Cải thiện độ chính xác của hệ thống định vị trong nhà dựa trên sử dụng tín hiệu uwb

Cải thiện độ chính xác của hệ thống định vị trong nhà dựa trên sử dụng tín hiệu uwb và so sánh độ hiệu quả và tính chính xác của các thuật toán khác nhau trong việc tính toán, định vị vật thể.

Cải thiện độ xác hệ thống định vị nhà dựa sử dụng tín hiệu uwb Tóm tắt nội dung—Ngày nay, công nghệ đại đem lại cho người nhiều tiện ích ứng dụng xác định vị trí đóng góp phần khơng nhỏ vào sống Các ứng dụng dựa vị trí xuất khắp lĩnh vực từ nhu cầu hàng ngày người như: mua sắm, giải trí, đặt nhà hàng, tìm đồ đạc tới hoạt động tối quan trọng quân sự, an ninh, quốc phịng Vì chúng tơi nghiên cứu hệ thống định vị nhà – hệ thống góp phần thiết yếu sống Một yếu tố quan trọng hệ thống định vị xác kết đầu ra, nói cách khác sai số kết ước tính vị trí thực tế đối tượng định vị cần giảm xuống nhỏ Vì vấn đề mơi trường ảnh hưởng lớn tới phép đo dẫn đến sai số lớn kêt ước tính nên báo đề xuất phương pháp cải thiện độ xác hệ thống định vị nhà phương pháp sử giao thức truyền thông UWB Các kết mô dựa đo đạc thực tế cho thấy phương pháp đề xuất hồn tồn khả thi để nâng cao độ xác cho hệ thống định vị Index Terms—Định vị nhà, cường độ tín hiệu, truyền lan lỗi, khơng đồng nhất,UWB giao thức không dây tầm ngắn I GIỚI THIỆU Hệ thống định vị nhà trở thành phần thiếu sống người Tất điện thoại thông minh ngày cung cấp dịch vụ dựa vị trí tìm đồ đạc nhà hay xác định vị trí cửa hàng trung tâm mua sắm chí trị chơi giải trí hot phát triển dựa xác định vị trí địa lý Từ đó, thấy ứng dụng xác định vị trí giúp người tiết kiệm nhiều thời gian sống hàng ngày vui chơi, giải trí Phổ biến với người nói đến hệ thống định vị toàn cầu (GPS) - hệ thống định vị ngồi trời dùng để tìm đường đi, xác định vị trí cơng viên, tịa nhà, v.v Hầu sai số hệ thống GPS từ 5-10 m mà đảm bảo người dùng tìm xác mục tiêu [1] hệ thống định vị nhà cần xác định vị trí phạm vi nhỏ dẫn đến sai số phải đủ nhỏ để đảm bảo hiệu suất Khác với công nghệ vô tuyến truyền thống (như Bluetooth hay Wi-Fi), UWB hoạt động công nghệ Time of Flight khác với dạng RSS Điều làm cho cơng nghệ xác thực phép đo khác cách xác công nghệ vô tuyến truyền thống Công nghệ UWB có nhiều tính bật độ xác cao (mức decimet) khơng bị nhiễu với hệ thống liên lạc vô tuyến khác, sử dụng thu phát công suất thấp Trong nghiên cứu này, chúng tơi sâu vào cải thiện độ xác cho hệ thống định vị nhà Ta thấy có hai cách để đo khoảng cách hai thiết bị Đầu tiên dựa RSSI, báo cường độ tín hiệu nhận Chúng ta biết cường độ tín hiệu giảm tăng khoảng cách từ máy phát theo kiểu xác định dựa công thức lý thuyết Với giả thiết này, ước tính khoảng cách máy thu máy phát Tuy nhiên, cách tiếp cận có số nhược điểm Vì mơi trường kênh vô tuyến thay đổi liên tục, nên tham số