System pozycjonowania - Positioning system

System pozycjonowania to mechanizm określania położenia obiektu w przestrzeni . Istnieją technologie do tego zadania, od pokrycia całego świata z dokładnością metrową po pokrycie obszaru roboczego z dokładnością submilimetrową.

Zasięg

Układy międzyplanetarne

Systemy komunikacji międzyplanetarno-radiowej nie tylko komunikują się ze statkami kosmicznymi, ale są również wykorzystywane do określania ich pozycji. Radar może śledzić cele w pobliżu Ziemi, ale statek kosmiczny w głębokim kosmosie musi mieć na pokładzie działający transponder, aby odbić sygnał radiowy. Informacje o orientacji można uzyskać za pomocą śledzenia gwiazd .

Systemy globalne

Główny artykuł: Globalny system nawigacji satelitarnej

Globalne systemy nawigacji satelitarnej (GNSS) umożliwiają wyspecjalizowanym odbiornikom radiowym określanie ich położenia przestrzennego w przestrzeni 3D, a także czasu z dokładnością do 2–20 metrów lub dziesiątek nanosekund. Obecnie wdrożone systemy wykorzystują sygnały mikrofalowe, które mogą być niezawodnie odbierane tylko na zewnątrz i które obejmują większość powierzchni Ziemi, a także przestrzeń bliską Ziemi.

Istniejące i planowane systemy to:

Systemy regionalne

Sieci naziemnych nadajników pozycjonujących umożliwiają wyspecjalizowanym odbiornikom radiowym określenie ich pozycji 2D na powierzchni Ziemi. Są one generalnie mniej dokładne niż GNSS, ponieważ ich sygnały nie są całkowicie ograniczone do propagacji w zasięgu wzroku i mają jedynie zasięg regionalny. Pozostają jednak przydatne do celów specjalnych i jako kopia zapasowa, gdzie ich sygnały są bardziej niezawodnie odbierane, w tym pod ziemią i w pomieszczeniach, a odbiorniki mogą być budowane, które zużywają bardzo mało energii baterii. Przykładem takiego systemu jest LORAN .

Systemy lokalne

Lokalny system pozycjonowania ( LPS ) to system nawigacji, który dostarcza informacji o lokalizacji w każdych warunkach pogodowych, w dowolnym miejscu w zasięgu sieci, gdzie znajduje się wolna linia wzroku do trzech lub więcej sygnalizacyjne sygnalizatory , których dokładne położenie na ziemi jest znana .

W przeciwieństwie do GPS lub innych globalnych systemów nawigacji satelitarnej , lokalne systemy pozycjonowania nie zapewniają zasięgu globalnego. Zamiast tego używają (zestawu) beaconów, które mają ograniczony zasięg, co wymaga od użytkownika przebywania w ich pobliżu. Beacony obejmują komórkowe stacje bazowe , punkty dostępu Wi-Fi i LiFi oraz wieże nadawcze radiowe .

W przeszłości LPS dalekiego zasięgu były wykorzystywane do nawigacji statków i samolotów. Przykładami są Decca Navigator System i LORAN . W dzisiejszych czasach lokalne systemy pozycjonowania są często wykorzystywane jako uzupełniająca (a w niektórych przypadkach alternatywna) technologia pozycjonowania dla GPS, zwłaszcza w obszarach, gdzie GPS nie dociera lub jest słaby, na przykład wewnątrz budynków lub miejskich kanionów . Lokalne pozycjonowanie za pomocą wież komórkowych i nadawczych może być używane w telefonach komórkowych, które nie mają odbiornika GPS. Nawet jeśli telefon ma odbiornik GPS, żywotność baterii zostanie wydłużona, jeśli dokładność lokalizacji wieży komórkowej będzie wystarczająca. Są również używane w bezdrożach, takich jak Hunny Hunt Puchatka i Mystic Manor .

Przykłady istniejących systemów obejmują

Systemy wewnętrzne

Główny artykuł: kryty system pozycjonowania

Systemy pozycjonowania wewnętrznego są zoptymalizowane do użytku w poszczególnych pomieszczeniach, budynkach lub placach budowy. Zazwyczaj zapewniają centymetrową dokładność. Niektóre zapewniają 6-D położenia i orientacji.

Przykłady istniejących systemów obejmują

Systemy przestrzeni roboczej

Są one zaprojektowane tak, aby obejmowały tylko ograniczoną przestrzeń roboczą, zwykle kilka metrów sześciennych, ale mogą zapewniać dokładność w zakresie milimetrów lub lepszą. Zazwyczaj zapewniają pozycję i orientację 6-D. Przykładowe zastosowania obejmują środowiska rzeczywistości wirtualnej , narzędzia do ustawiania w chirurgii wspomaganej komputerowo lub radiologii oraz kinematografię ( przechwytywanie ruchu , przenoszenie meczów ).

