Диссертация (1090554), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Такой вариант авторами статьи также нерассматривался.451.4.3. Комбинация нескольких беспроводных технологийОдним из возможных подходов к увеличению точности позиционированияявляется одновременное совместное использование разных беспроводных технологий. Этот подход основан на следующих предположениях:1) Беспроводные технологии разной физической природы могут взаимнокомпенсировать ошибки друг друга;2) Применение нескольких технологий позиционирования позволяет определять местоположение объекта в большем числе случаев. В частности,при недоступности или отказе одной из технологий, координаты объектамогут быть оценены по данным тех технологий, которые остались доступными.Среди публикаций по данной тематике можно выделить следующие основные направления:1) Комбинация данных беспроводных сетей Wi-Fi и данных навигационныхспутников (GPS, ГЛОНАСС);2) Совместное использование беспроводных технологий Wi-Fi и Bluetooth;3) Интеграция систем Wi-Fi позиционирования с системами инерциальнойнавигации (ИНС).Объединение системы Wi-Fi позиционирования с системой глобальнойнавигации (GPS) описано в работе [52].
Главная цель такого объединения заключается в том, чтобы обеспечить позиционирование объектов как внутри помещений (где эффективно использование Wi-Fi), так и за их пределами (где успешноприменяется GPS). Основной задачей, рассмотренной авторами, являлось своевременное переключение между используемыми технологиями, а также применение общедоступной базы данных Wi-Fi точек доступа для увеличения точностиGPS позиционирования. Данных о существенном увеличении точности локального позиционирования (внутри помещений) в работе не представлено.В работе [53] рассматривается задача увеличения точности системы Wi-Fiпозиционирования за счѐт еѐ дополнения источниками сигнала Bluetooth. Комбинация этих двух технологий позволила авторам уменьшить значение средней46ошибки позиционирования на 18% (с 2,78 м до 2,28 м).
Главное преимуществопри использовании базовых станций Bluetooth, как отмечают авторы, достигаетсяза счѐт того, что их эффективный радиус действия меньше по сравнению с типовыми Wi-Fi излучателями. Эта особенность позволяет корректировать оценки координат объектов в проблемных с точки зрения точности позиционирования зонах. Аналогичные подходы рассматриваются в работах [54] и [55].Недостатком такого решения можно считать необходимость в дополнительном стационарном питании Bluetooth источников, которое зачастую не можетбыть обеспечено в зонах с пониженной точностью позиционирования.
Компенсировать этот недостаток возможно при использовании технологии BLE (BluetoothLow Energy, Bluetooth с низким энергопотреблением), обладающей значительнойавтономностью и высокой зональной точностью позиционирования [56].Ограничением существующих подходов к комбинации технологий Wi-Fi иBluetooth является отсутствие исследований, посвященных применению даннойсовокупности беспроводных технологий для решения задачи позиционированиягрупп близкорасположенных объектов, подробно рассмотренной в п.
1.4.2.Авторы работ [41, 57, 58] рассматривают применение инерциальных сенсоров для определения местоположения объектов на коротких временных промежутках. Так авторы работы [41] предлагают использовать данные инерциальныхсенсоров для компенсации ошибок измерений уровней мощности Wi-Fi сигнала(RSS), а именно данные акселерометра и двухосевого гироскопа. Акселерометрпозволяет оценить скорость движения объекта за счѐт возникновения периодических флуктуаций его сигнала при перемещении объекта.
Гироскоп в свою очередьявляется средством оценки угла поворота объекта относительно вертикальнойоси. Оценка осуществляется путѐм численного интегрирования показаний гироскопа на определѐнном временном интервале.Главным недостатком любых инерциальных навигационных систем (ИНС)является тот факт, что они накапливают свою ошибку с течением времени. Поэтому они всегда используются совместно с другими технологиями. Задача их интеграции с системой Wi-Fi позиционирования рассматривается авторами [41] как47модернизация алгоритма фильтра частиц, рассмотренного ранее в п. 1.4.1.
В случае использования инерциальных сенсоров выражение (1.16) для расчѐта положения частиц на m-ом шаге алгоритма может быть переписано в виде:*+[][]+[]*+,(1.24)где vm-1 – скорость на предыдущем шаге, оцененная по данным акселерометра, а– угол поворота объекта, рассчитанный с использованием данных гироскопа.Для исключения избыточной информации, формируемой гироскопом, атакже компенсации накапливаемой им ошибки, авторы работы дополнительноиспользуют фильтра Калмана. Итоговое значение угла поворота объектапо-лучается на основании данных гироскопа и текущего угла траектории объекта,оцениваемой системой позиционирования. Структурная схема суммарной системы позиционирования по данным Wi-Fi сети и инерциальных сенсоров изображена на рис. 1.3.Рис. 1.3.
