Verfahren zur Selbstkalibrierung von Lokalisationssystemen basierend auf drahtlosen Sensornetzen

Diplomarbeit von R. A.

Einleitung:

Die Fortschritte der letzten Jahre in der Elektronik und drahtlosen Kommunikation haben die Entwicklung von Netzwerken, bestehend aus kleinen, billigen und energieeffizienten Sensorknoten ermöglicht. Ein Sensorknoten kann Eigenschaften der Umgebung, wie z.B. die Temperatur, wahrnehmen, Daten verarbeiten und mit anderen Sensorknoten kommunizieren, typischerweise über einen Funkkanal. Drahtlose Sensornetzwerke (engl. wireless sensor networks (WSN)) können Aufgaben in den verschiedensten Bereichen übernehmen, und es werden immer neue Einsatzorte gefunden. Einige Beispiele, in denen WSN eingesetzt werden:

Die Überwachung der Wasserqualität durch Proben ist arbeitsintensiv und kann deshalb nur lokal erfolgen. WSNs können große Gebiete überwachen und schneller vor Gefahren warnen.

Katastrophen-Erkennung: Waldbrände und Wasserfluten können früher erkannt und präziser lokalisiert werden, wenn gefährdete Gebiete mit WSNs überwacht werden.

Die Ortung von Waren, Fahrzeugen und Personen kann die Verwaltung von Lagern erleichtern.

Sowohl das Forschungs- als auch das kommerzielle Interesse an WSNs ist in den letzten Jahren exponentiell gestiegen. Das Magazin Technology Review bezeichnete im Jahr 2003 drahtlose Sensornetzwerke als eine von ‘10 emerging technologies that will change the world’. Obige Beispiele machen aber deutlich, dass Sensordaten häufig erst in Verbindung mit einer Orts- und Zeitangabe zu gebrauchen sind. Die Position eines Sensorknoten kann sowohl statisch als auch mobil sein. Während mobile Knoten fortlaufend lokalisiert werden müssen, können Knoten mit statischen Positionen einmalig nach der Installation vermessen werden. Das händische Ermitteln der Positionen für alle statischen Anker ist allerdings sehr aufwendig und nur mit entsprechendem Equipment genau. Um die Dauer der Installationsphase zu verkürzen, wurden bereits mehrere Verfahren zur Selbstkalibrierung untersucht.

Capkun et al. haben in ein Verfahren vorgestellt, das auf der Messung von Distanzen zwischen den statischen Knoten basiert. Die Knoten erzeugen lokale Koordinatensysteme, aus denen anschließend ein globales Koordinatensystem für das WSN erzeugt wird. In vielen WSN, insbesondere in SNoW Bat, kann die Distanz zwischen zwei statischen Knoten ohne Anpassung der Hardware aber nicht bestimmt werden.

Für die Lokalisation von Sensorknoten in Freiluft haben Sichitiu and Ramadurai ein GPS-basiertes Verfahren vorgestellt. Statt jeden Knoten mit einem teuren GPS-Empfänger auszustatten, wurde nur ein mobiler Knoten mit GPS eingesetzt. Die Positionen der statischen Knoten wurde durch die Distanz zwischen den statischen und dem mobilen Knoten und der mobilen Position ermittelt. GPS-basierte Verfahren eignen sich aufgrund des schlechten Empfangs aber nicht für den Einsatz in Räumen. Des Weiteren ist die erreichte Lokalisationsgenauigkeit von 1-2 m unzureichend genau.

Eine höhere Genauigkeit (0,35 m) erzielten Moses et al., durch den Einsatz von Sensoren, die sowohl die time-of-arrival (TOA) als auch die direction-of-arrival (DOA) messen konnten. Auch die DOA kann in den meisten WSNs nicht ohne Veränderung der Hardware gemessen werden.