Przykłady: Wii Remote z paskiem czujnika, Polhemus Tracker, Precision Motion Tracking Solutions InterSense.

Wysoka wydajność

Wysokowydajny system pozycjonowania jest stosowany w procesach produkcyjnych do płynnego i dokładnego przesuwania obiektu (narzędzia lub części) w sześciu stopniach swobody, po pożądanej ścieżce, w pożądanej orientacji, z dużym przyspieszeniem , dużym opóźnieniem , dużą prędkością i krótkim czasem osiadania . Został zaprojektowany, aby szybko zatrzymać ruch i dokładnie umieścić poruszający się obiekt w pożądanej końcowej pozycji i orientacji przy minimalnym drganiu.

Przykłady: obrabiarki o dużej prędkości , skanowanie laserowe , spajanie przewodów , inspekcja płytek drukowanych , testowanie automatyki laboratoryjnej , symulatory lotu

Technologie

Istnieje wiele technologii umożliwiających określenie położenia i orientacji obiektu lub osoby w pomieszczeniu, budynku lub na świecie.

Pozycjonowanie akustyczne

Główny artykuł: pozycjonowanie akustyczne

Czas lotu

Systemy czasu lotu określają odległość mierząc czas propagacji sygnałów impulsowych między nadajnikiem a odbiornikiem. Gdy znane są odległości co najmniej trzech lokalizacji, czwartą pozycję można określić za pomocą trilateracji . Przykładem jest globalny system pozycjonowania .

Optyczne urządzenia śledzące, takie jak laserowe urządzenia do śledzenia odległości, mają problemy z linią wzroku , a na ich działanie niekorzystnie wpływa światło otoczenia i promieniowanie podczerwone. Z drugiej strony nie ulegają zniekształceniom w obecności metali i mogą mieć wysoką częstotliwość aktualizacji ze względu na prędkość światła.

Ultradźwiękowe urządzenia śledzące mają bardziej ograniczony zasięg ze względu na utratę energii wraz z przebytą odległością. Są również wrażliwe na ultradźwiękowe szumy otoczenia i mają niską częstotliwość aktualizacji. Ale główną zaletą jest to, że nie potrzebują linii wzroku.

Systemy wykorzystujące fale radiowe, takie jak globalny system nawigacji satelitarnej, nie są narażone na światło otoczenia, ale nadal potrzebują linii wzroku.

Skanowanie przestrzenne

System skanowania przestrzennego wykorzystuje (optyczne) beacony i czujniki. Można wyróżnić dwie kategorie:

  • Systemy na wylot, w których beacon jest umieszczony w stałej pozycji w otoczeniu, a czujnik znajduje się na obiekcie
  • Na zewnątrz w systemach, w których sygnalizatory są na celu, a czujniki znajdują się w stałej pozycji w otoczeniu

Kierując czujnik na latarnię można zmierzyć kąt między nimi. Dzięki triangulacji można określić położenie obiektu.

Wykrywanie bezwładności

Główną zaletą wykrywania bezwładnościowego jest to, że nie wymaga zewnętrznego odniesienia. Zamiast tego mierzy obrót za pomocą żyroskopu lub położenie za pomocą akcelerometru w odniesieniu do znanej pozycji wyjściowej i orientacji. Ponieważ systemy te mierzą pozycje względne zamiast pozycji bezwzględnych, mogą cierpieć z powodu skumulowanych błędów i dlatego mogą podlegać dryfowi. Okresowa ponowna kalibracja systemu zapewni większą dokładność.

Połączenie mechaniczne

Ten typ systemu śledzenia wykorzystuje mechaniczne powiązania między odniesieniem a celem. Zastosowano dwa rodzaje powiązań. Jednym z nich jest zespół części mechanicznych, z których każda może się obracać, zapewniając użytkownikowi wielokrotne możliwości obracania. Orientacja połączeń jest obliczana na podstawie różnych kątów połączeń mierzonych za pomocą enkoderów przyrostowych lub potencjometrów. Inne rodzaje połączeń mechanicznych to druty zwijane w zwoje. System sprężyn zapewnia naprężenie drutów w celu dokładnego pomiaru odległości. Stopnie swobody wykrywane przez mechaniczne urządzenia śledzące są zależne od budowy mechanicznej struktury urządzenia śledzącego. Chociaż najczęściej zapewnianych jest sześć stopni swobody, zazwyczaj możliwy jest tylko ograniczony zakres ruchów ze względu na kinematykę połączeń i długość każdego ogniwa. Również ciężar i odkształcenia konstrukcji rosną wraz z odległością tarczy od wzorca i ograniczają objętość roboczą.

