Kỹ thuật định vị trong nhà (Indoor) độ chính xac cao với Ultra Wideband (UWB)

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) đã được ứng dụng trong rất nhiều phần mềm và thiết bị. Các thiết bị không dây như điện thoại thông minh đã được cài đặt sẵn tính năng định vị toàn cầu GPS như một phần không thể thiếu. Độ chính xác của GPS khi sử dụng ở môi trường ngoài trời (outdoor) là rất cao, tuy nhiên, hệ thống định vị toàn cầu GPS không thể cho một kết quả chính xác khi thiết bị ở trong môi trường trong nhà (indoor). Đặc biệt là các môi trường trong các toà nhà lớn như cao ốc, viện bảo tàng, trung tâm thương mại. Định vị trong nhà đã trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu được quan tâm nhiều trong những năm trở lại đây và đã có những hệ thống được thương mại hoá.

Việc định vị thiết bị trong môi trường trong nhà có thể mang lại lợi ích ở nhiều trường hợp khác nhau như theo dõi vị trí của bệnh nhân trong bệnh viện hoặc giúp người tiêu dùng tìm vị trí của cửa hàng trong trung tâm thương mại… Tuy nhiên, chưa có một giải pháp hoàn hảo cũng như chưa có một chuẩn chung cho việc định vị trong nhà. Nhiều giải pháp khác nhau đã được sử dụng trong các hệ thống định vị trong nhà, mỗi hệ thống trong số chúng phù hợp với các môi trường khác nhau với công nghệ và chi phí khác nhau, tuy nhiên, các hệ thống định vị trong nhà hiện có chung đặc điểm là thường yêu cầu chi phí rất cao để cài đặt cơ sở hạ tầng và triển khai các thiết bị làm tham chiếu.

Nhằm mục đích giải quyết nhược điểm của GPS trong việc định vị trong nhà (indoor) thì hôm nay mình sẽ giới thiệu với các bạn 1 công nghệ mới đó là Băng siêu rộng (Ultra Wideband – UWB). Ngoài ra các bạn cũng có thể tìm hiểu thêm về định vị trong nhà sử dụng Wi-Fi, bluetooth,…độ chính xác cũng tương đối hơn so với GPS.

 

Ultra Wideband là gì

Ultra Wideband hay UWB là một giao thức truyền thông không dây, tầm ngắn như Bluetooth hoặc Wi-Fi sử dụng sóng vô tuyến. Nhưng UWB khác ở chỗ hoạt động ở tần số rất cao, nó sử dụng một dải phổ rộng vài GHz (từ 3.1 tới 10.6 GHz).. Có thể hình dung về Ultra Wideband như một radar có thể liên tục quét toàn bộ căn phòng và khóa chính xác vào một vật thể như chùm tia laze để khám phá vị trí của vật thể và truyền dữ liệu.

 Công nghệ UWB được phát triển từ những năm 1960, trong các hệ thống thông tin quân sự. UWB đôi khi còn được gọi là vô tuyến không sóng mang, vô tuyến dạng xung, vô tuyến xung kim, hoặc vô tuyến băng gốc do sử dụng phương pháp phát trực tiếp các xung rất hẹp.

Ultra Widebank

Hiện tại mục đích chính của nó là định vị vị trí và phạm vi thiết bị. Mặc dù cả Wi-Fi và Bluetooth (BLE) đều đã được sửa đổi để cho phép xác định vị trí các thiết bị khác và kết nối chính xác, nhưng Ultra Wideband chính xác hơn, sử dụng ít năng lượng hơn và khi sản xuất chip UWB tăng lên thì giá của nó cũng sẽ thấp hơn.

Với UWB, chúng ta có thể đo lường được thời gian mà tín hiệu di chuyển từ bộ truyền tới bộ nhận, từ đó tính toán được khoảng cách chính xác cao tới cm. Với phương pháp này cho phép thông tin khoảng cách chính xác và chất lượng cao hơn so với các phương pháp dựa trên độ mạnh tín hiệu. Các ứng dụng có thể nhận được dữ liệu chính xác cao (sai số nhỏ hơn 20 cm) và vị trí được cập nhật mỗi 100 ms nếu cần thiết, như các ứng dụng đáp ứng cao.

 

Tại sao lại là UWB bùng nổ gần đây 

Các ngành công nghiệp lớn đã sử dụng UWB để định vị trí robots và truyền các dữ liệu cảm biến trong các kho tự động hoàn toàn vài năm trước. Giải pháp UWB có lịch sử giá thành rất mắc và chỉ có những ứng dụng trong các ngành công nghiệp quy mô lớn và quân đội được sử dụng. Cuối năm 2015, chúng ta có cơ hội tạo ra hệ thống định vị chính xác cao với giá thành vừa phải và bắt đầu tích hợp các dịch vụ định vị dựa trên UWB vào các ứng dụng. Và bây giờ điều đó khả thi hơn khi mà giá các giải pháp UWB đã xuống khi mà công ty Decawave đã bắt đầu bán có chip UWB giá rẻ mà có thể dễ dàng tích hợp vào các thiết bị điện tử. Chip có khả năng truyền các gói UWB và đo lường thời gian truyền của tín hiệu tới picoseconds. Với khả năng này, nó trở thành khả thi khi phát triển các thuật toán và phương pháp định vị dựa trên Time of Flight (ToF) và Time Difference of Arrival (TDoA).

