Định vị trong nhà với độ chính xác cao tới 10 cm với UWB

Định vị trong nhà với độ chính xác cao tới 10 cm với UWB

Giới thiệu UWB Ultra-Wideband
Dải tần UWB được mở cho thương mại sử dụng từ 2005 bởi tổ chức FCC cho cách truyền xung với tần số từ 3.1 tới 10.6 GHz. Các ứng dụng hướng tới là thu thập dữ liệu cảm biến, định vị chính xác cao, và các ứng dụng tracking.


Định vị trong nhà độ chính xác cao tới 10 cm

Với UWB, chúng ta có thể đo lường được thời gian mà tín hiệu di chuyển từ bộ truyền tới bộ nhận, từ đó tính toán được khoảng cách chính xác cao tới cm. Với phương pháp này cho phép thông tin khoảng cách chính xác và chất lượng cao hơn so với các phương pháp dựa trên độ mạnh tín hiệu. Các ứng dụng có thể nhận được dữ liệu chính xác cao (sai số nhỏ hơn 20 cm) và vị trí được cập nhật mỗi 100 ms nếu cần thiết, như các ứng dụng đáp ứng cao. Một người dùng sẽ mang theo một thẻ tag UWB nhỏ, có thể ghi nhận vị trí chính xác cao của họ. Thẻ tag được trang bị khả năng truyền UWB và có thể gắn vào USB hay có battery có thời gian sống khoảng 1 năm. Nó gởi các tín hiệu dò ping qua UWB cho mỗi lần cập nhật vị trí, và nó được trang bị cảm biến gia tốc, nó giữ lại vị trí nếu không di chuyển.

Quá trình cài đặt UWB Ultra-Wideband 
Thẻ tag UWB được gắn vào thiết bị hay cơ thể người. Ở đây thẻ tag là cần thiết bởi vì điện thoại di động không có bất ký thiết bị phần cứng UWB nào cả.

Hình ảnh thẻ tag nhỏ gọn hơn card visit (Made in Vietnam)
Các trạm neo gọi là UWB anchors được cài đặt ở khu vực tường của khu cần định vị, tối đa lên tới 25 m. Nó có thể đặt ở độ cao từ 2.5 m - 5 m và phải để xa tường khoảng 15 cm. UWB anchors có thể được cấp nguồn qua USB và PoW (cấp nguồn qua cáp mạng). Ví dụ, với batter USB 10000 mAh, Anchor có thể hoạt động liên tục 50-60 hours.

Tối thiểu 4 Anchors cần cho không gian 25mx25m. Các anchors sẽ đồng bộ clock nội bộ qua Wifi hay cáp mạng Ethernet, và nghe tín hiệu dò ping từ các thẻ tag UWB. Một khi đồng bộ, chúng sẽ ghi nhận thời gian khi nhận được các tín hiệu và chuyển hệ thống backend RTLS, tại đây các tính toán vị trí của các thẻ tag UWB đựa trên các phương pháp thời gian khác biệt tới các trạm neo (Anchors) - gọi là kỹ thuật TDoA hay phương tháp Two-way-ranging tuỳ vào cấu hình hệ thống dựa trên các mô tả yêu cầu đặc biệt khác nhau.

Hình Anchors UWB - Made in Vietnam

Hình Anchors

Các ứng dụng RTLS mô tả thông tin vị trí cập nhật từ hệ thống dịch vụ RTLS backend sử dụng chuẩn websockets hay Resful API để đọc vị trí của thẻ tag UWB. Ngoài ta RTLS có các tính năng khác như lưu lịch sử vị trí và tạo ra các báo cáo về heat-map cho khu vực cụ thể. Việc cài đặt hệ thống UWB dễ dàng hơn nhiều so với các hệ thống định vị trong nhà đựa trên độ mạnh tín hiệu RSSI. Những thứ cần thiết bao gồm trạm neo (Anchors) gắn vào tường, thẻ tag UWB, hạ tầng Wifi, máy trạm RTLS để theo dõi vị trí nếu cần.

Tại sao lại là UWB bùng nổ gần đây 
Các ngành công nghiệp lớn đã sử dụng UWB để định vị trí robots và truyền các dữ liệu cảm biến trong các kho tự động hoàn toàn vài năm trước. Giải pháp UWB có lịch sử giá thành rất mắc và chỉ có những ứng dụng trong các ngành công nghiệp quy mô lớn và quân đội được sử dụng. Cuối năm 2015, chúng ta có cơ hội tạo ra hệ thống định vị chính xác cao với giá thành vừa phả và bắt đầu tích hợp các dịch vụ định vị dựa trên UWB vào các ứng dụng. Và bây giờ điều đó khả thi hơn khi mà giá các giải pháp UWB đã xuống khi mà công ty Decawave đã bắt đầu bán có chip UWB giá raer mà có thể dễ dàng tích hợp vào các thiết bị điện tử. Chip có khả năng truyền các gói UWB và đo lường thời gian truyên của tín hiêu tới picoseconds. Với khả năng này, nó trở thành khả thi khi phát triển các thuật toán và phương phap định vị dựa trên Time of flight (ToF) và Time difference of Arrival (TDoA).