Структурная схема системы позиционирования по даннымWi-Fi сети и инерциальных сенсоровАвторами экспериментально показано, что использование ИНС позволяетуменьшить значение средней ошибки позиционирования на 36,5% (с 2,88 м до1,83 м) по сравнению с обычной системой Wi-Fi позиционирования и на 16% посравнению с системой, в которой используется только фильтр частиц.48Результаты оценки перемещения объекта при использовании указанных типов систем (Wi-Fi позиционирование без коррекции, Wi-Fi с применением фильтра частиц, Wi-Fi в интеграции с ИНС) представлены на рис. 1.4. Дополнительнона этом рисунке представлен график перемещения объекта, рассчитанный по данным только инерциальных сенсоров.Рис.
1.4. Оценка перемещения объекта при использовании различныхметодов коррекции его координатДанные, представленные на рисунке выше, свидетельствуют, во-первых, обэффективности интеграции системы Wi-Fi позиционирования с ИНС, а во-вторых,о невозможности отдельного применения ИНС при решении задачи локальногопозиционирования.
Минусом данного подхода является значительное увеличениеэнергопотребления за счѐт регулярного опроса инерциальных сенсоров.491.5. Постановка задач диссертацииНа основании проведенного анализа предметной области можно выявитьследующие актуальные научные проблемы:1. В настоящее время практически отсутствуют исследования, посвященные увеличению точности локального Wi-Fi позиционирования за счетсовместного использования нескольких методов позиционирования.2. Авторами и исследователями не рассматривался вопрос применения взадачахлокальногопозиционированияметодовкорреляционно-экстремальных систем, решающих аналогичную задачу в смежной области навигации летательных аппаратов.3. Существующие методы взаимной коррекции координат близкорасположенных объектов основаны на использовании дополнительных ограничений и не позволяют производить коррекцию по расчѐтным даннымметодов позиционирования.4.
В литературе по тематике локального позиционирования в недостаточной степени проработан вопрос комбинированного использования нескольких беспроводных технологий. В частности, интеграция систем WiFi позиционирования с технологией Bluetooth для решения задачи позиционирования групп объектов ранее не рассматривалась.5. К настоящему моменту отсутствует единая научно обоснованная процедура построения систем позиционирования по данным беспроводныхсетей стандарта IEE 802.11 (Wi-Fi).Так как целью данной диссертации является разработка новых методов иподходов для увеличения точности систем локального позиционирования объектов по данным об уровне мощности принимаемых от Wi-Fi точек доступа сигналов, то с учѐтом выявленных проблем можно уточнить задачи диссертации, сформулированные во введении.
Итак, задачами данной диссертации являются:1. Анализ точности существующих методов определения локальных координат объектов в Wi-Fi сетях на основании данных экспериментальныхисследований.502. Разработка методов определения локального положения объектов набазе алгоритмов, применяемых в корреляционно-экстремальных системах(КЭС).3. Разработка методов увеличения точности локализации объектов за счѐт:1) Совместного использования нескольких методов позиционирования;2) Одновременного применения нескольких беспроводных технологий;3) Взаимнойкоррекцииоценоккоординатблизкорасположенныхобъектов.4. Разработка комплексной процедуры синтеза систем локального Wi-Fiпозиционирования объектов.При решении поставленных задач приняты следующие ограничения, следующие из цели и задач диссертации:1. Число и расположение базовых станций (Wi-Fi точек доступа), используемых системой позиционирования, а также объектов, качественно влияющих на распространение сигнала (предметы мебели, межкомнатные перегородки и др.), не изменяется в процессе эксплуатации системы.2.
Все рассматриваемые методы позиционирования основаны на обработкеинформации об уровнях мощности беспроводных сигналов (значенияххарактеристики RSS), принимаемых объектом от базовых станций.3. Значения RSS являются интегральной характеристикой беспроводногосигнала, получаемой с использованием интерфейса прикладного программирования. Вопрос расчѐта значений RSS не рассматривается.4. Технология Wi-Fi (IEEE 802.11) используется в качестве базовой технологии, применяемой для локализации положения объектов. Это не исключает общности получаемых результатов, т.к. методы определения местоположения объектов по данным о значениях RSS применяются в системах локального позиционирования на базе беспроводных технологийиных разновидностей (ZigBee, nanoLOC и др.).В качестве критериев оценки точности позиционирования для существующих и разрабатываемых методов обработки информации, были выбраны средняя51и максимальная ошибка позиционирования.
Значения этих ошибок позволяют вполной мере оценить итоговую точности системы за счѐт учѐта еѐ регулярногоповедения (средняя ошибка) и исключительных ситуаций, отрицательно влияющих на результирующую точность (максимальная ошибка).Средняя ошибка позиционирования определяется как среднее значение намножестве Евклидовых расстояний между истинным положением объекта иоценкой его местонахождения, рассчитанных для каждой записи тестовой выборки. Максимальная ошибка позиционирования представляет собой максимальноезначение на этом же множестве.Вместе со значениями средней и максимальной ошибки также оценивалисьзначения минимальной ошибки и разброса. Разброс значений ошибки рассчитывался как разница между минимальным и максимальным значением ошибки. Использование такой оценки разброса вместо величины среднеквадратического отклонения (СКО) обусловлено тем, что оснований рассчитывать на нормальностьраспределения ошибки в рамках диссертационного исследования нет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
