Комбинированный метод повышения точности местоположения объекта на основе аудиовизуальных 

и радиочастотных данных

Б.В. Соколов,
 зам. дир. по науч. работе, д.т.н., проф., sokol@iias.spb.su,
Д.Н. Верзилин,
в.н.с.,  д.э.н., проф.,
В.И. Салухов,
с.н.с., к.т.н., доц.,. 
 СПИИРАН, г. Санкт-Петербург

В докладе предлагается новый подход к решению задач позиционирования на основе комбинированного метода повышения точности местоположения контролируемого объекта с использованием различных технологий измерения. На основе обработки экспериментальных аудиовизуальных и радиочастотных данных в докладе показано, что одновременное использование двух каналов измерения местоположения объекта приводит к уменьшению дисперсии оценок координат объекта

 

The report proposes a new approach to solving the problems of positioning based on the combined method of increasing the accuracy of location of the test object using different measurement technologies. That the simultaneous use of two channels measuring the location of the object leads to the reduction of the variance of the estimates of the coordinates of the object is shown on the basis of processing of experimental audiovisual and radio frequency data.

Введение

Как известно, глобальные системы позиционирования позволяют определять местоположение объектов (в том числе подвижных) во времени и пространстве и обеспечивать надежные оценки их координат практически в любой точке земной поверхности. Вместе с тем, подобные системы обладают существенным недостатком – чаще всего, они не работают или плохо работают в закрытых помещениях. Этот недостаток призваны устранить системы локального позиционирования на основе беспроводных технологий.

Система локального позиционирования на основе беспроводных сетей представляет собой сеть стационарных узлов, а так же подвижные узлы, являющиеся мобильными объектами, координаты которых необходимо определить. На основе некоторых параметров сигналов, которыми обмениваются объекты и стационарные узлы, принимается решение о координатах объектов. Кроме того, достоинством беспроводных систем позиционирования в помещениях является возможность организации системы как дополнительной опции в уже развернутой сети.

Для создания систем позиционирования, на сегодняшний день, разработаны и доступны к применению, как ряд беспроводных стандартов, так и соответствующая элементная база. Одним из таких стандартов является IEEE 802.15.4[1-5].

Протокол ZigBee может быть реализован, в частности, на беспроводных приемо-передатчиках XBee™ - малогабаритных модулях, предназначенных для построения беспроводных сенсорных сетей. Модули содержат встроенный протокол пакетной передачи данных с проверкой целостности передаваемых данных. В XBee™ на уровне API (Application Programming Interface) доступна индикация уровня сигнала RSSI (Received-Signal Strength Indication). Поэтому использование RSSI для локализации в беспроводных сетях на передатчиках XBee™ не требует разработки специальных схемных дополнений [8]. Величина RSSI измеряется в дБм и определяется как

 

           (1)

где PmW - мощность сигнала в мВт.

 

Построенная из таких элементов сеть при заданных координатах ретранслятора, потенциально позволяет определить удаленность объекта, основываясь на индикации уровня RSS сигнала, передаваемого объектом ретранслятору.

1. Принципы использования технологий радиочастотной идентификации в задачах  построения систем мониторинга

Беспроводной стандарт IEEE 802.15.4 ориентирован на создание сетей для управления и мониторинга автономных устройств. Документ IEEE 802.15.4 описывает частоты, аппаратные особенности и прочие параметры сети, содержит описание процесса сетевого управления, параметры безопасности, а также понятия совместимости и профилей устройств [6-8].

Сегодня на рынке систем радиочастотной идентификации предлагается множество различных вариантов технических и программных решений. Однако, вследствие новизны технологии, все предлагаемые сегодня на рынке варианты технических и программных решений пока еще носят узкоспециализированный характер и не могут быть использованы наиболее широко.