RSSI vậy, mang lại thiếu xác cho hệ thống Tham số RSSI bị suy giảm truyền đa đường tượng khác phổ biến kênh vô tuyến Kết độ xác tổng thể tăng lên quy trình gọi lấy dấu vân tay, nhiên môi trường vô tuyến thay đổi nhanh chóng, quy trình cần thực thường xuyên để cải thiện kết khác Các công nghệ truyền thống Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth lượng thấp Active RFID dựa quy trình ước tính khoảng cách Một tùy chọn khác sử dụng Line of Sight tín hiệu thay RSSI Điều mang lại kết xác nhiều mơi trường Line of Sight dẫn đến độ xác đến centimet tùy thuộc vào tần số chất tín hiệu Đây cách tiếp cận sử dụng công nghệ Ultra Wideband Bằng cách kết hợp phép đo Thời gian bay từ số thiết bị, có vị trí xác với độ xác lên đến vài cm Bản chất tín hiệu UWB khiến trở thành ứng cử viên lý tưởng để sử dụng quy trình ước tính khoảng cách Thời gian bay Ví dụ, hiệu suất bị giảm sút che khuất Line of Sight thiết bị UWB, nhiên độ xác tổng thể cao so với RSSI Nhận thấy hầu hết lỗi sai vị trí ước tính so với vị trí thực tế độ lan truyền lỗi từ biến phép đo lường ảnh hưởng lên kết cuối cùng, sử dụng giao thức truyền thông UWB, giao thức giúp cải thiện đáng kể sai số khoảng cách Chúng sử dụng phép đo RTT để đo khoảng cách từ thiết bị quảng bá Tag tới thiết bị mục tiêu Anchor đặc tính trội như: đơn giản, tính xác, hiệu Khi so sánh với phương pháp đo khoảng cách dựa thời gian lan truyền tín (TOA) hay thời gian chênh lệch thời điểm đến tin (TDOA), thấy phép đo không hiệu môi trường có vật cản (NLOS), chúng đồng thời tiêu thụ pin nhiều phức tạp cần đồng thời gian xác thiết bị thu phát Điều khơng khả thi thực tế thiết bị điện thoại thơng minh người dùng thuộc nhiều hãng sản xuất khác nhau, công nghệ khác nhau, phần cứng khác nên để đồng xác tuyệt tốn phức tạp Vậy nên thấy phép đo dựa cường độ tín hiệu hồn tồn khả thi điều kiện thực tế Cùng với đó, nghiên cứu sử dụng công nghệ UWB nhúng thiết bị gọi DW1000 DW1000 công nghệ phổ biến để xác định vị trí tích hợp hầu hết điện thoại thơng minh [6], [7] Nó tối ưu cơng nghệ khác Wifi hay Bluetooth chi phí thấp, xác, nhanh chóng bật UWB cho phép nâng cao khả định hướng, nhận thức không gian giúp thiết bị di động cải thiện khả định vị vị trí, hiểu dõ mơi trường xung quanh Phần cịn lại báo tổ chức sau Trong Phần II, chúng tơi tóm lược vấn đề liên quan tới hệ thống định vị phép đo RTT Trong phần III, đưa phương pháp đề xuất để giải vấn đề nêu Phần II Tiếp đó, phương pháp đề xuất đưa vào mơ để đánh giá hiệu phần IV Phần V đưa kết luận cho báo II TÓM TẮT HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÀ PHÉP ĐO RTT A Phép đo thời gian (Round Trip Time - RTT) Two Way Ranging Symmetric Phép đo thời gian (RTT) khoảng thời gian tính mili giây (mili giây) để yêu cầu gói tin từ điểm xuất phát đến điểm đến