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
2 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
3 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
4 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
6 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
8 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
11 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
14 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
15 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
18 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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)
19 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
20 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
21 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
22 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
La localisation par fingerprinting WiFi
Exemple d'un parcours dans un bâtiment
– Localisation par fingerprinting RSSI
23 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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 ?
24 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
25 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
26 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
27 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
28 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
Qu'est ce qu'un signal UWB ?
FFT
RI canal signal
bande étroiteRI canal signal
UWB
29 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
30 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
31 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
Performances : mesures de distance en UWB
Indice de la position de mesure
Indice de la position de mesure
32 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
33 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
Solutions existantes
Radar Finder
Visonic Technologies (433 MHz)
PINCSolutions
PureLink
34 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
35 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
Fonctionnement et localisation
Passage devant des lecteurs (Cell-ID)
– Localisation du tag du fait de la faible portée
36 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
37 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
38 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
39 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
40 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
41 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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)
42 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
43 diffusion libre Orange Labs - Recherche & Développement – 14/10/2010
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
diffusion libre
merci