Navigatsiya v pomeshcheniyakh. Kakovy novyye tekhnicheskiye vozmozhnosti

Содержание

1 Введение
1.1 Проблематика темы
1.2 Цель работы
1.3 Определение предмета исследования

2 Определение основных терминов

3 Современные технические возможности
3.1 Сенсорная WLAN-технология
3.2 Области применения технологии

4 Заключение

5 Ссылки

Резюме

При входе в неизвестное здание посетителю трудно сориентироваться в этом здании и найти желаемый пункт назначения, используя самый быстрый маршрут. Эту проблему можно решить путем позиционирования и навигации с помощью мобильного устройства.

В данной работе будет более подробно рассмотрена тема внутренней навигации и представлена одна из наиболее важных локализаций и навигационных систем. Эта технология основана на локализации через WLAN с помощью цифровых отпечатков устройства.

Навигация в помещениях. Каковы новые технические возможности Остфальский университет прикладных наук, коммерция и логистика, 6-й семестр

1 Введение

1.1 Проблема тика темы

В связи с быстрым развитием мобильных устройств, особенно с точки зрения их производительности, расширяются возможности навигации с их помощью. Особенно в области навигации в помещении еще есть большой потенциал. Проблема заключается в том, что сигнал GPS недоступен внутри зданий и, следовательно, навигация с обычными приложениями невозможна, так как они больше не принимают сигнал со спутников и, следовательно, невозможно определить положение мобильного устройства.¹ Для решения этой проблемы используются технические варианты навигации внутри помещений, которые объясняются в данной статье. Возможности внутренней навигации также имеют свои минусы, например, многие технологии являются очень дорогостоящими, так как в первую очередь необходимо приобрести материал карты, который, как правило, должен быть оцифрован. Во многих областях технологии должны быть модернизированы для достижения желаемой результативности. Кроме того, точность определения положения играет важную роль, поэтому необходимо, чтобы технология могла гарантировать высокую точность при расчете положения.²

Тема особенно актуальна для нас, потому что эти технологии имеют большой потенциал и обеспечивают навигацию, которая происходит внутри зданий. Возможности внутренней навигации достаточно широки, и именно этот факт делает тему очень интересной, и важно выяснить, какие из этих технических возможностей действительно подходят для использования и, таким образом, становятся интересными для пользователя.

Работа предназначена для того, чтобы дать читателю представление о внутренней навигации на основе WLAN. Кроме того, показано, что такая навигация внутри зданий уже возможна, а также показано, какие недостатки еще существуют.³

1.2 Цель работы

Изучение различных возможностей внутренней навигации. Более подробно в данной работе будет рассмотрена сенсорная технология на базе WLAN. Необходимо уточнить, какие технические возможности существуют на данный момент, и как их можно улучшить, чтобы обеспечить еще более точную навигацию в зданиях.

1.3 Определение предмета исследования

В этой работе будет рассматрена только навигация на основе WLAN, а точнее с технологией цифровых отпечатков устройства, так как она имеет относительно низкие затраты на приобретение по сравнению с другими вариантами. Кроме того, WLAN широко используется, особенно в торговых центрах и аэропортах, что обеспечивает высокую плотность сигнальных устройств для точного определения местоположения. Не рассматриваются иные технические возможности, такие как навигация с использованием RFID-чипов, так как эти технологии имеют слишком высокие затраты на приобретение.

2 Определение основных терминов

- Внутренняя навигация используется для определения местоположения в зданиях, где нет сигнала GPS. Под определением местоположения поинимается определение собственной позиции в помещении. Данная позиция используется для оставшегося расчета навигационного процесса и является важным компонентом, поэтому данные обновляется через регулярные промежутки времени для обеспечения точной навигации.⁴
- Метод фингерпринтинга или цифровых отпечатков устройства, используемый при локализации WLAN, используется для определения положения пользователя и его мобильного устройства. Отпечатки сигналов полученного WLAN-маршрутизатора, здесь значения BSSI (сетевой идентификатор точки доступа) хранятся в базе данных. Они впоследствии извлекаются во время навигации, и местоположение может быть определено на основе различных значений мощности сигнала. Эта процедура называется "цифровым отпечатком устройства", так как каждое констелляция различных мощностей сигнала, подобно отпечатку пальца, она уникальна.⁵
- Гироскопические датчики и датчики ускорения в смартфоне используются для расчета ускорения и ориентации пользователя мобильного телефона. Гироскопические датчики измеряют вращение мобильного телефона с помощью силы тяжести для того, чтобы обнаружить ускорение, вращение и изменение положения. Результаты используются для дальнейших расчетов в процессе навигации.⁶
- в данной работе служат для расчета кратчайшего пути, поскольку по своей природе человек всегда хочет найти кратчайший путь. Расчет пути успешен в большинстве случаев по алгоритму Дейкстры, так как он всегда рассчитывает кратчайший путь.⁷