Menegatti et al. haben die Einsatzmöglichkeiten von WSNs in Verbindung mit AMRs (engl. Autonomous Mobile Robots) untersucht. In haben sie die Selbstkalibrierung eines WSN mit einem AMR vorgestellt, der seine Position mit Hilfe von zwei Odometer an den Antriebsrädern bestimmen kann.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Selbstkalibrierungsverfahrens für drahtlose Sensornetze, das lediglich auf kleinen, kostengünstigen und energieeffizienten Sensorknoten basiert. Die statischen Knoten sind mit einem Ultraschallempfänger, die mobilen Knoten mit einem Ultraschallsender ausgestattet. Statische als auch mobile Knoten besitzen einen Funk-Transceiver zur Kommunikation.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	5
2.	SNoW Bat: Ein 3D Lokalisationssystem	7
2.1	SNoW Bat	7
2.2	HashSlot	8
2.3	Lokalisationsalgorithmen	9
2.3.1	Trilateration und Multilateration	9
2.3.2	IVoted3D	11
2.3.3	Vergleich der Lokalisationsverfahren	14
2.4	Distanzfilterung	15
3.	Selbstkalibrierungsverfahren	18
3.1	Das Explorer-Verfahren	18
3.1.1	Der Algorithmus	19
3.1.2	Lokalisierung des mobilen Knotens	20
3.1.3	Kalibrierung der Anker	23
3.2	Das Include-Exclude-Verfahren	30
3.2.1	Schritt 1: Einschränkung von Am durch Inklusion	30
3.2.2	Schritt 2: Einschränkung von Am durch Exklusion	31
3.2.3	Schritt 3: Einschränkung der Ankergebiete Aai durch Exklusion	34
3.2.4	Implementierung und Umgang mit fehlerbehafteten Distanzen	34
3.2.5	Voraussetzungen für eine erfolgreiche Einschränkung der Gebiete	39
3.3	Das Distribute & Erase-Verfahren	47
3.3.1	Der Algorithmus	47
3.3.2	Lokalisationsalgorithmen	50
3.3.3	Konsistente Ankeranordnung und match-Vorgang	53
3.3.4	Bewertung der Lokalisationen	56
3.3.5	Verbesserung der Lokalisationsgenauigkeit	60
3.3.6	Adaptive Kalibrierung	70
4.	Ergebnisse	74
4.1	Kalibrierungs- und Lokalisationsgenauigkeit	75
4.2	Vor- und Nachteile der Selbstkalibrierungsverfahren	79
5.	Zusammenfassung und Ausblick	84
	Literaturverzeichnis	86
	Abbildungsverzeichnis	88
	Tabellenverzeichnis	90

Textprobe:

Kapitel 2.2, HashSlot:

Würden alle Anker, die sowohl das Funkpaket als auch das Ultraschallsignal empfangen haben, sofort nach der Berechnung der Distanz beginnen, diese zu senden, würden sich die Funkpakete der sendenden Anker gegenseitig stören. Ein mögliches Verfahren, das die Wahrscheinlichkeit für Paketkollisionen von verschiedenen Sendern auf dem gleichen Kanal verringert, ist CSMA/CA (engl. carrier sense multiple access/collision avoidance). CSMA/CA ist weit verbreitet in der drahtlosen Kommunikation, zum Beispiel eingesetzt in der IEEE-Norm IEEE 802.11, bringt jedoch einige Nachteile für WSNs mit sich. Beispielsweise können Kollisionen nur verringert, nicht ausgeschlossen werden, und es kann keine feste Zeitspanne für den Empfang aller Distanzen angegeben werden. Die benötigte Quittierung (ACK) verzögert außerdem die komplette Kommunikation und verbraucht Energie.

Aus diesem Grund setzt SNoW Bat das TDMA Protokoll (engl. time division multiple access) HashSlot ein. Jeder beteiligte Anker bekommt einen exklusiven Übertragungs-Slot zugewiesen, weshalb HashSlot kollisionsfrei ist. Die Slot-Nummer kann jeder Anker anhand seiner Position autonom berechnen. Voraussetzung für die Verwendung von HashSlot ist, dass die Anker in einem Gitter angeordnet sind. Eine präzise Positionierung der Anker ist allerdings nicht nötig, jeder Anker muss sich lediglich in der richtigen Gitterzelle befinden.