Sistemas de Localização

Sistemas de Localização

José Carlos Danado
Universidade de Évora
jcd@fct.unl.pt

1
Universidade de Évora

Sumário
■ Introdução
■ Métricas Utilizadas
■ Localização Exterior
■ Localização Interior
■ Sensores
■ Infraestrutura de Localização
■ Modelos de Localização
■ Mapeamento da Localização
■ Location-based Services

2
Sistemas de Localização 2007 – Universidade de Évora

Introdução
■ A posição do utilizador é importante
dada a crescente necessidade de utilizar
Location-Based Services (LBS).

■ Tecnologias de localização:

Medição de parâmetros dos sinais Rádio;

Procura de pontos de controle na cena;

Utilização de Beacons e Listeners.

3

Introdução
■ A precisão da localização pode variar ao longo
do tempo;

■ Cada tecnologia de localização tem problemas
associados. Nomeamente:

Visão – computacionalmente intensiva

Dispositivos magnéticos – têm pouca precisão

Dispositivos mecânicos – são incomodativos

■ Solução: Utilização de diferentes tecnologias
para tirar partido das suas vantagens e
diminuir as desvantagens
4

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 5

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.

6

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.

7

Introdução

Laranja – Posição
reportada
Azul – media das
partículas
Verdes - partículas

Exemplo de
Particle
Filters
From Place Lab

8

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 tamanho
possível de um local no espaço, de forma que as
fronteiras sejam detectadas com alto graú de
precisão;
A exatidão é utilizada nas estações e terminais
móveis; definindo-se como a razão entre a
distância estimada entre este e a estação pelo
terminal móvel e a distância real associada.
9

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.

10

■ 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.
11

• You et al. “Hybrid
Inertial and Vision
Tracking for
Augmented Reality
Registration”

• Combina orientação
inercial e algoritmos
de visão.

12

■ 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.

13

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.
14

■ 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.
15


Cricket Location
Support System

16

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
NAVSTAR GPS Satellite
Assistido por 5 estações terrestres

Todas as órbitas são calculadas por forma a ter

sempre 4 satélites visíveis
17

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

18

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.

19

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)

20

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
21

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.

22

Sensores

Indoor Centimeter-Accuracy Navigation Using GPS-Like
Pseudolites

23

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.
24

Sensores
■ GALILEO
Iniciativa europeia que
contribui para o Global
Navigation Satellite
System (GNSS) tornando
acessível um sistema de
navegação de última
geração com:
➔ Com alta precisão,
➔ Global,
➔ Sob o controle da
sociedade civil.
25

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)

26

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

27

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.

28

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;
29

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;
30

Sensores
• Vision-based Tracking Tools
– ARToolKit;
• http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/
– OpenCV
• http://www.intel.com/research/mrl/research/opencv/

OpenCV
ARToolKit 31

Sensores
• Vision-Based Tracking

32

Sensores
■ Vision-Based Tracking

33

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.

34

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, ... 35

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.

36

Sensores
• Bluetooth <? xml version=”1.0” ?>
<locpos>
– Por ser um protocolo de <addr>
<CountryCode>PT</CountryCode>
<State>Alentejo</State>
comunicações ad-hoc tem <City>Evora</City>
<Street>R. Romao Ramalho, 59</Street>
<PostalCode>7000 Evora</PostalCode>
problemas quando utilizado <Building>
<Name>Colegio Luis Verney</Name>
para localização. <Floor>2</Floor>
<Room>222</Room>
<Tel type=”work,voice”>+351 266745371</Tel>
– O Bluetooth SIG – Local </Building>
</addr>
<env
Positioning Work Group – xmlns:”www.uevora.pt/bluetooth/lp/dtd/university
.dtd”>
<Name>University of Evora</Name>
está a trabalhar para definir <Department>Computer Science</Department>
<President>Prof. Salvador Abreu</President>
um conjunto de mensagens </env>
<reference url=”...” Label=”...”>
(Contains description of web presence)
XML (LPP) utilizado para </reference>
<date>
The date, time and, timezone offset in ISO 8601
trocar a localização entre format.
</date>
dispositivos. </locpos>

37

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.
38

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/

39

Sensores
• Ubisense fornece uma plataforma para obter a
localização dos utilizadores através de Ultra-Wide
Band;
• 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.

40

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.

41

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
Cell-ID
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)
42

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 é
determinada 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)
43

Sensores

TDOA

44

Sensores
■ Com base na infraestrutura da rede:
Multipath Fingerprint - A localização do terminal é
descoberta fazendo coincidir a marca provocada
pelo múltiplos caminhos produzidos pelo signal
recebido 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)
45

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).
46

Sensores
O 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)

47

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.
48

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.

49

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).

