Technologie de géolocalisation indoor · Exploiter les images provenant de ces caméras ......

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diffusion libre

Technologies de

géolocalisation indoor

Orange Labs

Frédéric EVENNOU, Recherche & Développement 14/10/2010

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Contexte

Multiplications des applications et services demandeurs

d'informations de localisation

– Applications métier

– Réseaux sociaux (Facebook, Foursquare, Google, etc.)

Exemples de services

– Sécurité : Protection du travailleur isolé

– Publicité géociblée

– Urgences

– Surveillance de personnes, de zones

– Tourisme/évènementiel : guidage de personnes, diffusion de

contenu

Localisation de personnes/objets dans des

environnements indoor

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Quelques applications de géolocalisation chez

Orange

En milieu domestique

– Détecter la présence de personnes pour

– Gérer la maison (gestion d’une alarme centrale)

– Déclencher des alarmes (enfants)

– Permettre le maintien à domicile

– Mesurer l’activité des personnes

Dans les bâtiments tertiaires

– Gestion de l’énergie

– Travailleur isolé

– Milieu hospitalier

Gestions d’alarmes, obtention de statistiques sur des parcours

En milieu urbain

– Proposer des services urbains disponibles en indoor et outdoor

– Ex : gestion de places de parking

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De nombreuses technologies de géolocalisation

Les solutions techniques existantes

– Exploitation de systèmes satellitaires

– GPS, GLONASS, Galileo, Compass, IRNSS

– Exploitation de réseaux terrestres de communications

– GSM / UMTS, LORAN, TNT

– Exploitation de réseaux locaux

– WiFi, Bluetooth, Zigbee, Infra rouge, ultra son, ULB, vidéo

Constat :

– Le GPS s'est "imposé" en outdoor

– Limitations dans les environnements où les satellites et le récepteur ne sont pas en visibilité directe

– Précision de 5 à 10m

– Environnements indoor les choses sont plus ouvertes

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sommaire ou ordre du jour

partie 1 Diverses technologies de localisation indoor

partie 2 Les systèmes de RTLS radio

partie 3 Exploitation des informations de localisation

partie 4 Quelques règles pour réussir le déploiement de sa

solution de géolocalisation

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Le système GPS en indoor

Explosion du nombre de GPS

– Smartphones intégrant un récepteur GPS

Intérêt :

– Avec son smartphone on peut bénéficier de services de

géolocalisation en outdoor et en indoor

Limitation actuelle du GPS

– En outdoor : Signaux des satellites GPS proches du seuil de bruit des

chipset GPS

– Murs des bâtiments atténuation des signaux

– Amélioration des récepteurs (microélectronique) :

– Augmentation du temps d'acquisition augmentation du SNR

corrélation massive

– Localisation possible en "light indoor" (ex : proche d'une fenêtre)

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Le système GPS en indoor

Idée : Amplifier le signal pénétration dans les bâtiments

Exploitation de pseudolites (pseudo satellites)

– Amplification des signaux existants

– Génération de signaux de satellites GPS

Amplification des signaux

existants

Signaux reçus à proximité du

bâtiment brouillage pour un

récepteur à proximité du bâtiment

Mise en place d'un système de

cyclage entre les pseudolites

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Le système GPS en indoor

Emission de signaux GPS

– Détection des satellites visibles depuis l'extérieur du bâtiment

– Exploitation des séquences PN de satellites non visibles

– Emission de signaux GPS construits par les pseudolites

– Pas de brouillage pour un récepteur situé à l'extérieur

Localisation dans des environnements indoor ouverts

Contraintes

– Eblouissement du récepteur GPS

– Prévu pour recevoir des signaux GPS autour -130 dBm

– Synchroniser les pseudolites

– Exploitation d'un réseau câblé

Société : INSITEO

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Les réseaux de télécommunication (GSM)

Exploitation de mesures faites par rapport aux BTS à

proximité

– Remonté de ces mesures vers un serveur

– Calcule de la position sur un serveur distant

Performances

– De 7 à 15m de précision en indoor

Société : GloPos

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Les systèmes vidéo

De nombreuses caméras dans nos environnements

– Magasins, métro, aéroport, entreprises

Exploiter les images provenant de ces caméras

Calibration du système de vision

– Référencement de certaines positions des images

– Projection du mobile dans le plan de l'image référencée

Précision de la localisation

– centimétrique

Limitations

– Calibration des caméras

– Projection en fonction de l'angle de vision

– Complexité à assurer un suivi

– Champ de vision d'une caméra limité

– Variations de la luminosité

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Les systèmes vidéo

Limitations

– Champ de vision limité ne traverse pas les murs/obstacles

– Pas d'identification des cibles présentes dans le champ de la

caméra

– Acceptabilité de la caméra difficile

– Services déployés à domicile

Applications

– Comptage d'objets/personnes

– Détection de flux

– Statistiques sur des parcours

– Détection d'évènements (ex : passager s'éloignant de son

bagage)

Sociétés : Blue Eye Video, Track & Catch

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Les systèmes par infrarouge

Système offrant une très bonne précision

Déploiement important

– Placement de détecteurs infrarouge au plafond

– Détection d'un faisceau émis par l'émetteur infrarouge du mobile

Contrainte :

– Déploiement

– Visibilité directe entre l'émetteur et le détecteur requise

– Forte directivité

– Limitations des performances

– Environnement lumineux

Application :

– Robotique

Société : Système ActiveBat

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Les systèmes par Ultrason

Système offrant une très bonne précision

Ondes ultra-sonores ne passent pas les murs

– Possibilité d'avoir une précision à la zone (ex : pièce)

Pas besoin d'être en visibilité directe

– Exploitation des échos pour détecter la présence d'un tag

Contraintes :

– Déploiement plusieurs bornes dans la zone

– Problématique de l'alimentation électrique et de la disponibilité

d'endroits pour le déploiement

– Directivité des microphones

Déploiements : dans le milieu hospitalier

Société : Sonitor

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Les systèmes radio

Portées pouvant aller jusqu'à quelques dizaines de mètres

Exploités pour communiquer

Nombreux standards existants

– Plusieurs bandes de fréquences

– Différentes caractéristiques de propagation

– Différentes portées

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Les réseaux WiFi

IEEE802.11 : Standard international décrivant les caractéristiques des réseaux sans fil (WLAN)

Réseaux largement déployés pour permettre à des équipements d'échanger des données

– Dans les entreprises

– Dans les centres commerciaux

– Dans les habitations

De nombreux équipements dotés de cette interface radio

Portée radio de quelques dizaines de mètres (indoor) jusque 1 km (outdoor)

Limitations :

– Transmissions dans des bandes ISM saturées

– Chevauchement des canaux radio : interférences importantes

– Compromis entre niveau d'interférences et géolocalisation

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Les solutions existantes

Nombreuses solutions sur le marché

– Les constructeurs d'équipements WiFi

– Cisco, Nortel, Alcatel, Aruba, Trapeze, etc.

Exploitation des solutions comme Ekahau/Aeroscout

– Des fournisseurs "indépendants"

– Ekahau, Aeroscout, Innerwireless, Wherenet

– Navizon, Skyhook (géolocalisation indoor/outdoor)

– Des constructeurs de tags WiFi

– Vestac, Redpine Signals

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Localisation dans les réseaux WiFi

Exploitation de l'information de puissance du signal radio (RSSI)

– Information simple à mesurer par les interfaces radio

– Tous les équipements WiFi sont capables de faire cette mesure

tous les équipements WiFi sont donc "localisables" sans

modification

Exploitation de la technique du fingerprinting pour se localiser

– Besoin de créer une base de données de footprints (BDD)

– Localisation : recherche dans cette BDD de celle qui est la plus

proche de la mesure instantanée

Inconvénients

– Besoin de constituer une carte d'empreintes des puissances par

enregistrement en plusieurs points de l'espace (calibrage)

– Carte "invalide" si environnement changeant

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Comment sont réalisées ces BDD de footprints RSSI ?

Mesures terrain

– Exploitation de tags statiques (Aeroscout)

– Tags déposés en certaines positions dans le bâtiment

– Enregistrement des RSSI sur plusieurs minutes

– Interpolation des RSSI entre ces positions

– Enregistrement des RSSI sur des parcours (Ekahau)

– Outil permettant de tracer en temps réel son parcours en

notant tous les changements de direction

Se déplacer avec un PC/tablet PC

– Mesures entre bornes WiFi + mesures terrain (Cisco)

– Exploitation d'un modèle de propagation (à calibrer)

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Quel déploiement retenir pour la géolocalisation par

WiFi ?

2 approches possibles

– Mesures faites par le terminal (terminal centric)

– Capacités de programmation du terminal / tag

– Ekahau, Aeroscout, G2 Microsystems

– Emission de trames WiFi consommation

– Mesures faites par le réseau (network centric)

– Firmware de l'AP permettant cette mesure

– Détection et localisation des intrusions sur le réseaux

– Méthode passive (émission des trames des équipements seulement)

– Equipements Cisco (CAPWAP), Kismet

Choix effectué en fonction de contraintes :

– Réseau déjà existant ou pas

– Types de terminaux à localiser

– Type de service envisagé

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Diversité importante de tags WiFi

Travail important des fournisseurs de solutions de

géolocalisation WiFi

– Tags simples

– Tags avec/sans boutons programmables

– Tags avec écran (affichage de messages)

– Tags rechargeables

– Tags avec des capteurs (mesure de température)

– Tags avec détecteur d'arrachage

– Tags avec switch de sécurité

– Tags intégrant un GPS

– Tags intégrant des détecteurs de mouvement

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Performances de la localisation WiFi

Généralement constaté :

– Erreur de positionnement allant de 3 à 8m

– Très dépendant du déploiement réseau

– Influence du nombre de points d'accès captés

Source d'erreur :

– Fluctuations de la puissance reçue

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La localisation par fingerprinting WiFi

Exemple d'un parcours dans un bâtiment

– Localisation par fingerprinting RSSI

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Performances de la localisation WiFi

Obtention d'une précision à la zone près (ex : pièce)

– Installation d'une infrastructure complémentaire

– RFID : Exciters chez Aeroscout

– Infra rouge : Ekahau

Contrainte : déploiement à réaliser dans des zones

contraignantes (ex : au dessus de portes)

Consommation importante des tags

– Intégration de détecteurs de mouvement

– Mise en veille si le tag est monté sur un équipement

– WiFi Ultra Low Power ?

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Les réseaux Zigbee

Organisation : Zigbee Alliance

– Association ouverte

– Compte plus de 200 entreprises

– Nombreux secteurs y contribuent

Objectif :

– Mettre en place un standard mondial de radiocommunications

numériques fiable pour des applications faible débit et faible

consommation

Couches PHY et MAC basées sur le standard IEEE802.15.4

Réseaux composés de :

– Coordinateurs/routeurs : FFD

– Nœuds : RFD

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Les réseaux Zigbee

Informations disponibles :

– La puissance du signal radio (RSSI) TI CC2430, CC2431

– Performances similaires à celles obtenues en WiFi

– Indicateur de qualité du lien (LQI)

– Variation importante lorsque la visibilité directe entre le

routeur et le tag est rompue

– Possibilité d'avoir une détection de zone "précise"

Intérêt :

– Prévision de large déploiement de cette technologie

(capteurs)

Solutions RTLS : Fireflies RTLS, Awarepoint

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Limitations

Canaux radio à 2.4 GHz

– Interférences élevées provenant de systèmes comme WiFi

Pas de canal de communication du réseau vers le tag

Instabilité des RSSI

– Diagramme d'antenne

– Masquage possible

Impact important dans le cadre de mesures entre capteurs

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L'Ultra Large Bande (ULB / UWB)

Objectifs :

– To provide an international standard for an ultra low complexity, ultra

low cost, ultra low power consumption alternate PHY for 802.15.4

(comparable to the goals for 802.15.4-2003). To satisfy an

evolutionary set of industrial and consumer requirements for WPAN

communications (18a), the precision ranging capability will be

accurate to one meter or better, and the communication range,

robustness and mobility improved over 802.15.4-2003. The project will

address the requirements to support coexisting (18b) networks of

sensors, controllers, logistic and peripheral devices in multiple

compliant co-located systems

Définition d'une couche physique :

– Technologie radio avec émission d'impulsions large bande

– Durée de l'ordre de quelques centaines de picosecondes

– Emission à faible densité spectrale de puissance (-41.3

dBm/MHz) dans la bande allant de 3 GHz à 10 GHz

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Qu'est ce qu'un signal UWB ?

FFT

RI canal signal

bande étroiteRI canal signal

UWB

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Intérêt pour la localisation ?

Caractéristiques intéressantes :

– Faible susceptibilité à l'évanouissement dû à la propagation

par trajets multiples

– Insensibilité au brouillage

– Communications protégées

– Simplicité relative des systèmes

– Architectures sans oscillateurs, architectures bas coût

– Faible consommation électrique

– Bonnes propriétés de pénétration

– Fort pouvoir séparateur des multi-trajets

– Permet une localisation avec une grande précision

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Quelques solutions disponibles

Standard assez jeune peu d'acteurs sur le marché

– Produits commerciaux orientés vers la géo-localisation

– Zebra : technique TDOA

– Ubisense : technique AOA/TDOA

– Difficultés à déployer

– Time domain : technique TOA

– Decawave : technique TOA (two way ranging)

– Approche intéressante : mesures de distance à environ 30m en

indoor

– Projet de réaliser un chip de 5*5 mm pour des téléphones portables

(partenariat avec LG Innotek)

Peu de retours d'expériences sur les produits UWB

Travaux sur la transformation des mesures de distance en position

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Performances : mesures de distance en UWB

Indice de la position de mesure

Indice de la position de mesure

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La RFID active

Systèmes exploitant des tags similaires aux tags Zigbee ou

WiFi (embarquant une pile) mais fonctionnant sur d'autres

bandes de fréquences

– 433 MHz, 868 MHz

Techniques de localisation employées :

– Cell-ID

– RSSI

– Fingerprinting

– Modèle de propagation

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Solutions existantes

Radar Finder

Visonic Technologies (433 MHz)

PINCSolutions

PureLink

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La RFID passive

Objectif : remplacer les dispositifs d'identification par des systèmes

sans contact

– Remplacement des codes à barres

– Communication à distance sans besoin de visibilité directe

– Identification de plusieurs objets en volume et en même temps

– Possibilité d'écrire et de transmettre des données

Différents modes de fonctionnement :

– BF : magnétique

– HF : magnétique

– UHF, SHF : électromagnétique

Choix en fonction de la nature de l'objet portant le tag

Existence de nombreux standards

– ISO 14443 (carte d'identification), ISO 15693 (cartes à puce sans

contact), ISO 18000-2 (135 kHz), ISO 18000-3 (13.56 MHz), ISO

18000-6 (860-960 MHz), ISO 14223 (transpondeur animalier), EPC

HF

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Fonctionnement et localisation

Passage devant des lecteurs (Cell-ID)

– Localisation du tag du fait de la faible portée

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Des solutions disponibles

Nombreux fournisseurs de tags

– Tagsys, Alien, UPM Raflatac, Symbol

– Philips, TI, SAMSys, RFSaw, Identec

Nombreux constructeurs de lecteurs

– Alien, Tagsys, SAMSys, Rafsec, Tyco

– iPico, Amatech

Prix des étiquettes

– Quelques centimes d'euros à quelques euros

Prix des lecteurs

– Quelques centaines d'euros à quelques milliers d'euros

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Limitations de la localisation par RFID passive

Limitations

– Problèmes de lecteurs dans certaines configurations

– Tags quasiment superposés

– Besoin d'avoir plusieurs antennes

– Orientation des tags non détection dans certaines positions

– Pas de connaissance sur la position des tags entre deux lecteurs

– Placer les lecteurs à des positions "stratégiques" dans

l'environnement

Localisation par RFID

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Les systèmes de navigation inertielle

Systèmes exploitant :

– Des accéléromètres

– Des magnétomètres

– Des magnétomètres

Dispositifs présents dans :

– Tags WiFi, Smartphones, etc

– Capteurs spécifiques : SHAKE SK6/7, Xsens

Informations mesurées :

– Accéléromètres :

– Comptage des pas, distance parcourue

– Magnétomètres, gyroscopes

– Changements de direction

Accéléromètre & FFT

Magnétomètre

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Limitation des systèmes INS

Besoin de connaître la position initiale

Mesures effectuées devant être intégrées (vitesse angulaire, accélération)

Intégration du bruit amplification

Nécessité de placer le capteur en certaines position du corps

Erreur : 5 à 10% de la distance parcourue

– Recalage régulier pour limiter la dérive

Mise en place d'algorithmes de traitement de l'information

– Mapmatching recadrage de la trajectoire en fonction de contraintes

physiques

N

k

kk ttatvxx0

2

12

1

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Limitation des systèmes INS

Contraintes de consommation des capteurs

– Echantillonnage des mesures : 10 à 30 Hz

Contraintes liées à l'orientation des capteurs

Besoin d'une calibration spécifique au porteur du dispositif

Systèmes existants :

– Sysnav, Xsens

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Composition et prix d'une solution de

géolocalisation

Matériel

– Infrastructure / réseau (quelques k€)

– Tags (quelques dizaines d'euros)

Du logiciel (20-25 k€)

– Localisation

– Système contextuel (déclenchements d'alarmes, informations

contextualisées)

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Comment exploiter ces informations de localisation

Solutions logicielles de gestion des tags :

– Solutions fournies avec la solution RTLS

– Aeroscout : Mobileview

– Ekahau : Vision

– Solutions indépendantes

– IBSS : Syntrack prise en compte de plusieurs technologies

Solutions de localisation contextuelles :

– Appear : Appear IQ

Aspect important d'une solution de localisation

interface permettant à un utilisateur d'interagir avec le système RTLS

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Quelques éléments pour retenir la bonne solution

Bien analyser l'usage du système

– Localisation en temps réel ou pas ?

– Ex : Statistique, déclenchement d'alarme

– Objets / personnes en mouvement ?

– Mise en place de stratégies d'économie d'énergie

– Précision nécessaire pour les applications ?

– Contraintes de déploiement supplémentaires

– Intégration de la technologie dans des processus existants

Bien analyser l'environnement

– Infrastructure déjà en place ?

– Possibilité d'installer de nouveaux équipements dans

l'environnement

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diffusion libre

merci