Module UWB Decawave

Hình ảnh module Decawave

Thuật toán phần mềm để định vị vị trí 
Chúng ta sẽ tìm hiểu hai phương pháp để định vị: Two-way-ranging và Time-diference-of-Arrival.

Phương pháp ToA Two-way-ranging
Phương pháp này tính khoảng cách giữa các trạm neo Anchors và thẻ tag UWB. Thẻ tag sẽ khởi tạo tín hiệu hỏi tơi với mỗi anchor, sau đó anchor trả lời lại tín hiệu, thẻ tag truyền lại tín hiệu xác nhận, và cuối cùng, anchor sẽ báo cáo khoảng cách tính được từ kết quả tín hiệu truyền ngược lại từ thẻ tag UWB. Ngoài ra, có thể thêm khả năng tín hiệu kết quả trả từ anchors về thẻ tag, từ đó thẻ tag có được khoảng cách và kết nối với app điện thoại di động qua Bluetooth nếu cần tích hợp với thiết bị di động, nếu không chúng ta bỏ qua tính năng này.

Giao thức của Two-way-ranging

Hình ảnh

Thẻ tag sẽ lặp lại quá trình này cho mỗi anchor và sau cùng sẽ truyền khoảng cách lưu giữ ở các anchors. Chúng ta cần phải xây dựng bộ định thời để cho hai hay nhiều thẻ tag có thể truyền và nhận mà không chồng lấn lên nhau. Để đồng bộ, chung ta quy định một anchor sẽ truyền tín hiệu kết quả khi một thẻ tag có thể truyền tín hiệu tiếp theo. Trạm anchor này sẽ phải luôn ở trong khu vực truyền của thẻ tag. Thẻ tag yêu cầu năng lượng ngồn cung câp để truyền cả 2 chiều và nếu cần thiết phải truyền với thiết bị di động tuỳ trường hợp sử dụng.

Ưu điểm: 
- Không cần RTLS backend
- Anchors không cần đồng bộ clock hoặc kết nối lẫn nhau
- Thẻ tag có thông tin vị trí và có thể truyên tới điện thoại di động qua BLE
Nhược điểm: 
- Thời gian battery ngắn (< 4 tiếng)
- Mở rộng khó. tối da 150 thẻ và dáp ứng sẽ chậm xuống
- Thẻ tag cần gởi 2 lần tín hiệu và nhận 2 lần tín hiệu cho mỗi lần cập nhật vị trí

Phương pháp TDOA using RTLS Server 
Phương pháp ToA sẽ khó giải quyết được vấn đề mởi rộng với số lượng lớn các thẻ tag và vấn đề tiêu hao năng lượng khi thẻ tag truyền nhièu gói và cả năng lượng kết nối với thiết bị di động. Chúng ta nên sử dụng phương pháp TDoA và kết nối với RTLS backend để tính toán vị trí theo thời gian khác biệt từ thẻ tag tới các anchors khác nhau. Anchor được gắn lên tường và nhận các tín hiệu dò từ thẻ tag UWB di động và tính toán khoảng cách từ anchors và thẻ tags.

Giao thức TDoA


Ưu điểm: 
- Không gặp vấn đề về mở rộng, có thể hỗ trợ tới hàng nghìn thẻ tag
- Thời gian battery lâu hơn nhiều (trên 1 năm)
- Thẻ tag không cần các kết nối thêm như BLE, WIFI. Thông tin vị trí được tính toán từ RTLS backend, app có thể nhận từ Wifi
- Thẻ tag chỉ truyền một lần dò tín hiệu duy nhất tới tất cả các anchors cho mỗi lần cập nhật vị trí Nhược điểm: 
- Anchors cần phải được kết nối với nhau và đồng bộ clock qua Wifi hay Ethernet
- RTLS backend cần được cài đặt

Giải pháp được cài đặt đầy đủ với thiết bị phần cứng, RTLS server, các websock và Restful để dễ dàng tính với ứng dụng, cùng với các Dash board cho cấu hình và phân tích dữ liệu. 

Liên hệ info@congngheibeacons.com để biết thêm chi tiết. 

@CongNgheiBeacons.com
Share on Google Plus

About Henry Tran

Henry Tran is iBeacon expert in Vietnam with over 10 years experience in technology applications.
    Blogger Comment
    Facebook Comment

0 comments:

Post a Comment

Note: Only a member of this blog may post a comment.