Mise en œuvre d'un positionnement de haute précision dans les espaces intérieurs

Erik Carlberg, chef de produit principal, stratégie produit radio courte portée, u-blox

Le Bluetooth offre désormais une nouvelle réponse à la question du positionnement de haute précision en intérieur. Nous avons testé une preuve de concept basée sur cette technologie dans un entrepôt industriel.

La localisation est l'un des principaux avantages que la technologie IoT a apportés aux entreprises et aux consommateurs. Pour un prix raisonnable, les gestionnaires de flotte peuvent suivre leurs véhicules, les sociétés de logistique suivre les marchandises qu'ils expédient et les agriculteurs suivre leur bétail, le tout en temps réel. De plus, nous pouvons tous acheter un appareil connecté pour prendre soin d'un membre âgé de la famille, de nos animaux de compagnie ou d'objets de valeur comme une voiture.

La technologie de localisation, rendue possible par les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) tels que GPS, GLONASS, BeiDou et Galileo, est entrée dans presque tous les domaines de notre économie et de notre vie quotidienne. La technologie GNSS s'est améliorée d'année en année et sa précision est passée de l'ordre du mètre à quelques centimètres seulement, tandis que le temps de connexion est passé de quelques dizaines de secondes à quelques secondes et sa couverture a été étendue pour couvrir les zones urbaines avec le plus grand densité.

Cependant, le positionnement de haute précision a encore une grande zone sombre : les espaces intérieurs. Les signaux GNSS faibles ne parviennent pas à pénétrer correctement la plupart des espaces intérieurs. Par conséquent, les gains d'efficacité apportés par la connaissance continue de la localisation ne sont pas liés à d'innombrables activités :

• Surveillance des dispositifs médicaux, des patients et du personnel dans les hôpitaux.
• Optimisation de la gestion des bagages et localisation des passagers arrivant en retard dans les aéroports.
• Automatisation des processus de production dans les entreprises manufacturières.
• Suivi du comportement des clients et opérations backend dans les entreprises de vente au détail et de services.
• Modernisation des opérations avec des robots dans les entrepôts.

Étant donné que les signaux satellites ne sont souvent pas disponibles dans ces espaces, un certain nombre de technologies alternatives ont été suggérées pour combler le vide. Par exemple, les appareils équipés de modems cellulaires peuvent utiliser des signaux cellulaires pour obtenir une estimation de leur position par rapport aux stations mobiles les plus proches, en utilisant ce que l'on appelle l'empreinte réseau ou des techniques de temps de vol plus sophistiquées. Les appareils connectés au Wi-Fi peuvent utiliser des méthodes similaires pour se localiser par rapport aux points d'accès Wi-Fi. Les appareils compatibles Bluetooth peuvent tirer parti de l'indicateur de puissance du signal reçu (RSSI) pour obtenir une estimation de la distance approximative jusqu'aux balises Bluetooth installées.

Cependant, toutes ces technologies souffrent de limitations qui ont limité leur utilisation dans les environnements d'application cités, où la précision, la disponibilité, la facilité d'utilisation et l'abordabilité de la technologie GNSS ont placé la barre très haut. Les technologies de localisation basées sur les réseaux cellulaires et le Wi-Fi nécessitent des coûts matériels relativement élevés qui ne répondent pas aux attentes. Malgré sa faible précision, Bluetooth RSSI a réussi à entrer dans les applications qui nécessitent une localisation exacte dans une pièce grâce à son faible coût, sa faible consommation et sa compatibilité avec la plupart des appareils connectés.

En 2019, le Bluetooth SIG a renforcé sa présence dans le positionnement intérieur avec l'introduction de la radiogoniométrie Bluetooth. La proposition, qui utilise un nouveau type de signal Bluetooth et des réseaux multi-antennes pour mesurer l'angle parcouru par un message Bluetooth entre une étiquette mobile et un ou plusieurs points d'ancrage statiques, offre une nouvelle réponse potentielle à la question du positionnement dans les espaces intérieurs. qui peut répondre à toutes les exigences pour la première fois : haute précision, installation facile, faible coût de l'appareil et faible consommation d'énergie.

