendifferenz zu den anderen und kann dank CTE gemessen werden. Algorithmen, die auf einem im Ankerpunkt eingebetteten Mikrocontroller laufen, können diese Daten dann analysieren, um den Einfallswinkel des Signals mit einer Genauigkeit von etwa +/- X Grad zu berechnen.

Wenn mehrere Ankerpunkte anstelle eines einzigen verwendet werden, können die Ankunftswinkel von mehreren Ankerpunkten verwendet werden, um die ungefähre Position des Trackers zu triangulieren. Dazu müssen die genauen Positionen und Ausrichtungen der Ankerpunkte in die Positionierungsmaschine eingegeben werden, die dann einen anderen Algorithmus ausführt, um den Standort – in 2D oder 3D – des markierten Objekts aus den berechneten Ankunftswinkeln für jeden Ankerpunkt zu berechnen.

In einem 8 mal 6 Meter großen Büro mit vier über Eck montierten Ankerpunkten haben wir mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 % eine durchschnittliche Genauigkeit von weniger als 95 Meter erreicht.

Technologieversuch in einer Industriehalle

Wir haben unsere Bluetooth-basierte Indoor-Ortungslösung in einem realen Industrielager getestet, einer typischen Anwendung für die Objektverfolgung. Das Lagerhaus, 30 mal 50 Meter groß, hatte Metallregale, um Ausrüstung und Kisten zu lagern. Während die Bluetooth-Spezifikation die unteren Schichten für die Handhabung der HF-Rohdaten definiert, gibt sie nicht den Algorithmus zum Zweck der Berechnung des tatsächlichen Einfallswinkels an. Für den Test haben wir einen effizienten Algorithmus entwickelt, der auf dem im Bluetooth-Chip eingebetteten Mikrocontroller läuft und eine hohe Genauigkeit und eine hohe Aktualisierungsrate bietet. Insbesondere haben wir die HF-Eingangsstufe, die Antennen, die eingebetteten Algorithmen, die auf den Bluetooth-Modulen der Tether laufen, und das drahtlose Konnektivitäts-Backbone optimiert, um die Tether mit einem Netzwerk zu verbinden.

Das Bild unten zeigt ein Bluetooth-Tag und die Anordnung von L-förmigen Antennen, die an unseren Ankerpunkten verwendet werden.

In unserem Test haben wir zehn Ankerpunkte verwendet, um einen sechs Meter hohen Raum und eine ungefähre Fläche von 1000 Quadratmetern abzudecken. Nach detaillierter Planung und Vorbereitung war die Installation des Ortungssystems einfach und dauerte nur wenige Stunden. Um die Sichtverbindung zwischen den Tracker-Tags und den Mehrantennen-Arrays optimal zu nutzen, haben wir die Ankerpunkte in einem Abstand von drei bis fünf Metern vom Boden montiert.

Wir haben die Installation durch die Verwendung von Tracking-Software von Drittanbietern, in unserem Fall Traxmate, vereinfacht, die es einfach macht, Ankerpunktpositionen und -ausrichtungen einzugeben und die Positionierungs-Engine über eine integrierte API zu konfigurieren. Schließlich haben wir ein Wi-Fi-Hauptkommunikationsnetzwerk zwischen jedem Ankerpunkt und der Positionierungsmaschine eingerichtet.

Bei unseren Tests haben wir viel Mühe darauf verwendet, eine Konfiguration zu entwerfen, die eine zuverlässige Leistung in Innenräumen erzielt und einen Großteil der Komplexität beseitigt, die viele Inneninstallationen auszeichnet. Erstens haben wir die Ankerpunkte strategisch platziert, um die maximale Wahrscheinlichkeit einer Sichtlinie zwischen allen plausiblen Etikettenpositionen und mindestens drei Ankerpunkten zu erhalten. Außerdem mussten wir uns mit mehreren Pfaden auseinandersetzen, die beispielsweise dadurch verursacht wurden, dass Funksignale von Wänden abprallten. Die Algorithmen, die auf unseren Ankerpunkten ausgeführt werden, um die Winkel zu berechnen, beinhalten die Mehrwegdämpfung und bieten eine robuste Leistung, selbst in einer Umgebung, die für das Funksignal so schwierig ist wie unser Lager.

Unsere Erfahrung mit der Umsetzung dieses Proof-of-Concept in die Praxis hat unsere Überzeugung gefestigt, dass die hochpräzise Bluetooth-Ortung im Innenbereich ihr Wort halten kann. Wenn es richtig installiert ist, kann es die Submeter-Genauigkeit bieten, die in neu entstehenden Indoor-Positionierungsanwendungen erwartet wird. Wie bei Bluetooth-Geräten üblich, sind die Kosten für die erforderliche Hardware viel niedriger als bei anderen Technologien, ebenso wie deren Strombedarf. Der Einsatz von Positionierungslösungen in Innenräumen war lange Zeit schwierig. Die Hardware-Integration, die wir mit Webschnittstellen wie der von Traxmate verwendeten verwendet haben, hat erheblich dazu beigetragen, ihre Implementierung zu vereinfachen.

Mit Bluetooth Direction Finding hat die Bluetooth SIG eine sehr überzeugende Lösung für das Thema Indoor Positionsbestimmung angeboten, die viele der Mängel der derzeit auf dem Markt erhältlichen Lösungen adressiert. Unsere Erfahrungen mit der Technologie in einer Anwendung vom Typ „Follow me“, bei der die Richtung bestimmt wird, um einen Servomechanismus (der beispielsweise eine Kamera halten könnte) zu steuern, der für die Verfolgung der Position in Innenräumen von der Größe eines Büros verantwortlich ist, wie z sowie als Proof-of-Concept in einem realen Industrielager, haben das Potenzial dieser Technologien gezeigt, ortsbezogene Indoor-Anwendungen zu transformieren, so wie es GNSS-Technologien im Freien getan haben.

Für weitere Informationen über die Hardware, die wir in unseren Versuchen und unserem Proof of Concept verwendet haben, nutzen Sie die Algorithmen, die wir entwickelt haben, um die Ankunftswinkel an jedem Ankerpunkt und die geschätzte Position in der Positionierungs-Engine zu berechnen und Multipath-In zu glätten Um die Zuverlässigkeit der Lösung in der realen Welt zu erhöhen, empfehlen wir Ihnen, unsere Bluetooth-Peilungs- und Bluetooth-Innenpositionierungs-Scanning-Kits auszuprobieren, indem Sie uns kontaktieren.

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