Jak stworzyć lokalny system pozycjonowania 2D z dokładnością 5 cm na 100x100m?

Zastanawia mnie czy istnieje możliwość wykonania systemu podobnego do GPS tylko na mniejszą skalę? Chciałbym określać położenie pewnego urządzenia z dokładnością ~5cm, na obszarze 100x100m. Myślałem nad umieszczeniem trzech nadajników radiowych i odbieraniem sygnał przez odbiornik a następnie procek wyliczałby z tego położenie. Interesuje mnie tylko położenie 2D bez określania wysokości. Czy da się coś takiego wykonać?

Taką funkcjonalność mają wszystkie nowe tablety i smatfony z systemami Android (od wer. 4.3), iOS (od wer. 7) i chyba Windows (od wer. 8). Służy ona do nawigacji wewnątrz budynków.
Produkujemy tagi do tego celu. Są to takie malutkie urządzenia wielości kapsla od piwa zasilane zegarkową baterią. Co około 1 sek. wysyłają swój identyfikator. Na podstawie odebranych z nich sygnałów można określić położenie. Dokładność jest jednak gorsza niż 5cm. Poszukaj informacji pod hasłem iBeacon.

Nie da uzyskać takiej dokładności z 3 punktów na takim obszarze.
Chodzi o to, że gdyby oprzeć się o zasadę działania systemu GPS, to sygnały docierające do odbiorników będą miały zbyt małe różnice czasowe żeby dało się to wychwycić różnicę czasową.
Na metodzie triangulacji opiera się lokalizacja przez GSM, jednak jest ona znacznie mniej dokładna (kilkaset metrów) niż GPS. Komórka GSM ma promień kilku/kilkudziesięciu km, a Ty chcesz to samo zrobić w komórce znacznie mniejszej wielkości i ze znacznie większą dokładnością.
Nie ma takiej opcji.

Myślałem nad GPS ale tam jest dokładność rzędu 2-1m. Mam jeszcze inny pomysł ale tu będzie problem z antenami. Chodzi o to że urządzenie miałoby wbudowany nadajnik i antenę do okólną. W terenie byłyby umieszczone dwie kierunkowe a anteny odbiorcze których położenie (w jednej osi tylko) zmieniałyby silniki krokowe. I taka antena odbiorcza wykonywałaby ruch tam i z powrotem Szukając pozycji w której sygnał byłby najmocniejszy. Druga antena podobnie. Znając położenie anten można by wyliczyć odległości w jakich znajdowałby się nadajnik względem anten odbiorczych, a potem obliczyć jego położenie w terenie. Taki pomysł na szybko

Mnie chodziło nie o pomiar czasu po jakim fala radiowa dotrze do anten odbiorczych ale, o pomiar kąta i następnie przy wykorzystaniu funkcji trygonometrycznych itp. obliczyć położenie nadajnika. Tylko anteny odbiorcze musiały by być bardzo "kierunkowe" żeby uzyskiwać kąty z dużą dokładnością.

Teren jest otwarty czy zamknięty?
Jak otwarty to gps i po kaszlu.
Jak zamknięty to jest problem.
Nawigacja inercyjna jak najbardziej ale ona też sie po pewnym czasie zgubi bo jej się nawarstwiają błędy.

Nie wiem jakie są warunki terenowe i nie znam charakterystyki poruszającego się obiektu, ale do pozycjonowania można też wykorzystać kamerę internetową oraz oprogramowanie openCV. Inną opcją fale dźwiękowe albo lepiej ultradźwięki, tylko czy są "głośniki" o takiej mocy aby pokryć obszar 100x100m? Jeżeli autor wątku poda więcej szczegółów to można by znaleźć optymalne rozwiązanie.

Tommy82 napisał:

Teren jest otwarty czy zamknięty?
Jak otwarty to gps i po kaszlu.
Jak zamknięty to jest problem.
Nawigacja inercyjna jak najbardziej ale ona też sie po pewnym czasie zgubi bo jej się nawarstwiają błędy.

