LOKALIZÁCIÓ MEGVALÓSÍTÁSA

Átírás

1 Leírás LOKALIZÁCIÓ MEGVALÓSÍTÁSA R15A - LOKALIZÁCIÓS ALGORITMUS HARDVERELEMEK VIZSGÁLATA R1 - A TÉRBELI RÁDIÓFREKVENCIÁS AZONOSÍTÁS LEHETŐSÉGEINEK KUTATÁSA BUDAPEST, 2013

2 Tartalomjegyzék 1 Lokalizációt megvalósító algoritmus bemutatása 3 11 Lokalizációs algoritmus 3 12 Alkalmazott mérési eljárás 3 13 Alkalmazott algoritmus Pszeudo kód Szimuláció 9 14 Kísérleti igazolás 11 2

3 1 Lokalizációt megvalósító algoritmus bemutatása 11 Lokalizációs algoritmus A lokalizációs eljárásokat a lokalizációt megvalósító technológiák alapján csoportosíthatjuk Ezeket az alapján különböztetjük meg, hogy milyen detektálható és mérhető fizikai paraméter, adat, információ alapján kapjuk a lokalizálandó objektumra vonatkozó helyzeti információkat Ezen mérhető fizikai paraméterek, megszerezhető információk jellege és tulajdonsága alapvetően befolyásolják lokalizációs eljárásunk jellemzőit, mint például: elérhető lokalizációs pontosság lokalizáció időbeli függése és sebessége lokalizáció alkalmazhatósága különböző környezeti feltételek között lokalizációs technológia költsége A lokalizációs technológia megvalósítása során a fizikai paraméterek, gyűjtött információk feldolgozása további komoly kihívás Ezen feladat az adat, vagy másképp jelfeldolgozás témakörébe tartozik, mely témakőr külön tudományágnak is tekinthető Továbbá a megvalósított adat és jelfeldolgozás döntően befolyásolja, hogy az adott mérési és detekciós technológiákat alkalmazva mennyiben sikerül elérni az elméletileg elérhető lokalizációt jellemző paramétereket, mint például: lokalizációs pontosság lokalizáció időbeli függése és sebessége lokalizációs technológia költsége A lokalizációs adat és jelfeldolgozás lényegi eleme a lokalizáció során a mérési adatokat feldolgozó algoritmus Sok különböző, komoly tudományos szakirodalommal rendelkező algoritmust alkalmazhatunk Több esetben folyamatosan fejlődő, új megoldásokat alkalmazó megvalósításokról van szó Az adat és jelfeldolgozás során az alkalmazandó algoritmus kiválasztását már nem a technológia, a mért és detektált paraméterek fizikai tulajdonságai, hanem a mérés metódusa, az adatok gyakorisága és lokációra vonatkozó információ tartalma befolyásolja Ezen kívül alapvető fontosságú, maga mérendő objektum helyváltoztatásának jellege, helyzetére vonatkozó fizikai modell tulajdonsága A fent leírtak alapján látható, hogy a lokalizációs eljárásokat, és problémákat, nem csak az alkalmazott mérési technológiák, hanem az alkalmazott adat és jelfeldolgozás, és alkalmazott algoritmusok alapján is csoportosíthatjuk A továbbiakban, eltekintünk magától az alkalmazott detekciós és mérési technológiától (rádiófrekvenciás hullámok alapján, látható tartományú vizsgálata alapján, hanghullámok alapján történő lokalizáció stb), csak az algoritmusok szempontjából fontos szempontok alapján értékeljük a mérési eljárást 12 Alkalmazott mérési eljárás A megvalósított lokalizáció során feladatunk olyan mérési eljárás biztosítása, mely a lokalizálandó objektumok elhelyezkedésére megbízható információkkal szolgál A feladat jellegéből adódóan, célunk detektálni a vizsgált objektumokat és információval szolgálni elhelyezkedésükre vonatkozóan 3

