WO2016016577A1 - Procede de localisation d'un dispositif recepteur au moyen d'un reseau de dispositifs emetteurs radio autonomes du type beacon - Google Patents

Procede de localisation d'un dispositif recepteur au moyen d'un reseau de dispositifs emetteurs radio autonomes du type beacon Download PDF

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WO2016016577A1
WO2016016577A1 PCT/FR2015/052099 FR2015052099W WO2016016577A1 WO 2016016577 A1 WO2016016577 A1 WO 2016016577A1 FR 2015052099 W FR2015052099 W FR 2015052099W WO 2016016577 A1 WO2016016577 A1 WO 2016016577A1
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receiver device
network
radio transmitter
transmitter devices
beacon
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Patrick CHATANAY
Christophe VERDIER
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Ezee World
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/14—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W64/00—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management

Definitions

  • the present invention relates to a method for locating a receiving device by means of a network of beacon type autonomous radio transmitter devices.
  • beacons The technology of autonomous radio transmitter devices, commonly known as beacons. These devices use the BlueTooth® standard, including BlueTooth 4.0 or later, to communicate with appropriate receivers, particularly mobile radio receivers such as smartphones. Beacons are usually deployed in public spaces in large numbers, each beacon has its own configuration that makes it unique. These sets of beacons thus form networks of beacons, the combined signals of which could make it possible to implement functionalities other than those usually devolved on said beacons.
  • the documents US2013045759, US2013029685 and US2007247366 describe methods of geolocation of a mobile device that are not suitable for indoor geolocation, that is to say indoors, typically in a store.
  • This type of indoor location is complex due in particular to several constraints, such as radio reflections / removals and the lack of information centralization system or the absence of the presence of a network for connection to a remote infrastructure.
  • the object of the present invention is to provide a method for locating a receiving device by means of a network of beacon type autonomous radio transmitter devices which does not reproduce the aforementioned drawbacks. More particularly, the present invention aims to provide such a method which is simpler, more reliable and less expensive to implement compared to existing methods.
  • the present invention also aims to provide such a method that is perfectly secure by avoiding any malicious interaction from third parties.
  • the present invention therefore relates to a method for locating a receiving device by means of a network of autonomous radio transmitter devices without a network application stack, of the beacon type, said method comprising the following steps:
  • a receiving device such as a smartphone
  • said receiver device in said network of beacon type autonomous radio transmitter devices by remotely converting the power of the signals received by the receiver device from said plurality of beacon type autonomous radio transmitter devices, said step of converting using at least one filter, in particular of the Particle or Kalman filter or weighted average type, to take account of the environmental disturbances around said receiving device, said receiver device being geo-localized in a three-dimensional coordinate system by means of a trilateration algorithm, said trilateration algorithm being iterative .
  • the location of said receiver device is obtained by calculating the intersection of the emission spheres of said beacon type autonomous radio transmitter devices.
  • At least four autonomous radio transmitter devices of the beacon type are used.
  • FIG. 1 schematically represents the locating principle of the present invention according to an advantageous embodiment thereof
  • Figure 2 illustrates a variant of Figure 1.
  • a beacon type autonomous radio transmitter device comprises a small box carrying a radio component, which implements in particular the BlueTooth® 4.0 technology, as well as a microprocessor containing a software, typically a firmware or firmware.
  • a beacon emits a radio signal within a radius of 30 to 150 meters depending on the antenna technology used. This type of device has a low bandwidth, and has no network application stack allowing any type of peer-to-peer exchange.
  • the present invention makes it possible to locate a receiving device, such as a smartphone, in a 2 or 3-dimensional space and to precisely guide said mobile radio receiver device arranged in a beacon network (B1 -Bn).
  • a receiving device such as a smartphone
  • the receiving device may be in motion, in a closed environment with all the disturbances inherent to indoor radio transmissions, such as signal reflection / absorption and / or receiver movements.
  • the general principle resides in the conversion of the expression of the power of the beacon signals received by the remote receiver device.
  • the conversion process takes into account the hazards of the environment.
  • a processing of the power signal through at least one filter, in particular of the particle filter or Kalman filter type or weighted average for example, makes it possible to take into account the numerous environmental disturbances around the receiver device, which greatly influence the signals between the beacons and the receiver device.
  • the invention uses a series of particle filters, to take account of environmental disturbances around said device receiver, added to a use of accelerometric sensors, gyroscopic and / or magnetic commonly present on the smartphone, in order to achieve an inertial sensor type fusion unit.
  • the iterative combination of these uses makes it possible to obtain a more stable positioning by depolluting the RSSi of rebounds and absorptions inherent in an indoor use.
  • Figure 1 illustrates a method according to an advantageous embodiment of the invention.
  • the receiving device is able to accurately know the distance that separates it from each of the beacons that surround it.
  • a specific algorithm advantageously a trilateration algorithm, preferably an iterative trilateration algorithm, makes it possible to geo-locate the receiver device in a three-dimensional reference frame.
  • a minimum of four beacons is desirable for performing the positioning calculations.
  • the principle of the invention is advantageously based on the calculation of the intersection of the beacon emission spheres.
  • the linear least squares method is advantageously applied to allow to acquire a first estimate of position.
  • the non-linear least squares method allows to refine this position in a circle with an accuracy of 1, 5 m around the actual position of the receiver device.
  • the number of beacons is not limited, but positively influences the accuracy of the result of calculating the position of the receiver.
  • the implementation lies in the deployment of a field or network of beacons.
  • a minimum of four beacons is deployed in an indoor area.
  • Each beacon must not be distant from its neighbor by more than half of its theoretical scope.
  • Method 1 - Deployment on a map Each deployed beacon is precisely positioned in space on known coordinates. The distances between the beacons are therefore exact and known in advance.
  • the iterative trilateration method described above makes it possible to position the receiver in the plane.
  • a calibration process allows, via a radio receiver, to determine the position of beacons relative to each other with a relative accuracy dependent on the signal power conversion filter in meters that is used.
  • the beacon network in this context is self-discovered, and blind mapping is available.
  • Figure 2 illustrates this variant embodiment.
  • Beacons are deployed in a closed space.
  • the receiving device performs zone acquisition, moving within the beacon network.
  • Each zone must have at least two beacons in range of the receiving device.
  • This method performs a finger print of the area in which the receiving device is located, storing all the beacons in range and performing a calculation on the average power received. This storage is stored and reused by the receiving device to perform the guidance by zone.
  • the iterative method of the invention can thus comprise in combination:
  • the method of the invention thus based on the iterative application, in a process of continuous optimization, of the position of the carrier by successively using all the techniques described to improve over the iterations the assumed position of the smartphone holder .