Teren otwarty, z 2 drzewami po środku. Właśnie, że GPS jest za mało dokładny. Dokładność rzędu 2 czy 1 metra mnie nie urządza.

gregor_1980 napisał:

Nie wiem jakie są warunki terenowe i nie znam charakterystyki poruszającego się obiektu, ale do pozycjonowania można też wykorzystać kamerę internetową oraz oprogramowanie openCV. Inną opcją fale dźwiękowe albo lepiej ultradźwięki, tylko czy są "głośniki" o takiej mocy aby pokryć obszar 100x100m? Jeżeli autor wątku poda więcej szczegółów to można by znaleźć optymalne rozwiązanie.

Z tymi 100x100 metrami to przesadziłem ale gdzieś z 70x70 będzie na pewno. Właśnie myślałem nad kamerą internetową też, ale musiałaby mieć dużą rozdzielczość , a przetworniki obecnych mają z 1,3MP ewentualnie 2MP. I tu by trzeba chyba coś na zasadzie sieci neuronowych stosować, no nie?

Najłatwiej i najtaniej by było zrobić to za pomocą fal dźwiękowych. Urządzenie śledzone musiało by być wyposażone w nadajnik radiowy który wysyłał by impulsy w eter w tym samym czasie co impulsy dźwiękowe (nie mam pojęcia jakie częstotliwości akustyczne były by najlepsze).
Odbiorników z mikrofonami musiało by być kilka - kilkanaście aby odrzucić fałszywe pomiary spowodowane odbiciem fal dźwiękowych. Wadą tego rozwiązania jest łatwość zagłuszenia, no i możliwy hałas jeśli były by to dźwięki w paśmie słyszalnym. Jednak tak duży obszar to spore wyzwanie.

Co do wersji optycznej to niską rozdzielczość kamer internetowych można nadrobić optyką. Podmieniając oryginalną optykę ze szkiełkami od kamer CCTV można uzyskać całkiem niezłe przybliżenia. Montując kamerkę na silnik krokowy który obracał by ją w poszukiwaniu obiektu. Takich kamerek dwie i już mamy współrzędne X i Y niestety z nieznaną dokładnością.

Fale dźwiękowe się nie nadają do tych celów, ponieważ prędkość rozchodzenia się fali silnie zależy od właściwości ośrodka (głównie temperatury). Wystarczy że temperatura powietrza się zmieni i już zmieni się prędkość rozchodzenia się fali. To jest teren otwarty, zmiany temperatury w skali jednej doby mogą być znaczne. Przykład mamy nawet teraz - wczoraj w dzień było 27st, a teraz jest 16, jutro przewidywany jest spadek nawet do 7st.
Nie mówiąc już o wietrze - tu będzie występowało coś w rodzaju efektu Dopplera, jeśli wiatr będzie silny i będzie wiał w kierunku od mikrofonu do źródła to ton odbieranego dźwięku będzie niższy, jak w przeciwną - wyższy.
Pewnie każdy z Was takie zjawisko "nausznie" zaobserwował, tylko nie zdawał sobie z tego sprawy.

Zdaje się, że opisany przez Pawel2420 system iBeacon jest najlepszy. Co prawda jeden odbiornik (np. smartfon czy tablet) może podać informację o odległości, ale mając już 3 takie odbiorniki można wyznaczyć położenie. A technologia w której działa iBeacon ma zasięg do 50m.

QuantumXXX napisał:

ale mając już 3 takie odbiorniki można wyznaczyć położenie.

Zwykle działa to odwrotnie. Jest jeden odbiornik (smartfon) i wiele tanich nadajników. Przy jednym komplecie urządzeń realna dokładność określenia odległości wynosi tylko ~20%. Wdaje się to mało. Jednak w galerii handlowej lub na lotnisku całkowicie to wystarcza aby trafić do określonego miejsca.
W poruszanym tu przypadku nie ma szans aby tą metodą uzyskać dokładności na poziomie pojedynczych cm czyli aż 0.05%.

Pawel2420 napisał:

QuantumXXX napisał:

ale mając już 3 takie odbiorniki można wyznaczyć położenie.

Zwykle działa to odwrotnie. Jest jeden odbiornik (smartfon) i wiele tanich nadajników. Przy jednym komplecie urządzeń realna dokładność określenia odległości wynosi tylko ~20%. Wdaje się to mało. Jednak w galerii handlowej lub na lotnisku całkowicie to wystarcza aby trafić do określonego miejsca.
W poruszanym tu przypadku nie ma szans aby tą metodą uzyskać dokładności na poziomie pojedynczych cm czyli aż 0.05%.

