Метод позиционирования мобильного устройства с использованием сенсорной сети BLE-маяков, аппроксимации значений уровней сигналов RSSI и искусственных нейронных сетей
Автор: Астафьев Александр Владимирович, Титов Дмитрий Витальевич, Жизняков Аркадий Львович, Демидов Антон Александрович
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Численные методы и анализ данных
Статья в выпуске: 2 т.45, 2021 года.
Бесплатный доступ
В работе рассматривается разработка метода позиционирования мобильного устройства с использованием сенсорной сети BLE-маяков, аппроксимации значений уровней сигналов RSSI и искусственных нейронных сетей. Целью работы является разработка метода позиционирования средств малой механизации на промышленных предприятиях для построения систем безлюдного контроля движения изделий. Работа разделена на четыре основные части: синтез данных, фильтрация сигнала, выбор BLE-маяков, перевод значений уровней сигналов RSSI в расстояние и мультилатерация. Предложен упрощенный фильтр Калмана для фильтрации входного сигнала для подавления гаусовского шума. Приведено описание двух подходов к переводу уровня сигнала RSSI в расстояние: экспоненциальная функция аппроксимации с коэффициентом детерминации 0,6994 и искусственная нейронная сеть прямого распространения. Сравнение результатов работы этих подходов производилось на нескольких тестовых выборках: обучающей, тестовой на известном расстоянии (0 - 50 метров) и тестовой на неизвестном расстоянии (60 - 100 метров). В результате искусственная нейронная сеть показала лучший результат во всех экспериментах, кроме тестовой выборки на известном расстоянии (0 - 50 метров), уступив функции аппроксимации на 0,02 м2 среднеквадратичной ошибки, чем можно пренебречь. Предложен алгоритм позиционирования мобильного устройства на основе метода мультилатерации. Экспериментальные исследования разработанного метода показали, что ошибка позиционирования не превышает 0,9 метра в контролируемом помещении размером 5 × 5,5 метров. Точность позиционирования мобильного устройства с использованием предлагаемого метода в проведенном эксперименте выше на 40,9 %. Также проведены экспериментальные исследования в помещении 58,4 × 4,5 м, показавшие более точные результаты по сравнению с аналогичными исследованиями.
Позиционирование внутри помещений, bluetooth low energy, фильтр калмана, аппроксимация, искусственная нейронная сеть
Короткий адрес: https://sciup.org/140257386
IDR: 140257386 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-826
A method for mobile device positioning using a sensor network of BLE beacons, approximation of the RSSI value and artificial neural networks
The paper considers the development of a method for positioning a mobile device using a sensor network of BLE-beacons, the approximation of RSSI values and artificial neural networks. The aim of the work is to develop a method for positioning small-scale industrial mechanization equipment for building unmanned systems for product movement tracking. The work is divided into four main parts: data synthesis, signal filtering, selection of BLE beacons, translation of the RSSI values into a distance, and multilateration. A simplified Kalman filter is proposed for filtering the input signal to suppress Gaussian noise. A description of two approaches to translating the RSSI value into a distance is given: an exponential approximation function with a coefficient of determination of 0.6994 and an artificial feedforward neural network. A comparison of the results of these approaches is carried out on several test samples: a training one, a test sample at a known distance (0 - 50 meters) and a test sample at an unknown distance (60 - 100 meters). The artificial neural network is shown to perform better in all experiments, except for the test sample at a known distance (0 - 50 meters), for which the r.m.s. error is higher by 0.02 m2 than that for the approximation function, which can be neglected. An algorithm for positioning a mobile device based on the multilateration method is proposed. Experimental studies of the developed method have shown that the positioning error does not exceed 0.9 meters in a 5×5.5-m room under monitoring. The positioning accuracy of a mobile device using the proposed method in the experiment is 40.9 % higher. Experimental studies are also conducted in a 58.4×4.5 m room, showing more accurate results compared to similar studies.
Список литературы Метод позиционирования мобильного устройства с использованием сенсорной сети BLE-маяков, аппроксимации значений уровней сигналов RSSI и искусственных нейронных сетей
- Orlov, A.A. Methods and algorithms of automated two-stage visual recognition of metal-rolling billets / A.A. Orlov, A.V. Provotorov, A.V. Astafev // Automation and Remote Control. - 2016. - Vol. 77, Issue 6. - P. 10991105. - DOI: 10.1134/S000511791606014X.
- Smith, K Beyond GSM-R: the future of railway radio [Electronical Resource] / K. Smith // International Railway Journal. - 2017. - URL: http://www.railjournal.com/index.php/ telecoms/bey ond-gsm-r-the-future-of-railway-radio.html (request date 9.08.2018).
- Sneps-Sneppe, M. Digital railway and the transition from the GSM-R network to the LTE-R and 5G-R-whether it takes place? [Electronical Resource] / M. Sneps-Sneppe, [et al.] // International Journal of Open Information Technologies. - 2017. - Vol. 5, Issue 1. - P. 71-80. - URL: http://injoit.ru/index.php/j1/article/view/379 (request date 9.08.2018).
- Suleyman, N. Comparision of field measurement data with propagation models, and modification of COST 231-Hata and Cost 231-Walfisch-Ikegami propagation models for UMTS2100 mobile network in Ashgabat, Koshi / N. Suleyman. - In: Digitalization and industry 4.0: Economic and societal development / ed. by H.C. Brauweiler, V. Kurchenkov, S. Abilov, B. Zirkler. - Wiesbaden: Springer Gabler, 2020. - DOI: 10.1007/978-3-658-27110-7_6.
- Laassiri, F. Handover and QoS parameters a performance assessment on 3G based SDN / F. Laassiri, M. Moughit, N. Idboufker. - In: ICT for an inclusive world / ed. by Y. Baghdadi, A. Harfouche, M. Musso. - Cham: Springer, 2020. - DOI: 10.1007/978-3-030-34269-2_9.
- Kien, N.T. Displacement monitoring using GPS at an unstable steep slope and the performance of a new low-cost GPS sensor / N.T. Kien, S. Nakashima, N. Shimizu. - In: Geotechnics for sustainable infrastructure development / ed. by P. Duc Long, N. Dung. - Singapore: Springer, 2020.
- Nakashima, S. Accuracy enhancement of GPS displacements measured on a large steep slope and results of long-term continuous monitoring / S. Nakashima, Y. Furuyama, Y. Hayashi, T.K. Nguyen, N. Shimizu, S. Hirokawa // Journal of the Japan Landslide Society. - 2018. - Vol. 55, Issue 1. - P. 13-24.
- Mendon^a, M. Assessment of a GNSS/INS/Wi-Fi tight-integration method using support vector machine and extended Kalman filter / M. Mendonja, M.C. Santos. - In: International association of geodesy symposia. - Berlin, Heidelberg: Springer, 2020. - P. 1-7. - DOI: 10.1007/1345_2020_120.
- He, K A method to correct the raw Doppler observations for GNSS velocity determination / K. He, T. Xu, C. Forste, Z. Wang, Q. Zhao, Y. Wei. - In: International association of geodesy symposia. - Berlin, Heidelberg: Springer, 2020. -DOI: 10.1007/1345_2020_119.
- Vana, S. Enhancing navigation in difficult environments with low-cost, dual-frequency GNSS PPP and MEMS IMU / S. Vana, S. Bisnath. - In: International association of geodesy symposia. - Berlin, Heidelberg: Springer, 2020. -DOI: 10.1007/1345_2020_118.
- Ali, R Deep reinforcement learning paradigm for dense wireless networks in smart cities / R. Ali, Y.B. Zikria, B.S. Kim, S.W. Kim. - In: Smart cities performability, cognition, & security. EAI/Springer innovations in communication and computing / ed. by F. Al-Turjman. - Cham: Springer, 2020. - DOI: 10.1007/978-3-030-14718-1_3.
- Ali, R. Channel observation-based scaled backoff mechanism for high-efficiency WLANs / R. Ali, N. Shahin, Y. Kim, B. Kim, S.W. Kim // Electronics Letters. - 2018. -Vol. 54, Issue 10. - P. 663-665.
- Sun, M. Application of bluetooth low energy beacons and fog computing for smarter environments in emerging economies / M. Sun, K.M. Kamoto, Q. Liu, X. Liu, L. Qi. - In: Cloud computing, smart grid and innovative frontiers in telecommunications / ed. by X. Zhang, G. Liu, M. Qiu, W. Xiang, T. Huang. - Cham: Springer, 2020. - P. 101-110. - DOI: 10.1007/978-3-030-48513-9_8.
- Nagarajan, B. Localization and indoor navigation for visually impaired using bluetooth low energy / B. Nagarajan, V. Shanmugam, V. Ananthanarayanan, S.P. Bagavathi. - In: Smart systems and IoT: Innovations in computing / ed. by A. Somani, R. Shekhawat, A. Mundra, S. Srivastava, V. Verma. - Singapore: Springer, 2020. - P. 249-259. -DOI: 10.1007/978-981-13-8406-6_25.
- Encyclopedia of GIS / ed. by S. Shekhar, H. Xiong, X. Zhou. - Cham: Springer, 2008.
- RF positioning: Fundamentals, applications and tools / R.S. Campos, L. Lovisolo. - Boston, London: Artech House, 2015.
- Kriz, P. Improving indoor localization using bluetooth low energy beacons / P. Kriz, F. Maly, T. Kozel // Mobile Information Systems. - 2016. - Vol. 2016. - 2083094. - DOI: 10.1155/2016/2083094.
- Zafari, F. A survey of indoor localization systems and technologies / F. Zafari, A. Gkelias, K.K. Leung // IEEE Communications Surveys and Tutorials. - 2019. - Vol. 21, Issue 3. - P. 2568-2599.
- Astafiev, A.V. Development of indoor positioning algorithm based on Bluetooth Low Energy beacons for building RTLS-systems / A.V. Astafiev, A.L. Zhiznyakov, D.G. Privezentsev // 2019 International Russian Automation Conference (RusAutoCon 2019). - 2019. - 8867751. -DOI: 10.1109/RUSAUTOCON.2019.8867751.
- Программа обнаружения радиомаяков на основе технологии Bluetooth Low Energy / Астафьев А.В., Демидов А.А., Привезенцев Д.Г., Шардин Т.О.; свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019661059. Зарегистрирована 19.08.2019.
- Wen, L. Coordinate-based clustering method for indoor fingerprinting localization in dense cluttered environments / L. Wen, F. Xiao, D. Zhongliang // Sensors. - 2016. -Vol. 16, Issue 12. - 2055.
- Liu, W. A calibrated-RSSI/PDR/Map integrated system based on a novel particle filter for indoor navigation / W. Liu, J. Li, Z. Deng, X. Fu, Q. Cheng // 2019 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN). - 2019. - P. 1-8.
- Koo, B. PDR/fingerprinting fusion indoor location tracking using RSSI recovery and clustering / B. Koo, S. Lee, M. Lee, [et al.] // 2014 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN). - 2014. - P. 699-704.
- Wang, J.J. A novel indoor ranging algorithm based on received signal strength and channel state information / J.J. Wang, J.G. Hwang, J.G. Park // 2019 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN). - 2019. - P. 32-39.