Рассматриваемую проблему можно кратко охарактеризовать как проблему создания нового типа автоматизированных систем мониторинга объектов, основанных на использовании современных возможностей радиочастотной идентификации и новых информационных технологий. Такие системы в дальнейшем будем называть автоматизированными системами радиочастотного мониторинга (АСРЧМ).

Наиболее убедительно эффективность АСРЧМ легко показать применительно к библиотечному делу. Возможности дистанционной идентификации в этой сфере носят явно выраженный инновационный характер, т.к. их использование потенциально позволяет существенно упростить трудоемкие операции по инвентаризации документов и книг, а также – по предотвращению их несанкционированных перемещений и краж. Возможности автоматизации этих задач основаны на следующих подходах.

Области применения инновационных технологий на базе радиочастотной идентификации в настоящее время активно расширяются. Они начинают широко использоваться в транспортно-логистических системах (ТЛС), системах обеспечения безопасности, контроля доступа, при построении катастрофоустойчивых информационных систем (КАИС) и других сферах.

2. Расширение возможностей радиочастотной идентификации в совокупности с другими методами   пространственного позиционирования

Проведенные исследования показывают, что добавление в качестве дополнительного информационного канала в локальную систему позиционирования позволяют уменьшить дисперсию погрешностей определения координат объектов.

Интересующую нас задачу можно сформулировать следующим образом [5]. Допустим дана комната в координатах [ОхО;X0хY0] и искомый объект находится в ней в координатах (х0,\у0), которые можно определить несколькими различными методами. Каждый из методов определения координат опирается на различные способы опроса и проявления объекта: звук, визуальное наблюдение, радиоизлучение. При такой постановке решения задачи будут получены различные дисперсии оценок, частоту опроса координат и взаимную корреляцию, как с другими способами снятия информации по каждой из координат, так и в рамках одного метода относительно различных координат. На основании набранной статистики необходимо построить оценки с наименьшей дисперсией для определения координат объекта на заданном промежутке времени Т0.

Для исследования остановимся на следующих двух методах определения координат объекта.

Первый метод основан на использовании многоканальной обработки аудиосигналов, принимаемых несколькими микрофонами одновременно. Определение положения источника звука (sound source localization (SSL)) в настоящее время активно используется в различных приложениях, в частности громкая голосовая связь, распределённые совещания, протоколирование дикторов, дистанционное распознавание речи [10].

Однако оценка положения источников звука, удаленных более чем на 2 метра, нестабильна, что связано с реверберацией сигнала и асинхронностью записи между стереоканалами. Поэтому в системе применяется оценка положения источника звука на основе сигналов пар микрофонов, а затем координаты источника звука усредняются по всем массивам микрофонов.

Результаты экспериментов показали, что точность определения положения источника звука основана на трех факторах:

1) отклонения источника звука от нормали массива микрофонов;

2) расстояния от источника звука до массива микрофонов;

3) числа массивов, использованных при определении положения источника звука.

Второй метод основан на радиочастотной идентификации местоположения объекта. Использование ZigBee технологии позволяет вполне успешно решать задачи позиционирования и значительно сократить затраты и уменьшить энергопотребление элементной базы. Для экспериментального определения местоположения объекта на основе метод RSSI (Received Strength Signal Indication), - измерения мощности принятого сигнала, были использованы микроконтроллеры ZigBee производства Texas Instruments серии СС2431.

Для определения качества работы системы в помещении площадью 63,3м2 было установлено следующее оборудование: плата SmartRF04EB, оценочные модули СС2431ЕМ, антенны диапазона 2,4 ГГц. Программное обеспечение: «Z-Location Engine». Развернутая система состоит из 4 основных опорных узлов с заданными координатами, расположенных по углам помещения на высоте 1,7 м от пола.