Czyli jest tak, że nadajnik potrafi wysłać tylko swój ID, a odbiornik potrafi określić odległość do nadajnika o danym ID?

QuantumXXX napisał:

Czyli jest tak, że nadajnik potrafi wysłać tylko swój ID, a odbiornik potrafi określić odległość do nadajnika o danym ID?

1. Każde urządzenie może zarówno nadawać jak i dobierać dane. Tak wiec określenia "nadajnik" i "odbiornik' są w tym wypadku umowne.
2. Telefon zwykle pracuje w trybie skanowania. Cały czas poszukuje "nadajników".
3. Każdy "nadajnik" ma możliwość programowego ustawienia ściśle określonej mocy wyjściowej . Czyli pośrednio odległości z jakiej może zostać wykryty.
4. Każdy "nadajnik" wysyła w ramce rozgłoszeniowej moc z jaką w danej chwili pracuje.
5. Istnieje wzór pozwalający w przybliżeniu przeliczyć poziom odbieranego sygnału i moc nadajnika na odległość w metrach. Oczywiście jest to jedynie bardzo przybliżona wartość.
6. Dedykowana aplikacja "wie" jaka jest lokalizacja poszczególnych "nadajników".
Na podstawie tego jakie "nadajniki" są widziane, poziomu odbieranych z nich sygnałów i mocy z jaką pracują może określić swoją pozycję. Zrobi to tym dokładniej im więcej sygnałów jednocześnie odbiera.
7. Najczęściej wykorzystuje się najprostszy tryb. Uwzględnia się jedynie informację jakie "nadajniki" w danej chwili są widoczne. Czyli jeśli np. w muzeum ktoś stanie na dłużej przed jakimś eksponatem to telefon odtworzy opis z audioprzewodnika, jeśli stanie przed kawiarnią to na ekranie smarfona pojawi się reklama zachęcająca do wypicia kawy itp.

Pawel2420 napisał:

6. Dedykowana aplikacja "wie" jaka jest lokalizacja poszczególnych "nadajników".
Na podstawie tego jakie "nadajniki" są widziane, poziomu odbieranych z nich sygnałów i mocy z jaką pracują może określić swoją pozycję. Zrobi to tym dokładniej im więcej sygnałów jednocześnie odbiera.

Aplikacja "wie" bo wcześniej te dane zostały jakoś wprowadzone do niej (lub sama pobrała) czy w jakiś sposób wyznacza lokalizację?

Pawel2420 napisał:

6. Dedykowana aplikacja "wie" jaka jest lokalizacja poszczególnych "nadajników".

Pawel2420 napisał:

7. Najczęściej wykorzystuje się najprostszy tryb. Uwzględnia się jedynie informację jakie "nadajniki" w danej chwili są widoczne. Czyli jeśli np. w muzeum ktoś stanie na dłużej przed jakimś eksponatem to telefon odtworzy opis z audioprzewodnika, jeśli stanie przed kawiarnią to na ekranie smarfona pojawi się reklama zachęcająca do wypicia kawy itp.

Wniosek z tego jest taki, że i ten system nie nadaje się do zastosowania przez autora, bo lokalizacja "nadajników" musi zostać naniesiona na coś w rodzaju mapy. O ile dobrze zrozumiałem autorowi chodzi o określenie nieznanego położenia przedmiotu z dokładnością do kilku cm.
Zatem powtórzę się to, co napisałem na początku:

Artur k. napisał:

Nie ma takiej opcji.

Być może jakieś wojskowe wersje systemu GPS mają taką możliwość, jednak nie sądzę by była to aż taka dokładność (choć różne plotki krążą). Poza tym nie jest to dostępne dla użytkowników cywilnych

Artur k. napisał:

Wniosek z tego jest taki, że i ten system nie nadaje się do zastosowania przez autora, bo lokalizacja "nadajników" musi zostać naniesiona na coś w rodzaju mapy. O ile dobrze zrozumiałem autorowi chodzi o określenie nieznanego położenia przedmiotu z dokładnością do kilku cm.