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Abstract

Procédé de localisation d'un dispositif récepteur au moyen d'un réseau de dispositifs émetteurs radio autonomes dépourvus de pile applicative réseau, du type beacon, ledit procédé comportant les étapes suivantes: - fournir un dispositif récepteur, tel qu'un smartphone, - fournir un réseau de plusieurs dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon (B1), - localiser ledit dispositif récepteur dans ledit réseau de dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon (B1) en convertissant en distance la puissance des signaux reçus par le dispositif récepteur desdits plusieurs dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon (B1), - ladite étape de convertir utilisant au moins un filtre, notamment du type Filtre a Particule ou Kalman ou moyenne pondérée, pour tenir compte des perturbations environnementales autour dudit dispositif récepteur, ledit dispositif récepteur étant géo-localisé dans un repère en trois dimensions au moyen d'un algorithme de trilatération, ledit algorithme de trilatération étant itératif.

Description

Procédé de localisation d'un dispositif récepteur au moyen d'un réseau de dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon
La présente invention concerne un procédé de localisation d'un dispositif récepteur au moyen d'un réseau de dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon.
La technologie des dispositifs émetteurs radios autonomes, communément appelés beacons, est connue. Ces dispositifs utilisent la norme BlueTooth®, et notamment la version BlueTooth 4.0 ou ultérieure, pour communiquer avec des récepteurs appropriés, en particulier des récepteurs radio mobiles tels que des téléphones intelligents ("smartphones"). Les beacons sont généralement déployés dans des espaces publics en très grand nombre, chaque beacon disposant de sa propre configuration qui le rend unique. Ces ensembles de beacons forment donc des réseaux de beacons, dont les signaux combinés pourraient permettre de mettre en œuvre des fonctionnalités autres que celles habituellement dévolues auxdits beacons.
Les documents US2013045759, US2013029685 et US2007247366 décrivent des procédés de géolocalisation d'un dispositif mobile qui ne sont pas adaptés à une géolocalisation indoor, c'est-à-dire en intérieur, typiquement dans un magasin. Ce type de localisation indoor est complexe en raison notamment de plusieurs contraintes, telles que les réflexions/absorptions radio et l'absence de système de centralisation d'information ou l'absence de la présence de réseau permettant une connexion a une infrastructure distante.
La présente invention a pour but de fournir un procédé de localisation d'un dispositif récepteur au moyen d'un réseau de dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon qui ne reproduit pas les inconvénients susmentionnés. Plus particulièrement, la présente invention a pour but de fournir un tel procédé qui soit plus simple, plus fiable et moins coûteux à mettre en œuvre par rapport aux procédés existants.
La présente invention a aussi pour but de fournir un tel procédé qui soit parfaitement sécurisé en évitant toute interaction malveillante de la part de tiers.
La présente invention a donc pour objet un procédé de localisation d'un dispositif récepteur au moyen d'un réseau de dispositifs émetteurs radio autonomes dépourvus de pile applicative réseau, du type beacon, ledit procédé comportant les étapes suivantes:
- fournir un dispositif récepteur, tel qu'un smartphone,
- fournir un réseau de plusieurs dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon,
- localiser ledit dispositif récepteur dans ledit réseau de dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon en convertissant en distance la puissance des signaux reçus par le dispositif récepteur desdits plusieurs dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon, ladite étape de convertir utilisant au moins un filtre, notamment du type Filtre a Particule ou Kalman ou moyenne pondérée, pour tenir compte des perturbations environnementales autour dudit dispositif récepteur, ledit dispositif récepteur étant géo-localisé dans un repère en trois dimensions au moyen d'un algorithme de trilatération, ledit algorithme de trilatération étant itératif.