So sánh giữa các công nghệ định vị trong nhà (indoor)

 

Các thuật toán định vị

Các thuật toán định vị là các phương pháp tính toán nhằm xác định vị trí của đối tượng trong hệ quy chiếu cho trước. Từ các giá trị thuộc tính tín hiệu thu được, hệ thống định vị sử dụng thuật toán định vị để tính toán ra vị trí chính xác của đối tượng dưới dạng các toạ độ. Khi giá trị của các thuộc tính tín hiệu này thay đổi, như khi khoảng cách giữ đối tượng đến điểm tham chiếu thay đổi hoặc khi cường độ tín hiệu mà đối tượng nhận được thay đổi, hệ thống định vị sẽ tiến hành tính toán lại toạ độ của đối tượng. Có nhiều thuật toán định vị khác nhau cho các độ chính xác khác nhau khi xác định vị trí của đối tượng. Độ chính xác của kết quả phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của các giá trị thuộc tính tín hiệu. Bên cạnh đó, mỗi thuật toán định vị có điểm mạnh và điểm yếu riêng, vậy nên việc kết hợp các thuật toán với nhau trong các bài toán cụ thể có thể cải thiện độ chính xác của kết quả đáng kể. Nhiều thuật toán định vị khác nhau đã được phát triển, trong đó chủ yếu các thuật toán xoay quanh các phương pháp định vị sử dụng phép đạc 3 cạnh (Triangulation hoặc Trilateration), định vị sử dụng tiệm cận hoặc phân tích ngoại cảnh (scene analysis) / lấy dấu (fingerprinting).

Phép đo 3 cạnh (Trilateration) là phương pháp định vị được biết đến rất rộng rãi và cũng được sử dụng trong hệ thống định vị toàn cầu GPS. Phép đo 3 cạnh cũng sử dụng các tính chất hình học của hình tam giác để ước tính vị trí của một đối tượng. Tuy nhiên, các phép đo khoảng cách liên quan đến ba điểm tham chiếu đã biết được sử dụng để xác định vị trí bằng cách tính độ suy giảm của tín hiệu truyền đi. Độ chính xác của thuật toán định vị này phụ thuộc rất lớn vào tín hiệu nhận được và các điều kiện môi trường. Nếu trong môi trường có nhiều yếu tố gây nhiễu và làm suy giảm tín hiệu, thuật toán này có thể đưa ra kết quả rất thiếu chính xác. Phép đo 3 cạnh thực chất là việc tính khoảng cách giữa thiết bị với 3 điểm tham chiếu đã biết. Sau khi có tính được các khoảng cách này, việc xác định vị trí của thiết bị suy biến về bài toán tìm giao điểm của 3 đường tròn với tâm và bán kính đã biết.


Phép đo 3 cạnh xác định vị trí

Ở phép đo này, ngoài Tag (đối tượng) cần tracking vị trí thì sẽ cần ít nhất 3 trạm (station) cố định, các trạm này sẽ lắp cố định trước, biết trước khoảng cách giữa các trạm, vị trí các trạm,…. Khi ta sử dụng công nghệ truyền thu sóng của module UWB và dựa vào các phép toán chuyển đổi để tính được khoảng cách từ Tag đến các trạm (r1, r2, r3). Có được ít nhất 3 khoảng cách này sẽ xác định được vị trí của Tag (thông qua các phép tính toán).

Wi-Fi là công nghệ được sử dụng nhiều nhất với phép đo 3 cạnh. Bằng việc cài đặt nhiều điểm truy cập và kết nối với thiết bị, có thể dễ dàng xác định được vị trí của thiết bị trong không gian. Công nghệ BLE cũng có thể được sử dụng trong trường hợp này.

 

Một số module UWB phổ biến hiện nay

Module DWM1000

 Giá module này dao động tầm 400-700k vnd (tùy nơi bạn mua, tùy loại).

Module MAX2001

 Loại này trên thị trường sẽ có nhiều model tùy loại anten của nó: anten pcb, anten râu hoặc anten chip SMD,…Và mỗi loại anten đó thì công suất cũng như khoảng cách thu phát của module sẽ khác nhau, từ vài chục mét cho đến hàng trăm mét.

 Giá của loại module này khá cao, tầm 900k-1.200k. Do loại này khoảng cách thu phát xa hơn so với DWM1000 nên giá cao vậy.

Bảng so sánh các thông số giữa module DWM1000 và MAX2001

 

Kết luận

Trên đây là bài chia sẻ của mình về công nghệ UWB, và sau khi đọc xong bài viết của mình thì chắc có lẽ nhiều bạn sẽ nắm được 1 số thông tin của 1 loại công nghệ mới trong việc định vị vị trí trong nhà có độ chính xác tương đối cao (sai số 10-20cm), hoặc bạn cũng có thể biết được 1 số module UWB có trên thị trường hiện nay. Biết đâu xong bài này, các bạn lên mạng search tìm mua về vọc thì sao, có phải quá hay và hấp dẫn không nào. Và một này nào đó, khi bạn gặp 1 dự án hoặc ai đó hỏi về giải pháp định vị trong nhà tối ưu mà không phải là GPS thì đây có lẻ là 1 lựa chọn sáng suốt cho giải pháp của bạn.

Trong ngữ cảnh phát triển của phần mềm thương mại, các hệ thống định vị trong nhà có độ tin cậy cao, chi phí phát triển và triển khai thấp vẫn là mục tiêu được nhiều nghiên cứu hướng đến và có thể là UWB.

Nguồn: tổng hợp internet

Tấn Lĩnh – Wiki