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Entwicklung und Vergleich von hybriden Verfahren zur Ortsbestimmung innerhalb von Gebäuden

Dombois, Marcus :
Entwicklung und Vergleich von hybriden Verfahren zur Ortsbestimmung innerhalb von Gebäuden.
TU Darmstadt
[Masterarbeit], (2016)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der Nutzung von Standortinformationen, sowohl zur Verbesserung des Benutzererlebnisses existierender Applikation als auch als Basis neuer Applikation, hat in den letzten Jahren verstärktes Interesse erfahren. Speziell seit der Vorstellung des Bluetooth-basierten Apple iBeacon-Systems zur Auslieferung von ortsabhängiger Werbung richtet sich dabei die Aufmerksamkeit auf die Standortbestimmung innerhalb von Gebäuden. Über den Konstruktionszweck hinaus ergeben sich hier vielfältige Anwendungsmöglichkeiten - großes Potenzial haben Standortinformationen dabei insbesondere für die Optimierung der unterschiedlichsten Prozesse im Bereich des Facility Managements. Neben Potentialen bei der Verbesserung gemeinsam genutzter Ressourcen, wie etwa Meetingräumen, zur Betriebszeit oder Navigationsunterstützung für ortsunkundige Geschäftspartner, könnten standortbasierte Systeme beispielsweise Handwerkern in der Konstruktionsphase oder Rettungskräften im Brandfall unterstützen. Häufig genutzt für die Konstruktion solcher Systeme werden vor allem die ohnehin vorhandene Infrastruktur zur drahtlosen Vernetzung (Wi-Fi) und die o.g. Bluetooth-Beacons. Naheliegend ist außerdem die Verwendung von Smartphones, welche mittlerweile standardmäßig über die beiden genannten sowie eine Vielzahl weiterer Sensoren verfügen. Bisher entwickelte Systeme zur Standortbestimmung in Gebäuden bieten jedoch häufig nur begrenzte Flexibilität durch festgelegte Sensoren und Berechnungsverfahren und sind durch hohe Wartungsaufwände in ihrer Skalierbarkeit eingeschränkt. Mit Blick auf einen dauerhaften und flächendeckenden Einsatz eines solchen Standortbestimmungssystems innerhalb eines Unternehmens zeigen sich bei existierenden Lösungen zudem oftmals Defizite im Bereich der Energieeffizienz. In dieser Arbeit wurde daher ein Smartphone basiertes System entwickelt, das die Idee verschiedener modularer Verarbeitungs-Pipelines nutzt, um eine flexible Architektur zu realisieren, die es erlaubt, die Verarbeitung von Sensordaten mit dem Zweck der Standortbestimmung leicht den Anforderungen der Umgebung entsprechend zu konfigurieren und bei Bedarf auch neue Sensoren oder Berechnungsverfahren in das System zu integrieren. Für dieses System wurden Module zur Unterstützung von Bluetooth, Wi-Fi und GPS-Sensoren sowie einer Vielzahl gängiger Verfahren zum Musterabgleich oder der Nachbarschaftsdetektion umgesetzt. Dabei wurde sowohl die Verarbeitung der Daten einzelner Sensoren untersucht und optimiert als auch ein Verfahren zur Fusionierung von Berechnungsergebnissen mehrerer Sensoren entwickelt. Darüber hinaus wird ein Ansatz vorgestellt, der mittels eines Bewegungszustandsgraphen die Benutzerbewegung und -Position erfasst und die Konfiguration der Sensoren des Systems entsprechend energetisch optimiert. Um die Leistungsfähigkeit des Systems, insbesondere im Hinblick auf die Genauigkeit der Standortbestimmung zu untersuchen, wurde das System in einer umfangreichen Evaluation unter unterschiedlichen Infrastrukturbedingungen getestet; die Evaluation fand dabei in einem Bürokomplex bei laufendem Betrieb statt. Aus den Evaluationsergebnissen wurde eine optimale Konfiguration für das System abgeleitet, mit welcher eine Median-Genauigkeit von 2m erreicht wird, und bei deren Einsatz das System in 89 % der Fälle einen maximalen Fehler unter 5m liefert, d.h. einen Abstand, in dem ein menschlicher Nutzer leicht sein Ziel erkennen kann.