Avantageusement, la localisation dudit dispositif récepteur est obtenue par calcul de l'intersection des sphères d'émission desdits dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon.
Avantageusement, au moins quatre dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon sont utilisés.
Ces avantages et caractéristiques et d'autres de la présente invention apparaîtront plus clairement au cours de la description détaillée suivante, faite en référence aux dessins joints, donnés à titre d'exemples non limitatifs, sur lesquels - La figure 1 représente de manière schématique le principe de localisation de la présente invention selon un mode de réalisation avantageux de celle-ci, et
- La figure 2 illustre une variante de la figure 1 .
De manière connue, un dispositif émetteur radio autonome du type beacon comporte un petit boîtier embarquant un composant radio, qui implémente en particulier la technologie BlueTooth® 4.0, ainsi qu'un microprocesseur contenant un logiciel, typiquement un micrologiciel ou firmware.
Un beacon émet un signal radio dans un rayon de 30 à 150 mètres selon la technologie d'antenne utilisée. Ce type de dispositif comporte une faible bande passante, et ne dispose d'aucune pile applicative réseau permettant un quelconque échange de type peer-to-peer.
La présente invention permet le localiser un dispositif récepteur, tel qu'un smartphone, dans un espace à 2 ou 3 dimensions et de guider précisément ledit dispositif récepteur radio mobile disposé dans un réseau de beacons (B1 -Bn).
Le dispositif récepteur peut être en mouvement, dans un environnement clôt avec toutes les perturbations inhérentes aux transmissions radios indoor, telles que la réflexion/absorption des signaux et/ou les déplacements du récepteur.
Principes:
Le principe général réside dans la conversion de l'expression de la puissance des signaux des beacons reçus par le dispositif récepteur en distance. Le procédé de conversion tient compte des aléas de l'environnement. Un traitement du signal de puissance au travers d'au moins un filtre, notamment du type Filtre à Particule ou Kalman ou moyenne pondérée par exemple, permet de tenir compte des nombreuses perturbations environnementales autour du dispositif récepteur, qui influent grandement sur les signaux entre les beacons et le dispositif récepteur.
En particulier, l'invention utilise une série de filtres à particule, pour tenir compte des perturbations environnementales autour dudit dispositif récepteur, ajoutée à une utilisation des capteurs accélérométriques, gyroscopique et/ou magnétique communément présents sur les smartphone, afin de réaliser une centrale inertielle type fusion de capteur. La combinaison itérative de ces usages permet d'obtenir un positionnement plus stable par la dépollution du RSSi des rebonds et absorptions inhérents à un usage indoor.
La figure 1 illustre un procédé selon un mode de réalisation avantageux de l'invention.
Procédé:
Le dispositif récepteur est capable avec précision de connaître la distance qui le sépare de chacun des beacons qui l'entourent.
Un algorithme spécifique, avantageusement un algorithme de trilatération, de préférence un algorithme de trilatération itératif, permet de géo-localiser le dispositif récepteur dans un repère en trois dimensions.
Un minimum de quatre beacons est souhaitable pour effectuer les calculs de positionnement.
Le principe de l'invention repose avantageusement sur le calcul de l'intersection des sphères d'émission des beacons.
Le procédé linéaire des moindres carrés est avantageusement appliqué pour permettre d'acquérir une première estimation de position.
Puis le procédé non-linéaire des moindres carrés permet d'affiner cette position dans un cercle d'une précision de 1 ,5 m autour de la position réelle du dispositif récepteur.
Le nombre de beacons n'est pas limité, mais influence positivement la précision du résultat de calcul de la position du récepteur.
Mise en œuyre:
La mise en œuvre réside dans le déploiement d'un champ ou réseau de beacons. De préférence, un minimum de quatre beacons est déployé dans une zone couverte (indoor). Chaque beacon ne doit pas être distant de son voisin de plus de la moitié de sa portée théorique.
Méthode 1 - Déploiement sur une cartographie: Chaque beacon déployé est précisément positionné dans l'espace sur des coordonnées connues. Les distances entre les beacons sont donc exactes et connues à l'avance.
Le procédé de trilatération itérative décrit plus haut permet de positionner le récepteur dans le plan.
Méthode 2 - Auto-découverte:
Un processus de calibration permet, via un récepteur radio, de déterminer la position des beacons les uns par rapport aux autres avec une précision relative dépendante du filtre de conversion de puissance du signal en mètres qui est utilisé.
Le réseau de beacons dans ce contexte est auto-découvert, et une cartographie aveugle est donc disponible. La figure 2 illustre cette variante de réalisation.
Méthode 3 - Apprentissage par zone:
Des beacons sont déployés dans un espace clôt.
Le dispositif récepteur effectue une acquisition par zone, en se déplaçant au sein du réseau de beacons.
Chaque zone doit comporter au moins deux beacons à portée du dispositif récepteur.
Ce procédé effectue une mémorisation d'empreinte (finger print) de la zone dans laquelle se trouve le dispositif récepteur, en mémorisant tous les beacons à portée et en effectuant un calcul sur la puissance moyenne reçue. Cette mémorisation est stockée puis réutilisée par le dispositif récepteur pour effectuer le guidage par zone.
Le procédé itératif de l'invention peut ainsi comprendre en combinaison :
- l'utilisation de filtres simple de conversion RSSi distance :
RSSi[bBm] = -(10 * n * log(d) - A), d = 10 - (RSSI[bBm]-A / 10 * n)
- l'utilisation d'un filtre impliquant du bruit gaussien (type Box Muller),
- l'utilisation d'un algorithme standard de trilatération itérative,
- l'utilisation de la technique dite de « fusion des capteurs » afin de réaliser une centrale inertielle sur le smartphone capable de corriger les déplacement relatifs du porteur et d'implémenter un algorithme de navigation à l'estime (ou Dead Recokning) depuis la dernière position calculée par les procédés cité plus haut, et
- l'utilisation des capteurs internes du smartphone pour compter le nombre de pas du porteur, en se basant sur les formules suivantes :
Accélération: r = x2 + y2 + z2
Moyenne mobile exponentielle: t > 1 , St = a . Yt + (1 - a) . St--1
Le procédé de l'invention de base donc sur l'application itérative, dans un processus d'optimisation continue, de la position du porteur en utilisant successivement l'ensemble des techniques décrites pour améliorer au fil des itérations la position supposée du porteur de smartphone.
Bien que la présente invention ait été décrite en référence à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est entendu qu'un homme du métier peut y apporter toutes modifications utiles, sans sortir du cadre de la présente invention tel que défini par les revendications annexées.

Claims

Revendications
1 . - Procédé de localisation d'un dispositif récepteur au moyen d'un réseau de dispositifs émetteurs radio autonomes dépourvus de pile applicative réseau, du type beacon, caractérisé en ce que ledit procédé comporte les étapes suivantes:
- fournir un dispositif récepteur, tel qu'un smartphone,
- fournir un réseau de plusieurs dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon (B1 ),
- localiser ledit dispositif récepteur dans ledit réseau de dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon (B1 ) en convertissant en distance la puissance des signaux reçus par le dispositif récepteur desdits plusieurs dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon (B1 ),
- ladite étape de convertir utilisant au moins un filtre, notamment du type Filtre a Particule ou Kalman ou moyenne pondérée, pour tenir compte des perturbations environnementales autour dudit dispositif récepteur, ledit dispositif récepteur étant géo-localisé dans un repère en trois dimensions au moyen d'un algorithme de trilatération, ledit algorithme de trilatération étant itératif.
2. - Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la localisation dudit dispositif récepteur est obtenue par calcul de l'intersection des sphères d'émission desdits dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon (B1 ).
3. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel au moins quatre dispositifs émetteurs radio autonomes du type beacon (B1 ) sont utilisés.
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