50

Infraestrutura de Localização
• Zonas com
diferentes tipos de
localização:
– Localização
Geométrica
• GPS

– Localização
Simbólica
• GSM Cell ID

51

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;

52

Localização Simbólica
• A posição é relacionada com zonas no
espaço;
• Utiliza informação simbólica para
descrever as diferentes localizações no
espaço;

53

(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

54

• Solução: <? xml version=”1.0” ?>
<locpos>
<addr>
<CountryCode>PT</CountryCode>

– Transição fácil entre <State>Alentejo</State>
<City>Evora</City>
<Street>R. Romao Ramalho, 59</Street>
sistemas de localização <PostalCode>7000 Evora</PostalCode>
<Building>
simbólicos e geométricos. <Name>Colegio Luis Verney</Name>
<Floor>2</Floor>
<Room>222</Room>
<Tel type=”work,voice”>+351 266745371</Tel>
</Building>
– Colmatar as diferenças </addr>
<env
entre ambos os sistemas xmlns:”www.uevora.pt/bluetooth/lp/dtd/university
.dtd”>
<Name>University of Evora</Name>
de localização <Department>Computer Science</Department>
<President>Prof. Salvador Abreu</President>
</env>
<reference url=”...” Label=”...”>
(Contains description of web presence)
• Bluetooth SIG – Local </reference>
<date>

Positioning Work Group The date, time and, timezone offset in ISO 8601
format.
</date>
</locpos>

55

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

56

Modelos de localização
■ Geométricos
Localizações e objectos
localizados:
➔ Pontos, áreas, volumes –
Conjuntos de coordenadas
Baseados em sistemas de
coordenadas de referência
■ Simbólicos
Localizações: conjuntos Floor
Floor
Objectos localizados:
membros dos conjuntos Room
Room
Referência a localizações
Access
através de símbolos Printer
Printer
Access
Point
Point
abstractos
hierarquias U. Leonhardt, 1998
57

Modelos de Localização
■ Híbridos
A
Objectos localizados:
Symbols
B C
➔ Membros de domínios
de localização
D
➔ Coordenadas de áreas

Localizações

➔ Áreas fixas bem
definidas Coordinates

➔ Um grande objecto
móvel A’
B’ D’ C’

Ambiente Estático
U. Leonhardt, 1998
58

Modelos de Localização
• Probabilísticos
– Dados dos sensores
– Dados geométricos imprecisos
– Dados semânticos incertos

• Temporais
– A hierarquia altera-se ao longo do
tempo
9:00 AM 10:05 AM
– O ambiente físico altera-se ao
longo do tempo Room X t
– Localização constante

• Semânticos
– Utiliza ontologias para uma melhor
inferência
59

Mapas Simbólicos e Modelos de
Localização
• Uma infraestrutura hierárquica
onde a ligação pai/filho significa
uma ligação espacial entre os
Floor
Floor
espaços

• Cada nó representa uma Room
Room
entidade localização que
fornece uma referência espacial
aos utilizadores Access
Access
Printer
Printer Point
Point
• São possíveis perguntas sobre
a estrutura espacial do
ambiente
60

Mapas Simbólicos
■ Uma estrutura de nós hierárquicos
representa diferentes níveis no
espaço.
Floor
Floor
■ Informação relacionada com uma
localização está ligada ao nó
relacionado no modelo espacial. Room
Room

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

■ Os privilégios de acesso podem ser
representados nas setas.
61

Problemas dos Mapas Simbólicos
• Falta de precisão

• A decisão de como

modelar o ambiente

não é simples (i.e.,

standard)

62

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.

63

Problemas com os Mapas
Geométricos
• Devem existir
transformações bem
definidas entre os
diferentes sistemas de
coordenadas.

• Faltam-lhe as relações
existentes nos modelos
simbólicos

64

Mapas Híbridos e Modelos de
Localização
• Combina os modelos
geométricos e simbólicos,
permitindo LBS em todas A
as escalas e em todos os Symbols
B C
ambientes.
D

• Várias interpretações sobre
as localizações e
tecnologias associadas. Coordinates

A’ B’
– Existe a necessidade de ter D’ C’
relações entre os objectos
envolvidos.
65

Mapas Híbridos (Problemas ?)

• Complexidade dos

requisitos para

conseguir uma boa

relação entre as

coordenadas da área e

o nome em diferentes

domínios.
66

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 components
in order to provide clients with a high-level
interface to obtain location information. U. Leonhardt, 1998
67

Services Infrastructure - Security
• Important Issues

– Privacy

• Improper disclosure of
people’s locations infriges
their privacy

– Trustworthiness

• Applications and their
users may base decisions
on location data.

68

Services Infrastructure
• Services can also relay in information
retrieved from:

– Context-aware methods, also use additional
context information

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

• Context (Dey and Abowd):
@
– quot;any information that can be used to
characterize the situation of an entity. An
entity is a person, place, or object that is
considered relevant to the interaction between
a user and an application, including the user
and applications themselves.quot;

69

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 in
some places
70

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
71

• 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.

72

• OGC's Web Map Service
http://myserver.com/script?
REQUEST=GetMap
FORMAT=image/gif
WIDTH=
HEIGHT=
LAYERS=
SRS=
BBOX=
SERVICE=WMS
VERSION=

• SRS (Standard reference system)

– Can be retrieved from the location directory

• BBOX (Bounding Box)

– Can be retrieved from the object directory
73

Location-Based Games

• Undercover 2
– GPS

74

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

75

Sistemas de Localização

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Was ist angesagt? (20)

Andere mochten auch

Andere mochten auch (7)

Ähnlich wie Sistemas de Localização

Ähnlich wie Sistemas de Localização (20)

Mehr von elliando dias

Mehr von elliando dias (20)

Sistemas de Localização