Depuis leur introduction, les solutions de positionnement intérieur basées sur Bluetooth ont suscité un intérêt considérable. ABI Research prévoit une croissance moyenne annuelle de 28,3 % des ventes de balises Bluetooth entre 2019 et 2025. La plus forte augmentation est attendue de loin (64,2 %) dans les bureaux intelligents et en chiffres absolus (plus de 163 millions) dans l'entrepôt et segment logistique. De par sa complémentarité avec nos solutions GNSS outdoor, le vaste écosystème mondial d'entreprises qui développent des solutions basées sur cette technologie, sa faible consommation et son faible coût, ainsi que la précision de positionnement inférieure au mètre qu'elle est capable de fournir, en
u-blox, nous avons consacré une partie importante de nos activités de R&D à promouvoir l'adoption de cette technologie.

Comment Bluetooth offre un positionnement de haute précision à l'intérieur

Le positionnement Bluetooth en intérieur est basé sur la technologie de recherche de direction Bluetooth. Comme son nom l'indique, cette technologie déclinée en deux modalités permet de déterminer le sens dans lequel un signal Bluetooth se déplace entre une balise mobile et un point d'ancrage fixe. Dans le cas de l'angle d'arrivée (AoA), le point d'ancrage calcule la direction du signal entrant qui a été transmis par la balise. Dans le cas de l'angle de départ (AoD) les rôles sont inversés et la balise se charge de calculer l'angle sous lequel le signal a été transmis depuis le point d'ancrage.

Dans cet article, nous nous concentrerons sur AoA, qui est plus adapté aux solutions de positionnement en intérieur, tandis que AoD est plus avantageux pour les solutions de navigation en intérieur.

Pour évaluer la technologie, nous avons construit une démonstration de radiogoniométrie Bluetooth basée sur AoA dans nos bureaux de Malmö, en Suède. Dans cette démonstration nous avons programmé un servo monté sur un point d'ancrage pour le calcul de direction afin de suivre une balise Bluetooth en mouvement à partir de l'angle d'arrivée calculé en temps réel.

Le fonctionnement de la radiogoniométrie Bluetooth repose sur deux secrets. Le premier d'entre eux est un nouveau signal dans la radiogoniométrie Bluetooth qui intègre d'autres données et s'appelle Constant Tone Extension (CTE). Alors que le reste du message Bluetooth est modulé pour transporter des données, le CTE se compose uniquement d'une chaîne de "uns". Par conséquent, le récepteur peut utiliser cette partie du message pour mesurer avec précision les différences de phase entre les signaux. Ce qui nous amène au deuxième secret de son fonctionnement : chaque point d'ancrage intègre non pas une seule antenne mais un réseau multi-antennes.

La figure ci-dessus montre comment le signal de détermination de la direction émis par l'étiquette mobile atteint chacune des antennes du réseau au point d'ancrage statique. En raison de la différence de distance parcourue, chaque antenne reçoit le signal avec une petite différence de phase par rapport aux autres, et il peut être mesuré grâce au CTE. Des algorithmes s'exécutant sur un microcontrôleur embarqué dans le point d'ancrage peuvent ensuite analyser ces données afin de calculer l'angle d'arrivée du signal avec une précision d'environ +/- X degrés.

Lorsque plusieurs points d'ancrage sont utilisés au lieu d'un seul, les angles d'arrivée de plusieurs points d'ancrage peuvent être utilisés pour trianguler l'emplacement approximatif du tracker. Cela nécessite de saisir les positions et orientations précises des points d'ancrage dans le moteur de positionnement, qui exécute ensuite un autre algorithme pour calculer l'emplacement - en 2D ou 3D - de l'actif tagué à partir des angles d'arrivée calculés pour chaque point d'ancrage.

Dans un bureau de 8 mètres sur 6 avec quatre points d'ancrage montés en angle, nous avons atteint une précision moyenne inférieure à 1 mètre avec une probabilité de 95 %.