Typ des Eintrags: Masterarbeit
Erschienen: 2016
Autor(en): Dombois, Marcus
Titel: Entwicklung und Vergleich von hybriden Verfahren zur Ortsbestimmung innerhalb von Gebäuden
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Der Nutzung von Standortinformationen, sowohl zur Verbesserung des Benutzererlebnisses existierender Applikation als auch als Basis neuer Applikation, hat in den letzten Jahren verstärktes Interesse erfahren. Speziell seit der Vorstellung des Bluetooth-basierten Apple iBeacon-Systems zur Auslieferung von ortsabhängiger Werbung richtet sich dabei die Aufmerksamkeit auf die Standortbestimmung innerhalb von Gebäuden. Über den Konstruktionszweck hinaus ergeben sich hier vielfältige Anwendungsmöglichkeiten - großes Potenzial haben Standortinformationen dabei insbesondere für die Optimierung der unterschiedlichsten Prozesse im Bereich des Facility Managements. Neben Potentialen bei der Verbesserung gemeinsam genutzter Ressourcen, wie etwa Meetingräumen, zur Betriebszeit oder Navigationsunterstützung für ortsunkundige Geschäftspartner, könnten standortbasierte Systeme beispielsweise Handwerkern in der Konstruktionsphase oder Rettungskräften im Brandfall unterstützen. Häufig genutzt für die Konstruktion solcher Systeme werden vor allem die ohnehin vorhandene Infrastruktur zur drahtlosen Vernetzung (Wi-Fi) und die o.g. Bluetooth-Beacons. Naheliegend ist außerdem die Verwendung von Smartphones, welche mittlerweile standardmäßig über die beiden genannten sowie eine Vielzahl weiterer Sensoren verfügen. Bisher entwickelte Systeme zur Standortbestimmung in Gebäuden bieten jedoch häufig nur begrenzte Flexibilität durch festgelegte Sensoren und Berechnungsverfahren und sind durch hohe Wartungsaufwände in ihrer Skalierbarkeit eingeschränkt. Mit Blick auf einen dauerhaften und flächendeckenden Einsatz eines solchen Standortbestimmungssystems innerhalb eines Unternehmens zeigen sich bei existierenden Lösungen zudem oftmals Defizite im Bereich der Energieeffizienz. In dieser Arbeit wurde daher ein Smartphone basiertes System entwickelt, das die Idee verschiedener modularer Verarbeitungs-Pipelines nutzt, um eine flexible Architektur zu realisieren, die es erlaubt, die Verarbeitung von Sensordaten mit dem Zweck der Standortbestimmung leicht den Anforderungen der Umgebung entsprechend zu konfigurieren und bei Bedarf auch neue Sensoren oder Berechnungsverfahren in das System zu integrieren. Für dieses System wurden Module zur Unterstützung von Bluetooth, Wi-Fi und GPS-Sensoren sowie einer Vielzahl gängiger Verfahren zum Musterabgleich oder der Nachbarschaftsdetektion umgesetzt. Dabei wurde sowohl die Verarbeitung der Daten einzelner Sensoren untersucht und optimiert als auch ein Verfahren zur Fusionierung von Berechnungsergebnissen mehrerer Sensoren entwickelt. Darüber hinaus wird ein Ansatz vorgestellt, der mittels eines Bewegungszustandsgraphen die Benutzerbewegung und -Position erfasst und die Konfiguration der Sensoren des Systems entsprechend energetisch optimiert. Um die Leistungsfähigkeit des Systems, insbesondere im Hinblick auf die Genauigkeit der Standortbestimmung zu untersuchen, wurde das System in einer umfangreichen Evaluation unter unterschiedlichen Infrastrukturbedingungen getestet; die Evaluation fand dabei in einem Bürokomplex bei laufendem Betrieb statt. Aus den Evaluationsergebnissen wurde eine optimale Konfiguration für das System abgeleitet, mit welcher eine Median-Genauigkeit von 2m erreicht wird, und bei deren Einsatz das System in 89 % der Fälle einen maximalen Fehler unter 5m liefert, d.h. einen Abstand, in dem ein menschlicher Nutzer leicht sein Ziel erkennen kann.

Freie Schlagworte: Pipeline Architektur, Sensorfusionierung, Standorbestimmung in Gebäuden
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 20 Fachbereich Informatik
20 Fachbereich Informatik > Telekooperation
Hinterlegungsdatum: 18 Mai 2016 11:12
Zusätzliche Informationen:

Betreuer: Christian Meurisch

Schlagworte in weiteren Sprachen:
Einzelne SchlagworteSprache
indoor location tracking, pipeline architecture, sensor fusionEnglisch
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
The use of location information, both to improve the user experience of existing applications as well as the basis of new applications, has experienced increased interest in recent years. Especially since the introduction of the Bluetooth based Apple iBeacon system for delivery of location-based advertising, the attention lies on indoor positioning. Beyond the construction purpose this results in numerous options for applications - great potential for location information exists, in particular for the optimization of different processes in the field of facility management. In addition to potentials in improving shared resources such as meeting rooms in the operating time or navigation support for unfamiliar business partners, location-based systems could, for example, assist craftsmen in the construction phase or rescue teams in case of fire. Frequently used for the construction of such systems is mainly the already existing infrastructure for wireless networking (Wi-Fi) and the aforementioned Bluetooth beacons. The obvious addition is the use of smartphones, which have become standard with the two mentioned, as well as a variety of other sensors. Previously developed systems for indoor location determination often offer only limited flexibility by fixed sensors and method of calculation and are restricted by high maintenance efforts in their scalability. Facing a long-term and widespread use of such a positioning system within a company, existing solutions often show deficits in the field of energy efficiency. In this work, therefore, a smartphone-based system has been developed that uses the idea of different modular processing pipelines in order to realize a flexible architecture that allows to easily configure the processing of sensor data for the location positioning in accordance with the requirements of the environment and to add new sensors or calculation methods, if necessary, to the system. For this system modules to support Bluetooth, Wi-Fi and GPS sensors and a variety of popular methods for pattern matching or proximity detection were implemented. In this case, both, the calculation of the data processing of individual sensors has been studied and optimized, and a method for fusing a plurality of sensors has been developed. Moreover, an approach is presented which detects the user movement and position with the use of a user state graph and optimizes the configuration of the sensors of the system according to energy efficiency. To examine the performance of the system, particularly with regard to the accuracy of the location detection, the system was tested in a comprehensive evaluation under different infrastructure conditions. The evaluation took place in an office complex during operation. From the evaluation results an optimal configuration for the system has been derived, with which a median accuracy of 2m is achieved, and in respect of which the system provides in 89 % of cases a maximum error below 5m, i.e. a distance at which a human user can easily recognize his target.Keine Angabe
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