3 Современные технические возможности

В работе будет описана данная технология, которая сегодня внедряется на практике. Затем будет описано, как работает навигация внутри зданий с помощью сенсорной технологии WLAN, и какие процессы происходят во время этой навигации для того, чтобы направить человека к нужному месту назначения. После объяснения функционирования данной технологии, будут кратко перечислены области ее применения.

3.1 Сенсорная WLAN-технология

На практике для навигации внутри помещений используется сенсорная WLAN-технология. Для реализации внутренней навигации необходима очень простая системная инфраструктура. Во-первых, в здании, в котором Вы хотите осуществлять навигацию, необходима базовая сеть точек доступа WLAN. Идентификация каждой передающей станции называется Basic Service Set Identifier (BSSID).⁸ Во-вторых, необходимо мобильное устройство, которым может быть смартфон, например, iPhone. Каждое мобильное устройство имеет датчики, которые выполняют вспомогательную функцию для достижения лучшего позиционирования. Для навигации также требуется цифровая карта или план здания, который доступен пользователю в любое время на мобильном устройстве или на внешнем сервере.⁹ В-третьих, необходим внешний сервер, он берет на себя вычисление измеренных данных, он также содержит справочную базу данных и ранее созданную базу данных цифровых отпечатков устройства. База данных отпечатков содержит справочные данные для метода цифровых отпечатков устройства, т.е. значения мощности сигнала окружающих сетей WLAN в зависимости от положения мобильного устройства.¹⁰

Для запуска навигации пользователь должен загрузить соответствующее приложение и установить программу. При входе в здание у пользователя спрашивают, хочет ли он начать навигацию. Пользователь не знает, какие процессы работают в фоновом режиме после нажатия кнопки Пуск, он видит только графический интерфейс мобильного устройства. За это время датчики измеряют его скорость движения, пытаются определить, куда он движется, и определяют направление его ориентации. Данные гироскопа и компаса позволяют правильно рассчитать ориентацию, гироскоп и акселерометр определяют относительное ускорение. Эти данные хранятся на мобильном устройстве.¹¹

Одновременно проводится процедура снятия цифровых отпечатков. Измеряется мощность сигналов окружающих сетей WLAN, осуществляется их идентификация, затем они сначала форматируются на мобильном устройстве, а затем сохраняются на нем.¹² На основе этих данных измерения создается цифровой отпечаток устройства. Отпечаток содержит идентификацию каждой передающей станции и измеренное ею значение мощности сигнала, которое является отрицательным, от -10 до -96, где -10 самая сильная мощность и -96 самая слабая. Сочетание различных BSSID и их мощностей сигнала, как правило, уникально, как и отпечаток пальца. Если изменить положение с мобильного устройства, значения силы сигнала в этих сетях также изменятся.¹³ После создания отпечатка, текущие данные измерения отправляются на сервер и сравниваются с данными из базы данных цифровых отпечатков устройств. Сервер передает соответствующие значения в виде идентификатора местоположения. Однако он не может связать ID местоположения с конкретным местоположением, так как окончательное соединение происходит на мобильном устройстве. Это делается по соображениям защиты данных, поэтому невозможно увидеть в каком-либо центральном месте, где находился или находится каждый пользователь в какое-либо определенное время.¹⁴ После сравнения предположения о местоположении, которое было определено датчиками, с результатом процедуры фингерпринтинга, местоположение пользователя отображается на мобильном устройстве.¹⁵

После определения позиции пользователь может ввести пункт назначения. Приложение постоянно подключено к серверу, на который отправляется запрос, и выполняется расчет маршрута с использованием различных алгоритмов и их комбинаций. Анализируя модели движения людей, учитывая тот факт, что, они хотят как можно быстрее добраться до места назначения, можно придти к выводу, что они обычно выбирают кратчайший маршрут. Поэтому в данном тезисе описаны наиболее используемые алгоритмы расчета кратчайшего пути. Это алгоритм Дейкстры¹⁶. Он вычисляет кратчайший путь от начальной точки до всех остальных точек на непрерывном графике с вершинами и ребрами. Алгоритм Флойда также вычисляет самый короткий путь, но сравнивает его с алгоритмом Дейкстры из всех точек во все остальные точки, поэтому при изменении позиции самый короткий путь автоматически пересчитывается.¹⁷ Алгоритм A* не всегда показывает оптимальный путь, но он быстрее в вычислениях, потому что для уменьшения фактических вычислений применяется эвристика.¹⁸ После расчета маршрут отображается на дисплее пользователя. Пользователь направляется в нужное место.