Ale to właśnie jest zaleta tego systemu, wystarczy rozmieścić na obszarze sieć nadajników np. na planie kwadratu co 2-3 metry a następnie wyposażyć każdy z namierzanych obiektów w taki odbiornik z aplikacją. Aplikacja na podstawie poziomu sygnałów odbieranych od poszczególnych nadajników wyznacza swoje położenie i wysyła bezprzewodowo do "serwera". Oczywiście 2-3cm są nierealne przy tej technologii. Ale można zrobić w ten sposób wstępne namierzanie a dokładne inaczej.

Pawel2420 napisz ile kosztuje taki iBeacon.

QuantumXXX napisał:

Aplikacja "wie" bo wcześniej te dane zostały jakoś wprowadzone do niej (lub sama pobrała) czy w jakiś sposób wyznacza lokalizację?

To działa prościej niż myślisz. Nadajniki umieszcza się w strategicznych miejscach obiektu. Programista dostaje plan obiektu z zaznaczoną ich lokalizacja i identyfikatorami UUID. Tworzy na tej podstawie klasyczną aplikację mapową. Jedyna różnica polega tylko na źródle z jakiego pobiera współrzędne.

Dodano po 30 [minuty]:

QuantumXXX napisał:

Ale można zrobić w ten sposób wstępne namierzanie a dokładne inaczej.

Dokładność jaką autor chce osiągnąć jest bardzo duża. Pozornie 5cm wydaje się wielkością realną. Jednak w stosunku do 100m jest to 0.05%. Wyjdź na zewnątrz i spróbuj wyznaczyć na trawniku dwa punkty odległe od siebie o jeden metr z dokładnością 0.5mm. To nawet będzie trudne w domu na gładkim stole. W terenie mamy nieznany profil gruntu, zmieniającą się wysokość pod wpływem wody z deszczu, roślinność, zmienną temperaturę itp.

iBeacon kosztuje detalicznie kilkadziesiąt złotych

Pawel2420 napisał:

To działa prościej niż myślisz. Nadajniki umieszcza się w strategicznych miejscach obiektu. Programista dostaje plan obiektu z zaznaczoną ich lokalizacja i identyfikatorami UUID. Tworzy na tej podstawie klasyczną aplikację mapową. Jedyna różnica polega tylko na źródle z jakiego pobiera współrzędne.

A czy nadajnik/iBeacon jest w stanie odbierać identyfikatory UUID od innych nadajników i retransmitować to, co odebrał? W sensie, czy jest tam jakiś mikrokontroler i API którym to można zrealizować.

QuantumXXX napisał:

A czy nadajnik/iBeacon jest w stanie odbierać identyfikatory UUID od innych nadajników i retransmitować to, co odebrał?

Nie potrafię udzielić jednoznacznej odpowiedzi na tak sformułowane pytanie. Nie rozumiem jaki może być sens takiej funkcjonalności.

Pawel2420 napisał:

Nie potrafię udzielić jednoznacznej odpowiedzi na tak sformułowane pytanie. Nie rozumiem jaki może być sens takiej funkcjonalności.

Chodzi o realizację lokalizacji, w oparciu i odbiór UUID i natężenia przez wiele odbiorników. Tyle, że tymi odbiornikami nie będą zaawansowane układy z androidem czy iOS a iBeacony retransmitujące odebrane UUID. W ten sposób "w terenie" umieszczasz kilka iBeaconów stacjonarnych o znanych pozycjach, które nasłuchują nadajników do zlokalizowania. Cała idea jest inna niż cel w jakim iBeacon został wynaleziona, ale chodzi o to aby wykorzystać gotowe rozwiązanie do innego celu.

Jeśli dobrze zrozumiałem to chodzi o lokalizację jednego nadajnika na podstawie sygnałów z kilku odbiorników. Taki tryb wykorzystywany jest np. do lokalizowania paczek w magazynach lub śledzenia jak przemieszczają się osoby lub towary w budynkach. Odbiorniki w takim przypadku są podłączone do sieci LAN lub są to zwykłe dongle USB połączone przez przedłużacz do PC.