Sistemas de Localização

1Universidade de Évora

José Carlos Danado

Universidade de Évora

[email protected]

Sistemas de Localização

2Sistemas de Localização 2007 – Universidade de Évora

Sumário■ Introdução

■ Métricas Utilizadas

■ Localização Exterior

■ Localização Interior

■ Sensores

■ Infraestrutura de Localização

■ Modelos de Localização

■ Mapeamento da Localização

■ Location-based Services


Introdução■ A posição do utilizador é importante

dada a crescente necessidade de utilizarLocation-Based Services (LBS).

■ Tecnologias de localização:

� Medição de parâmetros dos sinais Rádio;

� Procura de pontos de controle na cena;

� Utilização de Beacons e Listeners.


Introdução■ A precisão da localização pode variar ao longo

do tempo;

■ Cada tecnologia de localização tem problemasassociados. Nomeamente:

� Visão – computacionalmente intensiva

� Dispositivos magnéticos – têm pouca precisão

� Dispositivos mecânicos – são incomodativos

■ Solução: Utilização de diferentes tecnologiaspara tirar partido das suas vantagens e diminuir as desvantagens


Introdução■ Combinar as diversas tecnologias de

localização deve ter em conta:� Algum atraso;

� Interferências internas e externas;

� Precisão de cada dispositivo.

■ As técnicas utilizadas para combinar, suavizar

e prever as medições de localização:� Polynomial-based predictors;

� Kalman filters;

� Single-Constraint-At-A-Time.

� Particle Filters


Introdução

■ Polynomial-based predictors – fornecem

estimativas dos valores futuros de sinais

polinomiais.

■ Kalman filter – um algoritmo que estima os

estados não medidos a partir de outras

medições e suaviza os valores das medições

realizadas.


Introdução■ SCAAT – é uma técnica baseada na permissa de que

uma única observação fornece informação suficiente

sobre o estado do utilizador e pode ser utilizada para,

de forma incremental, melhorar as anteriores

estimativas.

■ Particle Filters – estimam probabilisticamente o estado

de um sistema dinâmico a partir de observações com

ruído. São atribuídos pesos a cada medição por forma

a conseguir uma medição com menor erro.


Introdução

Exemplo de ParticleFilters

From Place Lab

Laranja – Posição reportada

Azul – media das partículas

Verdes - partículas


Métricas Utilizadas■ A precisão com que um sistema de localização

funciona deve incluir 3 métricas:� A precisão do sistema é determinada pela forma

como o terminal móvel consegue determinar a fronteira entre dois espaços;

� A granularidade do sistema é o menor tamanhopossível de um local no espaço, de forma que as fronteiras sejam detectadas com alto graú de precisão;

� A exatidão é utilizada nas estações e terminaismóveis; definindo-se como a razão entre a distância estimada entre este e a estação peloterminal móvel e a distância real associada.


Localização Exterior■ Principais dispositivos utilizados para calcular

a posição e orientação no exterior:

� Global Positioning System (GPS);

� Giroscópios;

� Acelerómetros;

� Bússolas;

� Pedómetros;

� Inclinómetros;

� Sensores de visão.


Localização Exterior■ Dificuldades em desenvolver sistemas de

localização para ambientes não preparados:

� Se o utilizador estiver no exterior e tiver que

percorrer longas distâncias, os recursos

disponíveis ficam limitados pelas restrições de

mobilidade;

� As condições de operação do dispositivo são

maiores que em ambientes preparados;

� O programador não consegue controlar o

ambiente.


Localização Exterior• You et al. “Hybrid

Inertial and Vision

Tracking for

Augmented Reality

Registration”

• Combina orientação

inercial e algoritmos

de visão.


Localização Exterior

■ A orientação pode ser obtida com:

� Sensores de orientação (ex: giroscópio);

� Procura de características naturais.

➔ A utilização da linha do horizonte é uma das

técnicas mais utilizadas em terrenos bem

estruturados. Pode ser combinado com mapas

digitais de elevações para calcular uma silhueta

com 360º.


Localização Interior■ Vantagens da localização em interiores:

� O ambiente é controlado;� Envolve um menor espaço a localizar;

■ Em sistemas de localização para interiores é necessário:

� Maior precisão;� Taxas de medição mais rápidas;� Não ser obstrutivo;� Ser barato;� Ser robusto;� Ser escalável.


Localização Interior■ Exemplo:

� O Cricket Location-Support System utiliza

uma combinação de rádio-frequência e

ultra-sons para determinar a posição do

utilizador:➔ A distância do dispositivo a um emissor é

medida pela diferença entre o tempo de

chegada do sinal de rádio e o tempo de

chegada do sinal de ultra-sons.

➔ Cada transmissão de rádio é preenchida com

informação sobre o espaço.


Localização Interior

Cricket LocationSupport System


Sensores

■ Global Positioning Service (GPS)

� GPS é uma constelação de: 27 satélites que

orbitam em volta da terra.

➔ 24 Activos + 3 Extra

� Ciclo: duas vezes por dia

� Distância: 19 300 Km

� Assistido por 5 estações terrestres

� Todas as órbitas são calculadas por forma a ter

sempre 4 satélites visíveis

NAVSTAR GPS Satellite


Sensores

■ Como funciona o GPS� Em cada satélite temos valores

precisos de tempo e posição.➔ São utilizados relógios atómicos com uma precisão de um

segundo em 70.000 anos➔ É divulgada a posição do satélite

� O receptor de GPS mede a diferença de tempo entre o envio e a recepção do sinal do satélite

� Com esse valor calcula a distância entre o dispositivo e cada satélite. Utilizando três ou mais satélites o receptor de GPS chega a um cálculo da posição do utilizador


Sensores• Differential GPS (D-GPS) *

0.5 – 5 m– Um receptor de GPS é

colocado numa posição conhecida, sendo que essa informação é utilizada para corrigir os dados da posição enviados pelos satélites

– Esta informação é depois enviada para os receptores de D-GPS.


Sensores

■ Wide Area Augmentation System

(WAAS) * 1 m

� O mesmo princípio que o D-GPS.

� A estação de referência chama-se Wide

Area Reference Station (WRS)


Sensores■ Real Time Kinematic GPS (RTK-GPS) *

20-100 cm (Float Positions) ou 1-5 cm (Fixed Solutions)

� Utiliza a informação de pelo menos 4 satélites, a informação de uma estação de referência e é estabelecido um link rádio entre a estação e o receptor GPS

� Posteriormente são aplicados algoritmos para corrigir os cálculos

� Fixed Solutions requer uma inicialização do sistema


Sensores■ O GPS também pode ser utilizado em

interiores, através:� De receptores de alta sensibilidade, (Ver

http://www.sirf.com/);� Do uso de pseudolites.

■ Pseudolite é um gerador de sinal que emite sinais semelhantes aos enviados pelo sistema GPS.

■ Permite erros entre 1 a 2 centímetros.


Sensores

Indoor Centimeter-Accuracy Navigation Using GPS-Like Pseudolites


Sensores■ Global Navigation Satellite System

(GLONASS)� O espaço operacional do GLONASS

consiste em 21 satélites em 3 planos órbitais, com 3 satélites extra

� Os planos estão separados 120 graús, e os satélites na mesma órbita por 45 graús.

� Cada satélite opera em órbitas que distam 19.100 Km da superfície com uma inclinação de 64.8 graús

� A duração de cada órbita é de 11 horas e 45 minutos.

� O controlo deste sistema é todo realizado em países da antiga União Soviética.


Sensores■ GALILEO

� Iniciativa europeia que contribui para o Global Navigation SatelliteSystem (GNSS) tornando acessível um sistema de navegação de última geração com:

➔ Com alta precisão,➔ Global,➔ Sob o controle da

sociedade civil.


Sensores

■ GALILEO

� Interopera com os dois outros sistemas de

navegação global (GPS e GLONASS)

■ Evolução do GALILEO

� Desenvolvimento e validação das órbitas

(2002-2005)

� Disseminação (2006-2007)

� Operações Comerciais (a partir de 2008)


Sensores• GALILEO

– 5 serviços de posicionamento• OS – para o público em geral• CS – para os profissionais e aplicações comerciais• PRS – para aplicações governamentais• SoL – para a segurança de pessoas e bens• SAR – Search and Rescue – para busca e salvamento


Sensores• GALILEO

– Uma constelação de 30 satélites, dos quais 3 são extra.– Circulam em órbitas de 24.000 Km acima da superfície.– Os satélites são suportados por uma rede de estações

terrestres.• Estas fornecem funções de monitorização e sistema e centros de

controle.• São responsáveis por coleccionar informação adicional e informar

os utilizadores quando algo se passa com os satélites.


Sensores• Active Bats

– Utiliza sensores de ultra-sons;

– Baseado no princípio de triangulação;

– Mede o tempo que o sinal demora a percorrer a distância entre emissor e receptor;

– Utiliza uma grelha de sensores no tecto;


Sensores■ Podemos utilizar câmaras para localizar o

utilizador;

■ São procuradas características no ambiente

com um algoritmo baseado na visão;

■ A posição do utilizador é calculada com base

na posição conhecida das características;

■ A localização é feita procurando “fiducials” ou

características naturais (ex: horizonte),

questionando em seguida uma base de dados;


Sensores• Vision-based Tracking Tools

– ARToolKit;• http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/

– OpenCV• http://www.intel.com/research/mrl/research/opencv/

ARToolKitOpenCV


Sensores• Vision-Based Tracking


Sensores■ Vision-Based Tracking


Sensores■ O Smart Floor é outra tecnologia utilizada para

localizar pessoas.

■ O sistema identifica pessoas pela pegada.

■ Tem 93% de precisão a reconhecer perfis de

pegadas até 15 pessoas.

■ Desvantagem:� Muito caro quando aplicado a grandes superfícies;

� Implica a alteração de toda a superfície.


Sensores■ Podemos ter também sistemas de localização

com base em domínios de rede.� Híbridos (interior e exterior)� Com base em sinais de rádio

■ Algumas tecnologias utilizadas:� Bluetooth;� Família de standards 802.11;� Ultra-Wide Band;� GSM;� GPRS;� EDGE;� UMTS;� RF-ID, ...


Sensores

■ A tecnologia Bluetooth pode ser utilizada para

fornecer informação sobre posição, ou para

fornecer serviços de proximidade;

■ Machida et al. desenvolveu um sistema,

utilizando Bluetooth, que fornece informação

precisa sobre o local visitado e a sua

localização.


Sensores• Bluetooth

– Por ser um protocolo de comunicações ad-hoc tem problemas quando utilizadopara localização.

– O Bluetooth SIG – Local Positioning Work Group –está a trabalhar para definir um conjunto de mensagens XML (LPP) utilizado para trocar a localização entre dispositivos.

<? xml version=”1.0” ?><locpos><addr>

<CountryCode>PT</CountryCode><State>Alentejo</State><City>Evora</City><Street>R. Romao Ramalho, 59</Street><PostalCode>7000 Evora</PostalCode><Building>

<Name>Colegio Luis Verney</Name><Floor>2</Floor><Room>222</Room><Tel type=”work,voice”>+351 266745371</Tel>

</Building></addr><env

xmlns:”www.uevora.pt/bluetooth/lp/dtd/university.dtd”>

<Name>University of Evora</Name><Department>Computer Science</Department><President>Prof. Salvador Abreu</President>

</env><reference url=”...” Label=”...”>

(Contains description of web presence)</reference><date>

The date, time and, timezone offset in ISO 8601 format.

</date></locpos>


Sensores■ Empresas como a Ekahau, AeroScout, PanGo

Networks desenvolveram plataformas para

serviços baseados na localização utilizando a

família de standards 802.11.

■ O projecto Microsoft Research RADAR utiliza

o standard 802.11, permitindo localizar

utilizadores.� Guarda e processa a informação em múltiplas

estações base posicionadas de forma a que as

células se sobreponham.


Sensores■ Place Lab

� Software (open-source) que fornece um serviço de localização de baixo custo e fácil de utilizar para aplicações que tiram partido da localização do utilizador.

� Permite a localização dos utilizadores apenas no dispositivo (Permite privacidade)

� http://www.placelab.org/


Sensores• Ubisense fornece uma plataforma para obter a

localização dos utilizadores através de Ultra-WideBand;

• A utilização de pequenos impulsos de rádio permite saber que sinais utilizar e que sinais resultam do efeito de multipath;

• Fornece uma precisão de até 15 centímetros.


Sensores■ Nas redes móveis encontramos vários

métodos para obter a posição do utilizador.

■ Esses métodos podem dividir-se nas

seguintes categorias:� Com base na infraestrutura da rede;

� Com base na infraestrutura da rede e dispositivo

móvel;

� Com base no dispositivo móvel;

� Com base na infraestrutura de rede ou no

dispositivo móvel.


Sensores■ Com base na infraestrutura da rede:

� Baseado no ID da célula – A posição do terminal pode ser estimada com base na informação da célula actual ou da célula mais recente. (0.2 – 10 Km)

� Round Trip Time (RTT) – O RTT é calculado baseado no tempo de propagação do sinal desde o terminal até à estação e volta. O cálculo da posição é efectuado utilizando as medições RTT do signal para várias estações.

� Time Of Arrival (TOA) – Calcula a posição baseado no tempo de propagação do sinal de rádio do emissor de rádio para o receptor. Pode aplicar-se triangulação quando se utilizam as medições de três ou mais estações base. (100-200 m)

Cell-ID


Sensores■ Com base na infraestrutura de rede:

� Time Difference Of Arrival (TDOA) – o terminal observa as medições TDOA das estações vizinhas. A posição desconhecida do terminal é calculada processando as medições entre o terminal e, no mínimo, três estações base de posições conhecidas. As medições baseam-se em dois componentes: TDOA = Real Time Difference (RTD) + Geometric Time Difference (GTD).

� Angle Of Arrival (AOA) – A posição do terminal édeterminada pelo calculo da intercepção de duas linhas efectuadas por sinais piloto, cada uma formando um ângulo entre a estação base e o terminal. (0.1-2 Km)


Sensores

TDOA


Sensores■ Com base na infraestrutura da rede:

� Multipath Fingerprint - A localização do terminal édescoberta fazendo coincidir a marca provocada pelo múltiplos caminhos produzidos pelo signalrecebido por uma ou mais estações com uma base de dados de localizações/marcas.

� Timing Advance (TA) – Durante o estabelecimento da ligação, o terminal alinha os seus tempos de slots/frames com a estação base, e usa este facto como medida da distância entre o terminal e a estação base. Ao utilizar as medições de três estações base, utiliza triangulação para calcular a posição do utilizador. (0.5 Km)


Sensores■ Com base na infraestrutura da rede e no

dispositivo móvel:� Enhanced Forward Link Triangulation (E-FLT) –

Utilizado nos sistemas CDMA, com base no TDOA utilizando sinais forward-link recebidos pelo terminal.

■ Com base no dispositivo móvel:� GPS – utiliza um dispositivo GPS incluído no

terminal (10-30 m);� Assisted GPS (A-GPS) – Um receptor parcial de

GPS é incluído no dispositivo e é auxiliado pela infra-estrutura de rede (1-10 m).


SensoresO Conceito de Assisted GPS. As principais componentes

do sistema são:• Um dispositivo móvel com um receptor parcial de GPS

• Um servidor de A-GPS com um receptor de GPS referência

• Uma infraestructura de rede sem fios consistindo em estações base e mobile switching centers (MSC)


Sensores■ Com base na infraestrutura de rede ou no

dispositivo móvel:

� TDOA e Recieved Signal Strength (RSS);

� TDOA e AOA;

� A-FLT e A-GPS;

� E-OTD e A-GPS

� São métodos precisos e robustos que são

combinados

� Vários dados de entrada são utilizados para

aumentar a robustez e área de cobertura.