Решения Sensor Fusion для внутренней навигации предлагают широкий спектр сочетания различных технологий - эти комбинации позволяют получить следующие преимущества:¹⁹

1. Более точное позиционирование.

Проведенные эксперименты показали, что внутренняя навигация может не функционировать надлежащим образом только из-за данных датчиков или технологии WLAN. Однако при использовании сочетания обоих методов можно добиться гораздо более точного результата.

2. Иные провайдеры могут использовать внутреннее позиционирование.

Например, продавцы имеют возможность отправлять рекламу или информацию о собственной продукции и компаниях клиентам, находящимся в непосредственной близости.

3. Внутренняя навигация с более низкими затратами.

Инфраструктура системы, состоящая только из внешнего сервера и мобильного устройства, а также плана здания, является более экономичной по сравнению с другими технологиями.

4. Лучшие результаты даже с небольшим количеством справочных данных.

Для фингерпринтинга необходимо наличие большого количества справочных данных, так как с каждым шагом пользователя меняется положение его мобильного устройства, и, как следствие, изменяется мощность сигнала окружающих WLAN сетей. Если исходные данные отсутствуют, это может привести к неверным предположениям о позиции. В этом случае могут помочь данные дополнительного датчика со смартфона.

5. Меньшее потребление батареи, большая емкость, меньшее время вычислений.

Благодаря многочисленным расчетам и измерениям батарея смартфона сильно загружена, требуется больше энергии от мобильного устройства. Для разгрузки мобильного устройства и сокращения времени вычислений все сложные вычисления выполняются на внешнем сервере, для чего необходим быстрый WLAN.

Внутренняя навигация, основанная на технологии WLAN, имеет то преимущество, что в настоящее время она позволяет любому мобильному устройству осуществлять навигацию и, таким образом, определять точное местоположение. Особенно сочетание технологии WLAN с различными датчиками мобильного устройства позволяет еще более точное позиционирование, при этом аккумулятор используется оптимально, и Вы можете дольше пользоваться навигацией.

[...]

¹ Обермайер, Дж. (2011), стр. 2.

² Обермейер, Дж. (2011), стр. 3.

³ См. Глейм, Д. (2012) стр. 2.

⁴ См. Ошац, А. (2011), стр. 6.

⁵ Ср. Ощац, A. (2011), стр. 13 ; Ср. Текер, U. (2005), стр. 91

⁶ Ср. книгоиздатель DATACOM (2014)

⁷ См. Шваненгель, А. (2010), стр. 45.

⁸ См. Щелевский, М.; Янушат, Х.; Бок, Б.; Стефан, К. (2014), стр. 53 ; Dalhaus, M. (2006), стр. 30

⁹ См. Глейм, Д. (2012) стр. 17 / Кёппе, Е. (2014), стр. 27-28

¹⁰ Обермайер Дж. (2011), стр. 6 ; Мейер Дж. (2013), стр. 83 ; Текер, U. (2005), стр. 58

¹¹ См. Вернер, М. (2012), стр. 19.

¹² Ср. Ощац, A. (2011), стр. 13 ; Ср. Текер, U. (2005), стр. 91

¹³ Щелевский М.; Янушат Х.; Бок Б.; Стефан К. (2014), стр. 54; LMU Мюнхен.

¹⁴ См. Глейм, Д. (2012), стр. 53.

¹⁵ Cf. Bock , B.; Löwel, Th. ; Rosch, J.; Ritzer, J.; Lienkamp, M.; Twele, H.; Stürzekarn , D. (2014), стр. 54

¹⁶ См. Шваненгель, А. (2010), стр. 45.

¹⁷ См. Калбахер, М. (1996), стр. 57.

¹⁸ Cf. Plümer, L.; Schmittwilken, J. Kolbe, Th. H. (2004), стр. 8

¹⁹ См. Глейм, Д. (2012), стр. 30.