NavAge Tematický okruh: Personální navigace a lokalizace. Doc. Ing. Ji í Chod, CSc., Ing.Ji í Svoboda, Pavel Mach, Miroslav Šafránek
Systémy GNSS a lokalizace polohy nevidomého
Globální družicové naviga ní systémy GNSS nachází uplatn ní ve velkém množství civilních i vojenských aplikací, v dalším se zam íme pouze na „civilní“ aplikace. V sou asné dob je GNSS již de facto standardem u dopravních záležitostí a relativn zna n propracované systémy jsou již b žnou sou ástí dodávky st edních a vyšších t íd automobil . Podobná situace je v p ístrojích na bázi PDA a masivnímu nástupu aplikací v mobilních telefonech brání prakticky jenom (zatímní) vyšší cenová relace. P ijíma GPS, a již jednoú elový „handheld“ nebo vestav ný do mobilního telefonu, PDA apod., po ítá s tím, že ho uživatel bude ovládat pomocí klávesnice a bude íst na jeho displeji. V neposlední ad se p edpokládá, že je zajišt na viditelnost dostate ného po tu družic. To znamená, že auta se pohybují na silnicích s obvykle posta ujícím „výhledem“ na oblohu, v p ípad „osobních“ p ístroj v tšinou lze na základ pozorování okolního terénu, zástavby apod. o ekávanou kvalitu p íjmu odhadnout a posoudit poté p ímo na display a zm nou polohy docílit žádoucí p esnosti lokalizace. Existují velké skupiny potenciálních uživatel pro které by lokalizace polohy byla zna ným p ínosem, ale sou asné technologie dostupné na trhu neumož ují jejich využívání. Typickou takovou skupinu p edstavují nevidomí. Ti velmi asto ztrácí orientaci ve známém prost edí, o p ípadech zbloud ní p i p esunu mimo známou trasu nemluv . Je až p ekvapivé, jak asto je pomoc nevidomým pot ebná. asto však není v dosahu osoba, která by ji poskytla. Cíle projektu: Cíl projektu je umožnit nevidomým prostorovou orientaci ve známém i neznámém prost edí s tím, že základní etapy realizace projektu budou využívat lidské interakce operátora „ ídícího centra“ s cílem postupného p ebírání komunikace sofistikovaným expertním systémem. P edem je nutné konstatovat, že s ohledem na možné d sledky chybné navigace je v dohledné ( ádov 5-7 let) budoucnosti „lidská supervize“ nezbytná. Budoucnost potom ukáže jak dalece bude možno celý systém doplnit, ale již nyní je z ejmé, že záležitost není tak triviální jak se jeví, nebo nevidomý se obvykle orientuje i za pomoci sluchu a rušivá hlášení automatického navád ní p edstavují zna nou zát ž. Tento problém ešila katedra telekomunika ní techniky VUT FEL v Praze spolu se Sjednocenou organizací nevidomých a slabozrakých R (SONS) jako jeden z program RDC (Research & Development Center – sdružení VUT, Oskar, Ericsson). Existuje ada variantních možností jak ešit cíl zadání s tím, že s ohledem na stávající stav technologie, stav mapových podklad , lidský faktor (podmínkou nesmí být vysoká kvalifikace v oboru, ale naopak co nejmenší závislost na znalosti technologie), velikost cílové skupiny a v neposlední ad finan ní nákladnost ešení není ješt as na ešení zcela specializovaná pro ur itou cílovou skupinu, a proto byly výchozí podmínky zadání nastaveny následn : - propojení veškerých díl jednotky nesené nevidomým musí být zásadn kabelem
-
p ijíma e GPS a ostatní prvky jednotky (radio modem, ídící procesor, pam ti, baterie atd.) by m ly vycházet ze standardizovaných ešení dostupných na sv tovém trhu, požadované úpravy dané specifiky úkolu musí být modulové a co nejmenší. Jen tak lze totiž zabezpe it pokra ování innosti služby i p i zm n technologie, typu naviga ního systému GNSS, zm n systému spojení atd.