Sensores

■ Com base na infraestrutura da rede ou

no dispositivo móvel: � Reference Node Based Positioning (RNBP)

– Uma estação de referência é utilizada

como auxílio a outro método de

posicionamento.


Sensores

■ No UMTS poderemos encontrar:

� Posicionamento baseado no Cell ID;

� Posicionamento baseado no Observed

Time Difference of Arrival (OTDOA) (50-

200m);

� Assisted GPS (A-GPS).


Infraestrutura de Localização• Zonas com

diferentes tipos de

localização:

– Localização

Geométrica

• GPS

– Localização

Simbólica

• GSM Cell ID


Localização Geométrica• A localização física é calculada pelo sistema;• Utiliza coordenadas planares ou coordenadas

geodésicas– Ex: WGS84, UTM, ...

• A força do sinal ou o Cell-ID podem ser relacionados com a localização física dos sensores;


Localização Simbólica• A posição é relacionada com zonas no

espaço;• Utiliza informação simbólica para

descrever as diferentes localizações no espaço;


Infraestrutura de Localização(Problemas?)

■ Torna-se difícil aplicar um sistema de localização específico a um espaço diferente

■ Co-existência de sistemas de localização, sejam eles geométricos ou simbólicos


Infraestrutura de Localização• Solução:

– Transição fácil entre sistemas de localização simbólicos e geométricos.

– Colmatar as diferenças entre ambos os sistemas de localização

• Bluetooth SIG – Local Positioning Work Group

<? xml version=”1.0” ?><locpos><addr>

<CountryCode>PT</CountryCode><State>Alentejo</State><City>Evora</City><Street>R. Romao Ramalho, 59</Street><PostalCode>7000 Evora</PostalCode><Building>

<Name>Colegio Luis Verney</Name><Floor>2</Floor><Room>222</Room><Tel type=”work,voice”>+351 266745371</Tel>

</Building></addr><env

xmlns:”www.uevora.pt/bluetooth/lp/dtd/university.dtd”>

<Name>University of Evora</Name><Department>Computer Science</Department><President>Prof. Salvador Abreu</President>

</env><reference url=”...” Label=”...”>

(Contains description of web presence)</reference><date>

The date, time and, timezone offset in ISO 8601 format.

</date></locpos>


Mapeamento da localização

• Modelos de localização

– Devem ser adequados às

funções a que se destinam

– Devem fornecer uma

abstracção entre os

utilizadores/dispositivos e os

dados, não tratados, de cada

tecnologia de sensores


Modelos de localização■ Geométricos

� Localizações e objectos localizados:

➔ Pontos, áreas, volumes –Conjuntos de coordenadas

� Baseados em sistemas de coordenadas de referência

■ Simbólicos� Localizações: conjuntos� Objectos localizados:

membros dos conjuntos� Referência a localizações

através de símbolos abstractos

� hierarquias U. Leonhardt, 1998

FloorFloor

AccessPoint

AccessPointPrinterPrinter

RoomRoom


Modelos de Localização■ Híbridos

� Objectos localizados:

➔ Membros de domínios de localização

➔ Coordenadas de áreas

� Localizações

➔ Áreas fixas bem definidas

➔ Um grande objecto móvel

Ambiente Estático

A

D

B C

A’ B’ C’D’

Symbols

Coordinates

U. Leonhardt, 1998


Modelos de Localização• Probabilísticos

– Dados dos sensores

– Dados geométricos imprecisos

– Dados semânticos incertos

• Temporais– A hierarquia altera-se ao longo do

tempo

– O ambiente físico altera-se ao longo do tempo

– Localização constante

• Semânticos– Utiliza ontologias para uma melhor

inferência

tRoom X

9:00 AM 10:05 AM


Mapas Simbólicos e Modelos de Localização

• Uma infraestrutura hierárquica onde a ligação pai/filho significa uma ligação espacial entre os espaços

• Cada nó representa uma entidade localização que fornece uma referência espacial aos utilizadores

• São possíveis perguntas sobre a estrutura espacial do ambiente

FloorFloor

AccessPoint


RoomRoom


Mapas Simbólicos■ Uma estrutura de nós hierárquicos

representa diferentes níveis no espaço.