quay trở lại điểm xuất phát Và ToF (Time of Flight) dạng phép đo thời gian Trong mơ hình ToF, chúng tơi sử dụng nút gốc thiết bị Anchor, gọi BWM1000 (biểu diễn hình thoi đen) Các Anchor giả sử biết trước tọa độ Nhiệm vụ định vị xác định vị trí nút đích Tag( thiết bị DWM1000).Khi khởi tạo thiết bị Tag gửi gói tin để thăm dò đến thiết bị lân cận, thời gian gọi TSP (Time of sending Poll) Khi thiết bị Anchor lân cận tiếp nhận gói tin ghi lại thời gian tiếp nhận (Time of Poll reception - TRP) Sau ghi lại thời gian tiếp nhận, Anchor phản hồi lại Tag gói tin thời điểm gọi TSR Khi thiết bị Tag nhận lại gói tin mà Anchor phản hồi ghi lại thời gian TRR soạn thơng báo cuối để gửi Trong gói tin bao gồm thơng tin ID, TSP, TRR, TSF Dựa thời gian nhận cuối TRF thơng tin gói tin mà thiết bị Tag gửi, Anchor xác định khoảng tách từ thiết bị Tag tới Anchor từ xác định Time of Flight tín hiệu UWB Theo cách lập trình, thơng tin khoảng cách gửi lại thiết bị Tag Anchor khu vực lân cận Cơng thức tính khoảng cách biểu diễn sau: Distance = ToF x (speed of light) 𝑇𝑜𝐹 = [(𝑇𝑅𝑅 – 𝑇𝑆𝑃) – (𝑇𝑆𝑅 – 𝑇𝑅𝑃) + (𝑇𝑅𝐹 – 𝑇𝑆𝑅) – (𝑇𝑆𝐹 – 𝑇𝑅𝑅)] (1) Two Way Ranging Asymmetric DW1000 hoạt động lan truyền nhận gửi gói tin dựa UWB, đồng thời giúp xác định mốc thời gian mà gói tin gửi nhận mà từ dùng để xác định Tof Do tính chất hoạt động khơng đồng DW1000 với nhau, có vài thuật tốn sử dụng để tính TOF Single-sided Two-way Ranging, Double-sided Two-way Ranging, Các thí nghiệm lần sử dụng thuật toán Double-sided Two-way Ranging với gói tin nhận/gửi round1 = 2TOF + reply1 round = 2TOF + reply2 round1 + round2 + reply1 + reply2 = 4TOF + (reply1 + reply2) TOF (round1 + round2 + reply1 + reply2) = 4TOF2  + 2TOF(reply1 + reply2) = (2TOF + reply1) * (2TOF + reply2) - reply1*reply2 = round1 * round2 - reply1 * reply2 TOF = round1 * round2 - reply1 * reply2round1 + round2 + reply1 + reply2 Tuy nhiên, với đếm (clock) có DW1000 hoạt động có sai số so với tần số mong muốn Giả sử clock thiết bị A chạy với tần số a lần tần số hoạt động xác, clock thiết bị B chạy với tần số b lần tần số hoạt động xác Như độ chênh lệnh bình qn sử dụng Double-sided Two-way Ranging là: = a + b2 Như vậy, TOF có sai số => TOF =TOF +- B Bài toán định vị III PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT A Phương pháp bình phương nhỏ (LS) 𝑇 Giả sử có N DW1000chip nút đích có tọa độ là[𝑥𝑖 , 𝑦𝑖 ] , i ∈ {1, , N} 𝑇 [𝑥 , 𝑦 ] Khi đó, khoảng cách nút đích DW1000chip thứ i là: 𝑑𝑖 = (𝑥 − 𝑥𝑖)2 + (𝑦 − 𝑦𝑖)2 (2) Phương trình (5) viết thành: ( )2 + (𝑦 − 𝑦1)2 𝑑22 = (𝑥 − 𝑥2)2 + (𝑦 − 𝑦2)2 ⋮ 𝑑2𝑛 = (𝑥 − 𝑥 {𝑑1 = 𝑥 − 𝑥1 (3) Lấy phương trình trừ cho phương trình trừ cho phương trình đầu tiên, ta thu được: (4) 𝐴𝑥𝐿𝑆 = 𝑏 Trong đó: [ ] 𝐴 = 𝑥2 − 𝑥1 𝑦2 − 𝑦1 𝑥3 − 𝑥1 𝑦3 − 𝑦1 ⋮ [ ] ⋮ 𝑥𝑛 − 𝑥1 𝑦𝑛 − 𝑦1 , 𝑥𝐿𝑆 = 𝑥𝐿𝑆 𝑦𝐿𝑆 𝑏 = Ước lượng LS x là: ( ⊤ −1 ⊤ ) 𝑥𝐿𝑆 = 𝐴 𝐴 𝐴 𝑏 (5) B Phương pháp sử dụng phép đo ba bán kính dựa giao tuyến: Trong nghiên cứu chúng tôi, Trilateration định nghĩa phương pháp sử dụng để xác định vị trí tương đối người dùng cách sử dụng phương pháp phép đo thời gian (RTT – Round Trip Time ) ba thiết bị sử dụng DW1000chip Cụ thể, tín hiệu từ DW1000chip tồn tại, khoảng cách từ thiết bị Tag thiết bị Anchor vẽ ba vòng tròn Khoảng cách Tag Anchor tính cơng thức sau: ⎡⎢𝑥2 + ⎣ ( ) ( ) ζ(λ) = ζ λ0 − 10η𝑙𝑜𝑔⁡ λ λ0 +χ Do đó: ( ) ζ λ0 −ζ(λ) λ = λ0 · 10 10η λ khoảng cách từ Anchor đến Tag, ζ(λ) Tof beacon, λ0 khoảng cách tham chiếu, thông thường λ0 1m môi trường nhà, ζ (λ0) Tof tham chiếu, η số mũ đường dẫn, χ biến phân bố Gaussian trung bình không với phương sai σ2χ Không giống cách tiếp cận vân tay, phương pháp Phép đo ba bán kính khơng có giai đoạn ngoại tuyến Tuy nhiên, yêu cầu sở liệu vị trí tọa độ Anchor Cho (xi, yi) tọa độ Anchor thứ i Các phương trình cho vịng tròn biểu thị sau (với z = 0): (𝑥 − 𝑥𝑖)2 + (𝑦 − 𝑦𝑖)2 = λ2𝑖 , 𝑖 = 1, 2, Hình 3: Phương pháp Phép đo ba bán kính: (a) Điều kiện lý tưởng, (b) (c) Điều kiện khơng hồn hảo Trên thực tế, dao động giá trị Tof UWB, thay giao điểm, ba vịng trịn giao khu vực, khơng Do đó, phương pháp Phép đo ba bán kính dựa giao tuyến [17] sử dụng để tính tốn vị trí Phương trình (5) viết lại sau: 2 2 𝑥 − 2𝑥𝑥𝑖 + 𝑥𝑖 + 𝑦 − 2𝑦𝑦𝑖 + 𝑦𝑖 − λ𝑖 = 2 Đặt 𝑎𝑖 =− 2𝑥𝑖, 𝑏𝑖 =− 2𝑦𝑖, 𝑐𝑖 = 𝑥𝑖 + 𝑦𝑖 − λ𝑖 , phương trình (6) trở thành: 2 𝑥 + 𝑦 + 𝑎𝑖𝑥 + 𝑏𝑖𝑥 + 𝑐𝑖 = Vị trí ước tính Tag tính cơng thức: 𝑥ˆ = (𝑐2−𝑐1)(𝑏2−𝑏3)−(𝑐3−𝑐2)(𝑏1−𝑏2) (𝑎2−𝑎1)(𝑐3−𝑐2)−(𝑐2−𝑐1)(𝑎2−𝑎3) 𝑦ˆ = (𝑎1−𝑎2)(𝑏2−𝑏3)−(𝑎2−𝑎3)(𝑏1−𝑏2) (𝑎1−𝑎2)(𝑏2−𝑏3)−(𝑎2−𝑎3)(𝑏1−𝑏2) IV KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ A Thiết lập mơ Giảm thiểu sai số calibration Với DW1000 thiết bị truyền dẫn đa kênh dựa sóng UWB Tuy nhiên sử dụng có yếu tố ảnh hưởng tới độ trễ truyền nhận thiết bị Các yếu tố độ trễ sinh so sai khác thời gian thực tế nhận gửi gói tin với thời gian mà DW1000 ghi nhận trình trình nhận gửi đó. Do đó, với phép đo TOF thơng thường kết nhận thường bị sai lệch lớn (> 50cm) thiết bị DW1000 hoạt động có độ trễ lan truyền riêng Độ trễ gọi Antenna delays Công thức: Tm = T(Tof) + T(delay) Trong T(delay) tổng độ trễ q trình TOF độ trễ nhận (RX_delay) độ trễ gửi (TX_delay) Như vậy, kỹ thuật sử dụng để xử lý Antenna delays Antenna delay calibration Có vài giải thuật sử dụng cho Antenna delay calibration, có phương pháp sử dụng rộng rãi Trial & Error (Thử sai) set eps = 0.05 set step = set delay = 16436 set n = set threshold = 10   while true:    get range_mesured // get range_mesured from DW1000    set error = abs(range_mesured - renge_expected)    if error < eps        n ++    else        update n =        delay += (range_mesured > renge_expected) ? delay : -step        