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Smartphone based indoor navigation

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Smartphone based indoor navigation

  1. 1. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 1 Smartphone based Indoor-Navigation Verteidigung der Masterarbeit Roland Dutzler 06.06.2013 Betreuer: Dipl.-Ing. Dr.techn. Univ.-Doz. Martin Ebner Institut für Informationssysteme und Computer Medien
  2. 2. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 2 State of the Art Technologies ➢ GPS: GNSS, DGPS, AGPS, PGPS ➢ Infrarot ➢ Bluetooth ➢ Ultra-Wideband ➢ WLAN ➢ RFID ➢ NFC ➢ Inertialsensoren ➢ Kamerabasierte Lösungen ➢ Magnetfeld
  3. 3. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 3
  4. 4. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 4 Anforderungen Prototyp ➢ Umsetzung für Smartphones ➢ Geeignet für große öffentliche Gebäude ➢ Einkaufszentren, Universitäten, Museen ➢ Möglichst genau und robust ➢ Ermöglicht real-time tracking ➢ Praktisch einsetzbar ➢ Günstige Umsetzung
  5. 5. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 5 WLAN Location Fingerprinting (1/2) ➢ Basiert auf dem RSS - Prinzip ➢ 2 Phasen ➢ Offline- oder Trainingsphase: ➢ Erstellung der Radio Map ➢ Datenbank von Fingerprints (Positionsinformation + RSS)
  6. 6. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 6 WLAN Location Fingerprinting (2/2) ➢ Online- oder Positionierungsphase: ➢ Beliebige Position in definierter Umgebung ➢ Messung der Signalstärken ➢ Vergleich mit der Radio Map ➢ Positionsbestimmung durch ähnlichste Punkte Radio Map X
  7. 7. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 7 Problem ➢ Anforderung: Große Gebäude ➢ Beispiel Shopping City Seiersberg [1] ➢ Verkaufsfläche: 85.000m² ➢ Bei einer Gridweite von 5m → ~3.500 Messpunkte ➢ Erstellung der Radio Map sehr zeitintensiv und auf aufwendig [2]
  8. 8. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 8 Wissenschaftliche Fragestellung ➢ Ist es möglich so ein System ... ➢ für große Gebäude wie Einkaufszentren ... ➢ mit überschaubarem Aufwand ... ➢ und einer Genauigkeit, um Navigation von einem Punkt zum Beispiel zu Geschäften zu ermöglichen? ➢ Ziel ist es ... ➢ die Anzahl der Punkte die in der offline Phase gemessen werden sollen wesentlich zu verringern ... ➢ und dabei dennoch in der online Phase eine Genauigkeit zu erreichen, die mit einer vollständig gemessenen Radio Map vergleichbar ist.
  9. 9. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 9 Optimierungs - Algorithmus ➢ Betrifft nur die Offline- oder Lernphase ➢ 2 Teile: ➢ Determine Good Grid Points ➢ Interpolate Fingerprint Measurements ➢ Benötigte Informationen: ➢ Größe und Dimensionen des Gebäudes ➢ Grid bzw. Grid Points ➢ Maßstabsgetreuen Plan des Gebäudes ➢ Exakten Verlauf der Wände ➢ Positionen der Access Points
  10. 10. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 10 Determine Good Grid Points
  11. 11. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 11 Determine Good Grid Points
  12. 12. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 12 Determine Good Grid Points
  13. 13. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 13 Determine Good Grid Points
  14. 14. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 14 Determine Good Grid Points
  15. 15. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 15 Determine Good Grid Points
  16. 16. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 16 Determine Good Grid Points
  17. 17. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 17 Determine Good Grid Points
  18. 18. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 18 Determine Good Grid Points
  19. 19. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 19 Determine Good Grid Points
  20. 20. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 20 Determine Good Grid Points
  21. 21. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 21 Determine Good Grid Points
  22. 22. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 22 Determine Good Grid Points
  23. 23. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 23 Determine Good Grid Points
  24. 24. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 24 Determine Good Grid Points
  25. 25. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 25 Determine Good Grid Points
  26. 26. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 26 Messen der vorgeschalgenen Grid Points
  27. 27. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 27 Interpolate Fingerprint Measurements ➢ Log- Distance Path Loss Model ➢ Mathematisches Modell um die Ausbreitung von Signalen zu beschreiben [3]
  28. 28. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 28 Berechnung
  29. 29. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 29 Berechnung
  30. 30. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 30 Evaluierung ➢ Ziel: Performance des Optimierungs-Algorithmus ➢ Ersparnisse ➢ Genauigkeit ➢ Vergleich vollständig gemessenen Radio Map mit einer interpolierten Radio Map ➢ In 3 Szenarien: 2 NLOS, 1 LOS
  31. 31. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 31 Ergebnisse – Test Scenario I ➢ Fläche: 77m² ➢ Testpunkte: 10 ➢ Gridweite: 1m ➢ Grid Points: 66 ➢ Ersparnis: 44 Grid Points → 67%
  32. 32. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 32 Ergebnisse – Test Scenario I ➢ Fläche: 77m² ➢ Testpunkte: 10 ➢ Gridweite: 1m ➢ Grid Points: 66 ➢ Ersparnis: 44 Grid Points → 67%
  33. 33. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 33 Ergebnisse – Test Scenario I ➢ Fläche: 77m² ➢ Testpunkte: 10 ➢ Gridweite: 1m ➢ Grid Points: 66 ➢ Ersparnis: 44 Grid Points → 67%
  34. 34. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 34 Ergebnisse – Test Scenario I ➢ Fläche: 77m² ➢ Testpunkte: 10 ➢ Gridweite: 1m ➢ Grid Points: 66 ➢ Ersparnis: 44 Grid Points → 67%
  35. 35. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 35 Ergebnisse – Test Scenario III ➢ Fläche: 1296m² ➢ Testpunkte: 13 ➢ Gridweite: 5m ➢ Grid Points: 49 ➢ Ersparnis: 48 Grid Points → 98%
  36. 36. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 36 Ergebnisse – Test Scenario III ➢ Fläche: 1296m² ➢ Testpunkte: 13 ➢ Gridweite: 5m ➢ Grid Points: 49 ➢ Ersparnis: 48 Grid Points → 98%
  37. 37. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 37 Ergebnisse – Test Scenario III ➢ Fläche: 1296m² ➢ Testpunkte: 13 ➢ Gridweite: 5m ➢ Grid Points: 49 ➢ Ersparnis: 48 Grid Points → 98%
  38. 38. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 38 Ergebnisse – Test Scenario III ➢ Fläche: 1296m² ➢ Testpunkte: 13 ➢ Gridweite: 5m ➢ Grid Points: 49 ➢ Ersparnis: 48 Grid Points → 98%
  39. 39. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 39
  40. 40. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 40
  41. 41. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 41 + 14%
  42. 42. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 42 + 14%
  43. 43. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 43 + 14% + 20%
  44. 44. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 44 + 14% + 20%
  45. 45. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 45 + 14% + 20% + 25%
  46. 46. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 46 + 14% + 20% + 25%
  47. 47. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 47 + 14% + 20% + 25%
  48. 48. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 48 Fazit und Antwort ➢ Optimierungsalgorithmus legitim ➢ verringert Komplexität ➢ bensprucht weniger Zeit ➢ ein Weg um Radio Maps für große Gebäude zu erstellen ➢ Anzahl der Gridpunkte wird wesentlich verrringert ➢ Genauigkeit vergleichbar mit einer gänzlich gemessenen Radio Map ➢ Verbesserungspotenzial ➢ Log- Distance Path Loss Model – Path Loss Exponent ➢ Distribution and Number of Access Points
  49. 49. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 49 Smartphone based Indoor-Navigation Verteidigung der Masterarbeit Roland Dutzler 06.06.2013 Betreuer: Dipl.-Ing. Dr.techn. Univ.-Doz. Martin Ebner Institut für Informationssysteme und Computer Medien
  50. 50. Smartphone based Indoor-Navigation Roland Dutzler Graz, 06.06.2013 50 Quellen [1] http://de.wikipedia.org/wiki/Shopping_City_Seiersberg (Zugriff 21.05.2013) [2] http://www.shoppingcityseiersberg.at/ (Zugriff 21.05.2013) [3] Mulligan, Jeanette; A Performance Analysis of a CSMA Multihop Packet Radio Network; Master's Thesis; 1997.http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-51997-22830/

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