Różnica w fazach

Systemy różnicy faz mierzą przesunięcie w fazie sygnału przychodzącego z nadajnika na ruchomym celu w porównaniu z fazą sygnału przychodzącego z nadajnika odniesienia. Dzięki temu można obliczyć ruch względny nadajnika względem odbiornika Podobnie jak systemy czujników bezwładnościowych, systemy oparte na różnicy faz mogą cierpieć z powodu skumulowanych błędów i dlatego podlegają dryfowi, ale ponieważ faza może być mierzona w sposób ciągły, są one w stanie generować wysokie szybkości transmisji danych. Przykładem jest Omega (system nawigacji) .

Bezpośrednie wykrywanie pola

Systemy bezpośredniego wykrywania pola wykorzystują znane pole do określenia orientacji lub pozycji: Prosty kompas wykorzystuje pole magnetyczne Ziemi, aby poznać jego orientację w dwóch kierunkach. Inklinometr wykorzystuje pola grawitacyjnego ziemi znać jego orientację w pozostałej trzecim kierunku. Pole wykorzystywane do pozycjonowania nie musi jednak pochodzić z natury. Układ trzech elektromagnesów umieszczonych prostopadle do siebie może określać odniesienie przestrzenne. Na odbiorniku trzy czujniki mierzą składowe strumienia pola otrzymanego w wyniku sprzężenia magnetycznego . Na podstawie tych pomiarów system określa położenie i orientację odbiornika w stosunku do odniesienia nadajników.

Systemy optyczne

Systemy pozycjonowania optycznego oparte są na elementach optycznych , takich jak tachimetry .

Pozycjonowanie magnetyczne

Ta sekcja jest wyciągiem z pozycjonowania magnetycznego . [ edytuj ]

Pozycjonowanie magnetyczne to rozwiązanie IPS ( Indoor positioning system ), które wykorzystuje anomalie pola magnetycznego typowe dla ustawień wewnętrznych, wykorzystując je jako charakterystyczne sygnatury rozpoznawania miejsc. Pierwsze wzmianki o pozycjonowaniu w oparciu o anomalię magnetyczną można prześledzić w zastosowaniach wojskowych w 1970 roku. Zastosowanie anomalii pola magnetycznego do pozycjonowania w pomieszczeniach zostało po raz pierwszy zgłoszone w artykułach dotyczących robotyki na początku 2000 roku.

Najnowsze aplikacje mogą wykorzystywać dane z czujników magnetycznych ze smartfona używanego do bezprzewodowego lokalizowania obiektów lub osób wewnątrz budynku.

Obecnie nie ma de facto standardu dla IPS, jednak pozycjonowanie magnetyczne wydaje się być najbardziej kompletne i opłacalne. Oferuje dokładność bez żadnych wymagań sprzętowych i stosunkowo niski całkowity koszt posiadania. Według Opus Research pozycjonowanie magnetyczne stanie się „podstawową” technologią lokalizacji w pomieszczeniach.

Systemy hybrydowe

Ponieważ każda technologia ma swoje zalety i wady, większość systemów wykorzystuje więcej niż jedną technologię. System oparty na względnych zmianach pozycji, taki jak system bezwładnościowy, wymaga okresowej kalibracji w stosunku do systemu z bezwzględnym pomiarem pozycji. Systemy łączące dwie lub więcej technologii nazywane są hybrydowymi systemami pozycjonowania.

Hybrydowe systemy pozycjonowania to systemy do znajdowania lokalizacji urządzenia mobilnego przy użyciu kilku różnych technologii pozycjonowania. Zazwyczaj GPS ( Globalny System Pozycjonowania ) jest jednym z głównych elementów takich systemów, w połączeniu z sygnałami wieży komórkowej, bezprzewodowymi sygnałami internetowymi, czujnikami Bluetooth , adresami IP i danymi o środowisku sieciowym.

Systemy te są specjalnie zaprojektowane, aby przezwyciężyć ograniczenia GPS, który jest bardzo dokładny na otwartych przestrzeniach, ale działa słabo w pomieszczeniach lub między wysokimi budynkami ( efekt miejskiego kanionu ). Dla porównania, sygnały z wieży komórkowej nie są zakłócane przez budynki lub złą pogodę, ale zwykle zapewniają mniej precyzyjne pozycjonowanie. Systemy pozycjonowania Wi-Fi mogą dawać bardzo dokładne pozycjonowanie w obszarach miejskich o dużej gęstości Wi-Fi - i zależą od kompleksowej bazy danych punktów dostępu Wi-Fi.

Hybrydowe systemy pozycjonowania są coraz częściej badane pod kątem niektórych cywilnych i komercyjnych usług lokalizacyjnych oraz mediów lokalizacyjnych , które muszą dobrze działać na obszarach miejskich, aby były opłacalne komercyjnie i praktycznie.

Wczesne prace w tym zakresie obejmują projekt Place Lab, który rozpoczął się w 2003 r. i został nieaktywny w 2006 r. Późniejsze metody pozwalają smartfonom łączyć dokładność GPS z niskim poborem energii przy znajdowaniu punktów przejściowych Cell-ID.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura