Transcript 手機LBS導覽室內導航
指導教授：姚修慎 961337 鍾明翰 971415 吳宗昇 研究緣起 當我們到達一間百貨公司、 博物館或是機場時，我們常 會因為建築物的巨大而迷失 了自己，浪費許多時間在找 尋目標上。 如果，這時我們擁有能夠掌 握自己所在地，並且能動態 指引自己的工具，想必會節 省不少時間，並且更輕鬆愉 快的結束旅程。 研究緣起 大部分的大型建築雖然會提供導航，但都 僅僅是告示、指標與櫃檯，無法提供針對 個人的詳細指引。 而大部分人都會攜帶，且能夠動態更新使 用者位置的工具就是手機，所以手機是進 行於室內提供LBS最好的工具。 LBS起源與發展 適地性服務(Location-Based Services ; LBS)，是指基於行動定位技術，探知使用者 所在位置，並提供使用者目前所在位置的相關 服務。 而目前LBS更是在救難方面以外的方面發揚光 大，特別是日常生活方面。最著名的例子就是 GPS的導航系統，利用定位系統，指引使用者 移動路徑，降低其迷路與塞車的機率。 研究平台 目前iPhone等新型擁有觸碰操作功能流 行於世，這些新世代的手機（使用 Android OS、Windows Phone等），擁 有以往手機無法想像的強大功能。 如同無線上網、電子羅盤、照相機等等都 是能夠輔助室內LBS的硬體。 研究平台 同時，觸碰型普及率也 逐年攀身，正逐漸的取 代以往的３Ｇ手機。 考量到研究的實用性與 便利性，我們選擇了使 用Android OS的手機 做為我們的研究平台。 研究目標 如果要於手機上進行室內 研究課題 LBS導覽的話，最重要的 建築物的牆壁所阻擋，導 一點就是能夠得知使用者 致了於室內無法直接以 的所在地。 GPS進行定位。 由於GPS的電波會受到 我們必須另外尋找能夠於 其次，就是清晰易懂的室 室內使用且便於手機進行 內地圖與相關資訊。 定位的技術。 室內定位使用技術 目前室內定位技術主要有以下幾項 Wi-fi 紅外線 超音波 Bluetooth RFID (Radio Frequency IDentification 、無 線射頻辨識) ZigBee INS (Inertial Navigation System 、慣性導航 系統) 室內定位技術比較 成本 普及性 應用範圍 精確性 穩定度 Wi-Fi 中 高 極高 中 中 紅外線 中 中 低 中 低 超音波 中 低 低 中 低 Bluetooth 低 極高 低 低 低 RFID 低 低 高 高 高 ZigBee 中 極低 中 高 中 INS 低 中 低 極高 高 以上是各技術的比較，以普及性、精確性和穩 定性來做為比較，我們選擇Wi-Fi跟INS做為定 位的技術。 定位方法與分區圖 將建築以樓層分割成數個Layer， 然後再將數個樓層分割成不同 Block。 各樓層入口使用Blue-tooth進行 Check-in，當使用者接近並感測到 時，將定位位置改變於該區。 每個地區約為20平方公尺，將定 位點設在各個Block的中心，以使 用者所在的Block來提供導航資 訊。 Wi-fi無線定位技術 –RSSI定位 Wi-Fi的電波訊號強度 (dBm)會隨著距離增加而衰 減，我們可以依據衰減的程 度來判定與無線基地台(AP) 的距離。 由於Wi-Fi網路都需有發訊 的AP ，且依照協定，每個 AP都有獨有的辨識碼，藉 著這個規定可以區別收到的 訊號來自於哪個AP 。 Wi-fi無線定位技術 –RSSI定位 利用dBm的衰減程度，得知使用者與不同AP的距離， 利用三角定位法運算出使用者的所在地。僅此定位方 法，產生的誤差十分巨大，所以我們採用了更進一步 的方法來提升準確率。 我們事先建立起各地點的訊號強度資料庫。 使用者現場定位時改以最近鄰居法與資料庫進行比對。 ○ 我們取最近的3個鄰居平均後做為所在地 定位的誤差將會大幅降低，足以進行室內LBS導覽。 INS定位 INS又稱慣性導航系統(Inertial Navigation System )， 現今已管廣泛運用於導彈、飛機等飛航產物上。 INS使用陀螺儀、電子羅盤、加速度計等感測器獲取 利用觸碰型手機內建的電子羅盤，可以知道使用者的 數據，搭配計算機進行定位計算。 移動方向與移動振幅，藉此完成INS計步器來進行定 位。 INS定位 手機上的電子羅盤可以檢測與 北方的夾角，同時也能夠偵測 使用者移動的振幅。 我們夾角來判定使用者的方 向，並且利用振福來判定使用 者是否有前進。 與北方的夾角為Azimuth值 ○ ０度為正北 上下振幅為Pitch值 ○ ｜Pitch｜>定值時判定為行進一步 INS定位 我們假設人類平常每 前進一步為0.65公 尺，將1個Block再分 割成7*7的小方格， 利用計步器所偵測到 的步數與方向決定使 用者所在地。 室內定位技術整合 由於INS每行走就會增加一點誤差值，這一累積誤差當時間 一久將會成為巨大的差值，所以我們會定期以RSSI將初始 位置更新降低誤差。 將INS做為行進間定位的主體，以RSSI定位做為起始點判 定與修正，這就是手機室內LBS的定位。 在以下情況啟用RSSI 於程式開始 錯誤發生時 長時間行走時（這時將INS與RSSI結果平均做為所在地） 長時間靜止不動 系統架構圖 室內導航 判斷程序 RSSI定位 訊號資料庫 INS定位 位置比對 電子羅盤 Check-in 目標搜尋 錯誤偵測 位置計算 相關流程圖 程式啟動 RSSI室內定位 設定目標(非必要) INS啟動 RSSI再定位 追蹤定位 錯誤 判斷位置 正確 到達目標並提供資訊 是否有下一個 目標 No! 程式結束 重置數據與設定 新目標 YES! 相關成果-RSSI 藉由Wi-Fi~RSSI定位的結果， 準確正確率為75%。 由實驗結果可知，在空曠的 室內場地。運用Wi-Fi的無線 訊號強度的定位法誤差值僅 僅2公尺，正確率高達7成 5。雖然不甚完美，但已經 是十分高的數字，如果搭配 其他定位方法，在聯集下定 位的正確率將會更高。 誤差區數 0 1 2 3% 3% 19 % 75 % 3 相關成果- INS 精確度 我們實踐運用INS的計步 器定位成果，效果十分優 良，能夠將誤差壓低在2 公尺內。 短距離10公尺的誤差約為 0.1公尺 長距離90公尺的誤差約為 0.44公尺 實驗路徑 專題結果 將RSSI與INS兩項定位 技術整合後，短時間內 的定位誤差低於3公尺 以下，讓使用者能夠正 確德知自己所在。 我們依據使用者的所 在，搭配資料庫。能夠 讓使用者找到想要的商 品以及想到達的目標， 算是完成了手機LBS導 覽的一小步。