continue      if n == threshold        return delay // Best delay Mơ hình mơ phương pháp bình phương nhỏ Trong phần này, phương pháp đề xuất đưa vào mô đánh giá hiệu Kịch mơ dựa thí nghiệm thực tế trình bày [1] Khu vực mơ mẫu mơi trường nhà điển hình, gồm thiết bị sử dụng chip DW1000 với chức thiết bị gồm thiết bị Tag thiết bị Anchor Khoảng cách Tag vs Anchor khoảng 2-3 m Các thiết bị Tag Anchor đồng thời giả sử có cấu hình Người dùng sau di chuyển theo quỹ đạo cố định để đánh giá độ xác phương pháp định vị Loại sai số lựa chọn để đánh giá phương pháp khoảng cách ⊤ ⊤ Euclid không gian chiều Giả sử [𝑥, 𝑦] [𝑥ˆ, 𝑦ˆ] tọa độ vị trí thực vị trí ước lượng, sai số định nghĩa bởi: 𝑒𝑟𝑟  = 2 (𝑥 − 𝑥ˆ) + (𝑦 − 𝑦ˆ) Mô sử dụng tham số đo đạc thực nghiệm, bao gồm mơ hình chuyển đổi Tof sang khoảng cách Bảng I mơ hình tính tốn độ tin cậy Tof tức thời () Mơ hình mơ sử dụng phép đo ba bán kính dựa giao tuyến: Ta đặt anchors main vị trí x1y1, sau đo khoảng cách anchors main, anchors 1, anchors khoảng cách gửi tag Ta tiếp tục di chuyển anchors main đến vị trí x2y1, x3y1…x6y4 để đo khoảng cách Mỗi lần đo ta lấy từ 20-30 mẫu để tính sai số lần đo x1y1 x1y2 x1y3 x1y4 x2y1 x2y2 x2y3 x2y4 x3y1 x3y2 x3y3 x3y4 x4y1 x4y2 x4y3 x4y4 x5y1 x5y2 x5y3 x5y4 x6y1 x6y2 x6y3 x6y4 (anchors main) Anchors Tag B Đánh giá độ xác phương pháp định vị Mơ hình LS Anchors 2 So sánh độ xác phương pháp định vị (a) LS (b) Trilateration Hình 4: Biểu đồ phân bố sai số phương pháp ước lượng Trong phần này, độ xác phương pháp đề xuất so sánh với phương pháp ước lượng cổ điển Các phương pháp đưa vào để so sánh bao gồm LS phương pháp Trilateration Phương pháp Trilateration sử dụng phổ biến lĩnh vực định vị, nhân thêm vào hệ thống LS ma trận trọng số có dạng sau: V KẾT LUẬN Trong báo này, đề xuất phương pháp để cải thiện độ xác cho hệ thống định vị nhà Nền tảng phương pháp bắt nguồn từ việc phân tích lỗi truyền lan, lỗi tránh khỏi từ môi trường không đồng lên giá trị Tof, sau từ Tof lên khoảng cách cuối từ khoảng cách tới vị trí ước lượng Đặc biệt, hệ thống khảo sát mơ hình kênh thực nghiệm mà chúng tơi đo quan sát môi trường nhà G2 Các kết kiểm chứng mơ máy tính cho thấy phương pháp đề xuất vượt trội phương pháp LS hay Trilateration phổ thông PHỤ LỤC: HÀM SINH MÔ-MEN CỦA BIẾN NGẪU NHIÊN GAUSS Gọi x biến ngẫu nhiên Gauss có kỳ vọng phương sai µ σ2 Hàm mật độ phân phối biến ngẫu nhiên viết dạng: 𝑁(𝑥, μ, σ ) = ( (𝑥−σ ) 𝑒𝑥𝑝 − 2πσ 2σ ) Ta dễ dàng tính hàm sinh mơ-men cho biến chuẩn tắc: 𝑧𝑡 ( )= 𝑀𝑧(𝑡) = 𝐸 𝑒 +∞ 𝑧𝑡 ∫  𝑒 2π −∞ Đối với trường hợp tổng quát cho 𝑥, ta đặt 𝑧 = −2𝑧 𝑥−µ σ 𝑒 𝑑𝑧 Ta có, 𝑥 = 𝑧σ + µ 𝑑𝑥 = σ𝑑𝑧 Sau đó, ta tính hàm sinh cho biến ngẵu nhiên Gauss tổng quát thông qua biến chuẩn tắc sau: +∞ 𝑧σ𝑡+μ𝑡 𝑀𝑥(𝑡) = ∫   𝑒 −∞ 2πσ −2𝑧 𝑒 σ𝑑𝑧 μ𝑡 =𝑒 +∞ 𝑧σ𝑡 ∫  𝑒 −∞ 2π −2𝑧 𝑒 𝑑𝑧 μ𝑡 =𝑒 𝑒 2 σ𝑡