■ Informação relacionada com uma localização está ligada ao nórelacionado no modelo espacial.

■ As setas ou linhas representam a forma como os espaços se interligam.

■ Os privilégios de acesso podem ser representados nas setas.

FloorFloor

AccessPoint


RoomRoom


Problemas dos Mapas Simbólicos

• Falta de precisão

• A decisão de como

modelar o ambiente

não é simples (i.e.,

standard)


Mapas Geométricos e Modelos de Localização

• Feito com características que têm atributos métricos

• As relações espaciais são calculadas através dos atributos geométricos num espaço de referência bem conhecido.

• Define um espaço n-dimensional onde os pontos são univocamente e precisamente identificados por um túpulo.


Problemas com os Mapas Geométricos

• Devem existir transformações bem definidas entre os diferentes sistemas de coordenadas.

• Faltam-lhe as relações existentes nos modelos simbólicos


Mapas Híbridos e Modelos de Localização

• Combina os modelos geométricos e simbólicos, permitindo LBS em todas as escalas e em todos os ambientes.

• Várias interpretações sobre as localizações e tecnologias associadas.

– Existe a necessidade de ter relações entre os objectos envolvidos.

A

D

B C

A’ B’ C’D’

Symbols

Coordinates


Mapas Híbridos (Problemas ?)

• Complexidade dos

requisitos para

conseguir uma boa

relação entre as

coordenadas da área e

o nome em diferentes

domínios.


Services Infrastructure■ Shared resources encapsulated in a

location service:

� Positioning and tracking systems

� Historical location data

� Geographical information

� Value-adding services

■ Location Service:

� Shared object that integrates those componentsin order to provide clients with a high-levelinterface to obtain location information.

@

U. Leonhardt, 1998


Services Infrastructure - Security• Important Issues

– Privacy

• Improper disclosure ofpeople’s locations infrigestheir privacy

– Trustworthiness

• Applications and theirusers may base decisionson location data.


Services Infrastructure• Services can also relay in information

retrieved from:

– Context-aware methods, also use additionalcontext information

• Age, time, preferences, weather, ...

• Context (Dey and Abowd):

– "any information that can be used to characterize the situation of an entity. Anentity is a person, place, or object that isconsidered relevant to the interaction betweena user and an application, including the userand applications themselves."

@


Services Infrastructure -Architecture

■ Location Directory

� Logically centralised directories to store locations

■ Object Directory

� Logically centralised directories to store location-objects

■ Independent Location Providers

� May overlap spatial coverage insome places

@


Service Infrastructure - Maps• How to supply Geographic Information

to clients?

– Protocols used outdoors may be inadequate for indoors usage.

– Changes:

• Client map formats. (e.g., JPEG, GML, WBMP, …)

• Use location directories to provide location information.

– U. Leonhardt, 1998


Service Infrastructure - Maps

• OpenGIS Consortium Web

Map Service (OGC WMS) (Outdoor)

– Defines a communication

protocol between clients and

several map servers.

– Several layers of information can

be supplied to users.


Service Infrastructure - Maps• OGC's Web Map Service

http://myserver.com/script?REQUEST=GetMapFORMAT=image/gifWIDTH=HEIGHT=LAYERS=SRS=BBOX=SERVICE=WMSVERSION=

• SRS (Standard reference system)

– Can be retrieved from the location directory

• BBOX (Bounding Box)

– Can be retrieved from the object directory


Location-Based Games

• Undercover 2– GPS


Resumo■ Este seminário destinou-se a:

� Introduzir alguns conceitos relacionados com

Sistemas de localização;

� Enumerar alguns dos sensores utilizados por estes

sistemas;

� Enumerar formas de como guardar e relacionar

informação relacionada com localização;

� Mostrar a infraestrutura de serviços necessária

para os Sistemas de Localização

� Incentivar a assistência a criar os seus próprios

LBS com a infraestrutura disponível

Sistemas de Localização

Technology

Transcript of Sistemas de Localização