4 A R14AB tanulmánynak megfelelően a mérési eljárás két részből áll össze, a GPS alapú helyzet meghatározás, és a detektálás során történő helyzetpontosítás A helyzetpontosítás RFID alapú RSS detektálás elvét alkalmazza Ennek az eljárásnak köszönhetően teljesíthetőek a lokalizációval szemben elvártak, miszerint a célobjektumok egy vizsgált útvonal mentén kell lokalizálni a céltárgyakat, mely lokalizáció pontossága 10 méter alatti kell, hogy legyen egy céltárgy esetében Amennyiben több lokalizálandó céltárgy tartózkodik ezen felbontási követelményen belül, úgy azok haladási irányra történő elhelyezkedési sorrendjére vonatkozóan kell információval szolgálni Lokalizációs eljárásunk során, a céltárgyakon elhelyezett RFID tag-ek által olvasási kísérlet esetén kibocsátott jelek detektálása történik RFID olvasó segítségével, mely az ismert GPS koordinátájú mozgó egységen helyezkedik el Az olvasó által detektált RSS értékek információval szolgálnak, arról, hogy az olvasási tartományon belül az adott azonosítóval ellátott céltárgy helyezkedik el Így a mozgó egység adott pillanaton belüli GPS koordinátái alapján képzett lokáció rendelhető a céltárgyhoz Amennyiben több céltárgy helyezkedik el egymás mellett, úgy a vett RSS értékek alapján kell következtetnünk sorrendiségükre Ebben az esetben kihasználjuk a R14AB tanulmányban már ismertetett rádiófrekvenciás hullámok terjedésének fizikai tulajdonságait Jelen esetben a kibocsátó és vevő távolságának változása mellett megfigyelhető jel erősség változás szolgáltat majd számunkra lokációs információval Amennyiben több jelforrás (esetünkben céltárgyra erősített RFID tag) helyezkedik el egymás mellett az útvonalunk mentés, úgy sorrendben az első jelforrás kerül közel a vevő egységhez, majd távolodik tőle, míg eközben a második jelforrás és ugyanazon vevő távolsága csökken és így tovább az utolsó jelforrásig 1 ábra Adó és vevő távolságának változása a mérés során Így célunk detektálni, és értékelni a különböző RFID tag-ek által kibocsátott RSS értékek nagyságát Meg kell állapítanunk egy adott RFID tag esetében a közeledési, a maximális RSS vétel és távolodás szakaszait A különböző tag-ekhez tartozó maximális RSS vétel szakaszok sorrendisége adja majd a tag-ek sorrendiségét 4

5 2 ábra Algoritmus áttekintése 13 Alkalmazott algoritmus Esetünkben a jelfeldolgozás az alkalmazott olvasó feladata Az RFID olvasó a következő adatokat rögzíti a vett rádiófrekvenciás hullámok feldolgozása után: vétel időpontja RFID tag azonosító vett RFID tag-től származó sugárzás RSS értéke dbm-ben kifejezve Egyes tag-ekhez tartozó olvasási gyakoriság, vagyis a megfigyelés mintavételezési gyakorisága 100 ms-os nagyságrendbe esik Több tag egyidejű olvasása esetén is fennáll ezen mintavételezési gyakoriság, ami azt jelenti, hogy az egyes tag-ekhez tartozó mérési eredmények között kisebb időkülönbségeket figyelhetünk meg, vagyis a tag-ek számának növekedése, nem rontja egy adott tag megfigyelésének gyakoriságát, és így a vett RSS érték változásának megfigyelését mozgás esetében Az adatfeldolgozás során így a megfigyelt tag-ek száma nem befolyásolja a végeredményünk minőségét egy adott tag-re vonatkozóan (Meg kell jegyeznünk, ez a kijelentés akkor áll, ha a mérési körülményeket figyelembe vesszük, vagyis a céltárgyak fizikai méretét, és így a különböző tag-ek maximális sűrűségét A kijelentés ezen konkrét felhasználás esetén tekinthető iránymutatónak) 5

6 Az algoritmus a következő lépéseket kell hogy tartalmazza: Adatbeolvasás és tárolás, mely a következő elemek kezelését jelenti: o mért RSS érték o mérés időpillanata o RFID tag azonosítója Egységes időskálása definiálása a mérés időtartamára (utólagos adatfeldolgozás esetében) és időskála felbontásának definiálása Adott csúszó időablak alkalmazása külön, minden egyes RFID tag-hez tartozó mérési eredményre Különböző RFID tag-okhoz tartozó maximális jelszint sáv kijelölése Különböző RFID tag-okhoz tartozó maximális jelszint sáv alapján a vevő és RFID tag legkisebb távolságú állapotának időpont becslése Különböző RFID tag-ekhez tartozó eredmények közös megjelenítése Különböző RFID tag-ekhez tartozó időpont becslések értékelése, érzékelési sorrend megadása 131 Pszeudo kód Az algoritmust pszeudó kód formájában adjuk meg Így programozási nyelv független áttekintést biztosítunk 1311 Adatbeolvasás Mivel ez egy programozási környezettől független általános leírás, az adatbeolvasási megoldásokat nem részletezzük, azok technikai és erősen környezet függő szerkezetűek Így egyszerűen: beolvas: RSS_ertekek_vektor_szam beolvas: Idopillanat_ertekek_vektor_szam beolvas: RFIDTAG_azonosito_vektor_szam 1312 Egységes időskálása definiálása a mérés időtartamára és időskála felbontásának definiálása: minido= Idopillanat_ertekek_vektor_szam [elso eleme] maxido= Idopillanat_ertekek_vektor_szam [utolso eleme] idoablakszam=egesz_szam idoablakmeret=(maxido- minido)/ idoablakszam idofelbontas=egesz_szam xtengelydb=egeszertek:( maxido- minido)/ idofelbontas AMIG_eler_egyesevel: kezdoertektol=egy, vegertekig= xtengelydb ev xtengelyidok_[vektor aktualis elem]= xtengelyidok [elozo elem] + idofelbontas 6

7 1313 Adott csúszó időablak alkalmazása AMIG_eler_egyesevel: kezdoertektol=egy, vegertekig= elemszama:xtengelyidok AMIG_eler_egyesevel: kezdoertektol=egy, vegertekig= elemszama: Idopillanat_ertekek_vektor_szam HA: Idopillanat_ertekek_vektor_szam [masodik_ciklus_ertek]>= xtengelyidok [elso_ciklus_ertek]-idoablakmeret ÉS Idopillanat_ertekek_vektor_szam [masodik_ciklus_ertek]< xtengelyidok [elso_ciklus_ertek]+idoablakmeret AKKOR: HA: megegyezik: RFIDTAG_azonosito_szam1 ÉS RFIDTAG_azonosito_vektor_szam [masodik_ciklus_ertek]) AKKOR: RSS_RFIDTAG_azonosito_szam1[elso_ciklus_ertek]= RSS_RFIDTAG_azonosito_szam1[elso_ciklus_ertek]+ RSS_ertekek_vektor_szam [masodik_ciklus_ertek] noveljuk_eggyel: valtozo_szam1 EGYEBKENT HA: megegyezik: RFIDTAG_azonosito_szam2 ÉS RFIDTAG_azonosito_vektor_szam [masodik_ciklus_ertek]) AKKOR: RSS_RFIDTAG_azonosito_szam2[elso_ciklus_ertek]= RSS_RFIDTAG_azonosito_szam2[elso_ciklus_ertek]+ RSS_ertekek_vektor_szam [masodik_ciklus_ertek] cv noveljuk_eggyel: valtozo_szam2 Ahány RFID tag-et alkalmazunk, mindegyiket külön vizsgáljuk ev ev HA: valtozo_szam1 > 0 AKKOR: RSS_RFIDTAG_azonosito_szam1[elso_ciklus_ertek]= RSS_RFIDTAG_azonosito_szam1[elso_ciklus_ertek] / valtozo_szam1 nincs_ertek_szam ev EGYEBKENT: RSS_RFIDTAG_azonosito_szam2[elso_ciklus_ertek]= 7

8 HA: valtozo_szam2 > 0 AKKOR: RSS_RFIDTAG_azonosito_szam2[elso_ciklus_ertek]= RSS_RFIDTAG_azonosito_szam2[elso_ciklus_ertek] / valtozo_szam1 nincs_ertek_szam ev cv EGYEBKENT: RSS_RFIDTAG_azonosito_szam2[elso_ciklus_ertek]= Ahány RFID tag-et alkalmazunk, mindegyiket külön vizsgáljuk 1314 Különböző RFID tag-okhoz tartozó maximális jelszint sáv kijelölése maxtartomanyszazalek_szam=szam AMIG_eler_egyesevel: kezdoertektol=egy, vegertekig= elemszama: _RFIDTAG_azonosito_szam1 cv HA: RSS_RFIDTAG_azonosito_szam1[ciklus_ertek]> max: RSS_RFIDTAG_azonosito_szam1 * maxtartomanyszazalek_szam ev AKKOR: RSSmax_hely_vektor_1[ciklus_ertek]= ciklus_ertek noveljuk_eggyel: valtozo_szam1 HA: RSS_RFIDTAG_azonosito_szam2[ciklus_ertek]> max: RSS_RFIDTAG_azonosito_szam2 * maxtartomanyszazalek_szam ev AKKOR: RSSmax_hely_vektor_2[ciklus_ertek]= ciklus_ertek noveljuk_eggyel: valtozo_szam2 Ahány RFID tag-et alkalmazunk, mindegyiket külön vizsgáljuk 8

9 1315 Különböző RFID tag-okhoz tartozó maximális jelszint sáv alapján a vevő és RFID tag legkisebb távolságú állapotának időpont becslése lokaciorfidtag_1= egeszertek:median:rssmax_hely_vektor1 lokaciorfidtag_2= egeszertek:median:rssmax_hely_vektor2 Ahány RFID tag-et alkalmazunk, mindegyiket külön vizsgáljuk 1316 Különböző RFID tag-ekhez tartozó eredmények közös megjelenítése 1317 Különböző RFID tag-ekhez tartozó időpont becslések értékelése, érzékelési sorrend megadása Mind a két fenti lépés programozási környezet specifikus, egyes esetekben egyszerű megjelenítésről van szó, egy parancs segítségével 132 Szimuláció Célunk tesztelni a fent ismertetett algoritmus működését A szimuláció során teszt adatokat kell előállítanunk, melyek modellezik a vizsgált körülmények között várható mérési eredményekből származó adatokat Modellalkotásunk során feltételezzük: A vevő és a jelforrás között szabad rálátást feltételezünk A vevő antennája irányított, a 3 decibeles irányélességi szöge 60 fok Hullámterjedési modell esetén feltételezzük az elméleti, változó környezeti hatásokat figyelmen kívül hagyó elméleti összefüggést: = A jelforrások egy vonalba esnek a mozgó egység pályájával és a pálya és jelforrások távolsága 1,5 méter A jelforrások távolsága sorban: 2,5 méter 1 méter, 1,3 méter A mérés időtartama 15 másodperc, ezen idő alatt halad el a mozgó egység a szimulált RFID tag-ék előtt A szimuláció kielégítő eredményekkel szolgált A sorrendiség megállapítása a várakozásoknak megfelelő eredményt ad 9

10 3 ábra Szimuláció során a mérési elrendezés A következő képen látható a szimulált RSS mérési eredmény, és ezen eredmények alapján a becsült sorrend egyértelműen leolvasható, a maximumok az ábrát vizsgálva egyértelműen elkülöníthetőek Rendre az első, második, harmadik és negyedik tag jel RSS értéke a piros, zöld, kék, cink színű görbével vannak jelölve a 4 ábrán 4 ábra Szimulált vétel 10

11 A kialakított mérési eljárás a szimulációk alapján tudja majd biztosítani az elvárt maximális felbontást az ismert lokációjú, mozgó egységünk útvonala mellett elhelyezkedő céltárgyak detektálását, és sorrendiségének megállapítását 2 Kísérleti igazolás Az alábbi fejezetben ellenőrző mérés eredményeit mutatjuk be A következő alfejezetben a mérési jegyzőkönyv található, az utolsó fejezetben pedig a mérési eredmények kiértékelése található 21 Mérési jegyzőkönyv w=400cm d fém felület w=800cm stop start 5 ábra Mérési elrendezés szemből 11

12 ANTENNA fém hr tag h rd 6 ábra Mérési elrendezés keresztmetszet Sorszám hr [cm] md [cm] t [s] Antenna orientáció Fájl ,2 Merőleges a fém síkra csv ,2 Merőleges a fém síkra csv 3a ,2 3b , ,7 Előre 45fok, Lefelé 45fok Előre 45fok, Lefelé 45fok Hátra 45fok, Lefelé 45fok csv csv csv ,5 Hátra 45fok csv 1 táblázat Mérések 12

13 Sorszám 1 TAG-ek C6C6F776F C6C6F776F a C6C6F776F b C6C6F776F C6C6F776F C6C6F776F táblázat Mérések helyes EPC sorrendje 22 Mérési eredmények kiértékelése Az ismertetett algoritmus alapján a következő eredmények születtek: 13

14 azonosítója RFID tag jele piros az ábrán azonosítója RFID tag jele zöld az ábrán C6C6F776F72 azonosítója RFID tag jele kék az ábrán azonosítója RFID tag jele cink az ábrán Az első mérés esetében megfigyelhető a helyes sorrend, bár a harmadik és negyedik tag sorrendjének megállapítása nem olyan egyértelmű mint az első két tag esetében A mérés és kiértékelés, adatfeldolgozás sikeres Továbbá megfigyelhető a valós körülmények között felmerülő reflexiók és különböző RFID tag-ek eltérő teljesítményű sugárzása 14

15 azonosítója RFID tag jele piros az ábrán azonosítója RFID tag jele zöld az ábrán C6C6F776F72 azonosítója RFID tag jele kék az ábrán azonosítója RFID tag jele cink az ábrán Az második mérés esetében a harmadik és negyedik tag sorrendjét nem sikerült megállapítani Az első és második tag esetében a megállapítás egyértelmű 15

16 azonosítója RFID tag jele piros az ábrán C6C6F776F72 azonosítója RFID tag jele kék az ábrán azonosítója RFID tag jele cink az ábrán Az harmadik a mérés esetében megfigyelhető a helyes sorrend, bár a második és harmadik tag sorrendjének megállapítása nem olyan egyértelmű, mint az első két tag esetében A mérés és kiértékelés, adatfeldolgozás sikeres Továbbá megfigyelhető a valós körülmények között felmerülő reflexiók és különböző RFID tag-ek eltérő teljesítményű sugárzása Ez különösen a második és harmadik tag esetében figyelhető meg 16

17 azonosítója RFID tag jele piros az ábrán C6C6F776F72 azonosítója RFID tag jele kék az ábrán azonosítója RFID tag jele cink az ábrán A harmadik b mérés esetében megfigyelhető a helyes sorrend A mérés és kiértékelés, adatfeldolgozás sikeres Továbbá megfigyelhető a valós körülmények között felmerülő reflexiók és különböző RFID tag-ek eltérő teljesítményű sugárzása Ez különösen a második és harmadik tag esetében figyelhető meg 17

18 azonosítója RFID tag jele zöld az ábrán C6C6F776F72 azonosítója RFID tag jele kék az ábrán azonosítója RFID tag jele cink az ábrán A negyedik mérés esetében megfigyelhető a helyes sorrend A mérés és kiértékelés, adatfeldolgozás sikeres Továbbá megfigyelhető a valós körülmények között felmerülő reflexiók és különböző RFID tag-ek eltérő teljesítményű sugárzása Ez különösen a második és harmadik tag esetében figyelhető meg 18

19 azonosítója RFID tag jele piros az ábrán azonosítója RFID tag jele zöld az ábrán C6C6F776F72 azonosítója RFID tag jele kék az ábrán azonosítója RFID tag jele cink az ábrán Az ötödik mérés esetében megfigyelhető a helyes sorrend Ez minden tag esetébenegyértelmű A mérés és kiértékelés, adatfeldolgozás sikeres 23 A kiértékelés értékelése Az algoritmus egy esetet leszámítva sikeresen működött, bár abban az esetben is csak két tag elkülönítése nem volt egyértelmű Ám amennyiben a mérési elrendezés során az nem merőlegesen tekint tag-ekre, hanem hátra tekint 45 -ban a menetirányhoz képest, úgy a egyértelmű és helyes a lokalizáció emel lépése 19