Essai technologique dans un entrepôt industriel

Nous avons testé notre solution de positionnement intérieur basée sur Bluetooth dans un entrepôt industriel réel, une application typique pour le suivi des actifs. L'entrepôt, de 30 mètres sur 50, comportait des étagères métalliques pour stocker le matériel et les cartons. Bien que la spécification Bluetooth définisse les couches inférieures pour le traitement des données RF brutes, elle n'indique pas l'algorithme permettant de calculer l'angle d'arrivée réel. Pour le test, nous avons développé un algorithme efficace qui s'exécute sur le microcontrôleur intégré dans la puce Bluetooth et fournit une grande précision et un taux de mise à jour élevé. Plus précisément, nous avons optimisé l'étage d'entrée RF, les antennes, les algorithmes intégrés exécutés sur les modules Bluetooth des attaches et la dorsale de connectivité sans fil pour connecter les attaches à un réseau.

L'image ci-dessous montre une balise Bluetooth et le réseau d'antennes en forme de L utilisées sur nos points d'ancrage.

Dans notre test, nous avons utilisé dix points d'ancrage pour couvrir un espace de six mètres de haut et une superficie approximative de 1000 mètres carrés. Après une planification et une préparation détaillées, l'installation du système de positionnement a été facile et n'a pris que quelques heures. Pour tirer le meilleur parti de la ligne de visée entre les balises de suivi et les réseaux multi-antennes, nous avons monté les points d'ancrage à une distance comprise entre trois et cinq mètres du sol.

Nous avons simplifié l'installation en utilisant un logiciel de suivi tiers, dans notre cas Traxmate, qui facilite la saisie des positions et des orientations des points d'ancrage ainsi que la configuration du moteur de positionnement via une API intégrée. Enfin, nous avons établi un réseau de communication Wi-Fi principal entre chaque point d'ancrage et le moteur de positionnement.

Lors de nos tests, nous avons consacré beaucoup d'efforts à la conception d'une configuration qui permettrait d'obtenir des performances fiables dans un environnement intérieur qui élimine une grande partie de la complexité qui caractérise de nombreuses installations intérieures. Tout d'abord, nous avons stratégiquement placé les points d'ancrage pour obtenir la probabilité maximale d'avoir une ligne de visée entre toutes les positions plausibles des étiquettes et au moins trois points d'ancrage. De plus, nous avons dû faire face à de multiples chemins causés, par exemple, lorsque les signaux radio rebondissent sur les murs. Les algorithmes exécutés sur nos points d'ancrage pour calculer les angles incluent l'atténuation par trajets multiples et offrent des performances robustes, même dans un environnement aussi difficile pour le signal radio que notre entrepôt.

Notre expérience de mise en pratique de cette preuve de concept n'a fait que renforcer notre conviction que le positionnement Bluetooth intérieur de haute précision peut tenir parole. S'il est correctement installé, il peut fournir la précision inférieure au mètre attendue dans les nouvelles applications de positionnement en intérieur. Comme c'est généralement le cas avec les appareils Bluetooth, le coût du matériel requis est bien inférieur à celui des autres technologies, tout comme leurs besoins en énergie. Le déploiement de solutions de positionnement dans les espaces intérieurs a longtemps été difficile. L'intégration matérielle que nous avons utilisée avec des interfaces Web telles que celle développée par Traxmate a grandement contribué à simplifier leur mise en œuvre.

Grâce à la radiogoniométrie Bluetooth, le Bluetooth SIG a proposé une solution très convaincante à la problématique du positionnement intérieur qui comble bon nombre des lacunes des solutions actuellement disponibles sur le marché. Nos expériences avec la technologie dans une application de type "follow me", dans laquelle la direction est déterminée pour contrôler un servomécanisme (pouvant contenir une caméra, par exemple) chargé de suivre la position dans des espaces intérieurs de la taille d'un bureau, comme ainsi qu'une preuve de concept à l'intérieur d'un entrepôt industriel réel, ont démontré le potentiel de ces technologies pour transformer les applications intérieures sensibles à la localisation, tout comme les technologies GNSS l'ont fait à l'extérieur.

Pour plus d'informations sur le matériel que nous avons utilisé dans nos essais et notre preuve de concept, profitez des algorithmes que nous avons développés pour calculer les angles d'arrivée à chaque point d'ancrage et la position estimée dans le moteur de positionnement, et lisser les trajets multiples dans Afin d'augmenter la fiabilité de la solution dans le monde réel, nous vous encourageons à essayer nos kits de recherche de direction Bluetooth et de balayage de positionnement intérieur Bluetooth en nous contactant.

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