Для проведения эксперимента по площади всего помещения было выбрано 9 точек, в которых измерялись координаты слепого узла. Эти координаты в дальнейшем сравнивались фактическим расположением слепого узла. На основе этих данных были рассчитаны следующие:

·           Дисперсия по координатам по X и Y

·           Среднее линейное отклонение по X и Y

·           Среднее квадратическое отклонение по X и Y

Исследования показывают, что взвешенное среднее для совокупности методов при оценке координат будет более точной оценкой [9]. Для того, чтобы строить оценку по взвешенной сумме методов, необходимо уметь быстро оценивать дисперсию, либо иметь предварительную карту значений дисперсий для различных значений координат по каждой из осей в случае, если дисперсия оценок какого-либо из методов зависит от самих значений (х0;y0). В качестве метода оценки дисперсии предлагается воспользоваться предыдущими несколькими периодами времени наблюдения.

Если способов оценки координат более чем два, то можно итерационно строить последовательность взвешенных сумм. Используя в качестве одного из слагаемых результат, полученный на предыдущем шаге. Если методов определения координат много, то объединять их следует не последовательно, а по типу бинарного дерева, уменьшая общее число требуемых операций взвешивания.

Метод взаимного понижения дисперсии для оценок различных координат основан на предположении, что при оценивании двух координат значения, полученные одним методом для различных координат, будут коррелированны. Этим можно воспользоваться в качестве метода понижения дисперсии [9].

Заключение

Полученные результаты показывают возможность и целесообразность применения технологий радиочастотной идентификации в решении задач повышения точности систем локального позиционирования объектов. Расширение функций ZigBee технологии позволяет не только вполне успешно решать задачи позиционирования и значительно сократить затраты, уменьшить энергопотребление элементной базы, но и привлечь внимание специалистов к решению подобных задач, показывают правомерность выбранного направления широкого внедрения инновационных инфотелекоммуникационных технологий.

Благодарности

Исследования, выполненные по данной тематике, проводились при финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации: СПбГПУ (мероприятие 6.1.1), ИТМО (субсидия 074–U01), Программы НТС Союзного государства «Мониторинг СГ» (проект 1.4.1–1), грантов РНФ №№14–21–00135, 14-11-00748, РФФИ №№12-07-00302, 13-07-00279, 13-08-00702, 13-08-01250, 13-07-12120, 13-06-0087, Программы фундаментальных исследований ОНИТ РАН (проект №2.11), проекта ESTLATRUS 2.1/ELRI -184/2011/14, проекта ESTLATRUS/1.2./ELRI-121/2011/13 «Baltic ICT Platform».

Литература

1.  Материалы сайта: www.zigbee.org.

2.  Материалы сайта: http://grouper,ieee.org/groups/802/15/pub TG4.html.

3.  Материалы сайта: www.instst.com.

4.  Материалы сайта: www.wireless.ru.

5.  Пушкарёв О.В. Передача данных в ZigBee-сети с помощью модулей XBee ZNet 2.5// Новости электроники. 2008. № 3. С.27-31.

6.  Панфилов Д.Л., Соколов М.Ю. Введение в беспроводную технологию стандарта 802.15.4 // Электронные компоненты. 2004. № 12. C.73–79.

7.  Каргу Д.Л. Система оперативного обнаружения объектов в экстремальных ситуациях // Приборостроение. – 2006. – Т.49, № 7. – С.16–20.

8.  Поникар А.В., Евсеев О.В., Анциперов В.Е., Мансуров Г.К. Исследование возможности локального позиционирования в беспроводных сетях IEEE 802.15.4 // Материалы IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» - ИРЭ РАН, 29 ноября–3 декабря 2010 г. С.914-918.

9.  Dmitry Ivanov, Boris Sokolov (2012): Control and system-theoretic identification of the supply chain dynamics domain for planning, analysis and adaptation of performance under uncertainty. European Journal of Operational Research. Volum 224. Issue 2. London: Elsevier. P.313-323

10.   Ронжин Ал. Л.,. Будков В.Ю. Система записи выступлений участников совещания на основе аудиовизуального мониторинга интеллектуального зала // Труды XXIV сессии Российского Акустического Общества, Саратов, 2011, Т. 3, С. 55-59.