-
mapové podklady musí být standardní, dostupné na trhu avšak pokud možno doplnitelné další vrstvou se specifickými objekty zájmové skupiny.
Cílem projektu proto bylo nejprve nalezení vhodného HW a SW, resp. návrh úprav standardních systém tak, aby je mohli používat i nevidomí. Zvolená koncepce je realizována jednotkou, nesenou nevidomým, tvo enou p ijíma em GPS, modemem GSM/CSD/GPRS a ídicím mikroprocesorovým modulem s pam tí pro ukládání dat. K systému pat í ídicí st edisko dohledu disponující náležitou komunika ní technikou a p íslušnými mapovými podklady. Spojení se st ediskem dohledu je možné jak p ímo, tak nep ímo s využitím Internetu, v obou p ípadech lze volit bu komunikaci s p epojováním okruh a nebo p epojováním paket . Poloha, ur ená p ijíma em GPS, je p edána do centra, zobrazena na map a nevidomý je zp tn (operátorem) hlasov informován o poloze a p ípadn „veden“ k cílové pozici. V pr b hu úvodní fáze byla testována ada p ijíma GPS, radio modem a komer ních mapových podklad a nakonec jako základ ešení byla zvolena jednotka VTU 008 firmy MapFactor s tím, že byla na ní uskute n na ada HW i SW úprav které – krom jiného – mají za úkol zabezpe it ovládání nevidomým, povolení/zakázání p enos dat do vnit ní pam ti a nebo do nad azeného centra atd. V neposlední ad byly provedeny rozsáhlé testy vhodnosti p enosu dat pomocí GSM (2G – 2.75G) a to jak CSD p enos p i p epojování okruh , tak využití paketov orientované služby GPRS. Jako výsledné p ijíma e GPS byly použity standardní 20 ti kanálové p ijíma e NAVPILOT II a FORTUNA (osazení SirfStar III). Blokové schéma ešení ukazuje obr.1, pohledy na jednotku a p ijíma pak obr.2, obr.3 a obr.4. GSM modem m
GPS jednotka
Lokaliza ní centrum
Server
TCP/IP komunikace
Obr. 1.: Blokové schéma lokalizace polohy nevidomého
Obr. 2: Upravená jednotka VTU
Obr. 3: Upravená jednotka VTU – komplet s p ijíma em GPS
Obr. 4 P ijíma e GPS NAVPILOT II a FORTUNA použité p i testech. Základní technické parametry jednotky: Jednotka má 4 základní funkce: ukládání historie, (1s min., 280 000 záznam ). Ukládá se datum, as, poloha, okamžitá rychlost a vzdálenost od zapnutí jednotky odpov na dotaz o aktuální poloze, sledování polohy v reálném ase, Dále lze naprogramovat zaslání SMS zprávy nap . p i odpojení p ijíma e GPS, opušt ní definované oblasti atd. Software je ur en pro WIN 95/98, ME, NT, 2000 a XP.
GPS p ijíma : 20 ti kanálový paralelní p ijíma L1/CA kód SirfStar III Update: 1Hz P esnost: 10 m Studený start: 42s pr m rn Teplý start: 38s pr m rn Horký start: 1s pr m rn Komunika ní port: RS-232 Napájení: 10~35V DC 120 mA / 12V Odb r proudu pr m rn : Odb r proudu ve sleep modu: 20 mA / 12V Interní baterie: provoz 6-8 hod. bez externího napájení (dle po tu m ení) Senzor pohybu: Ano Flash pam : 280 000 záznam GSM dvou pásmový modem: 900/1800 MHz GSM Data: až 14.4 kbps GPRS: t ída 8 Digitální vstupy (chrán né): 2 Digitální výstup (chrán ný): 1 Provozní teplota: -20 °C až 65 °C Vlhkost vzduchu: Do 95% nekondenzující 90 x 63 x 30 mm Rozm ry: Váha: 130 g Tab. 1.: Technická specifikace jednotky VTU V pr b hu roku 2005 byla uskute n na rozsáhlá m ení v reálném provozu, zpo átku pomocí vidících figurant , ale po prov ení základních možností a úprav následovala první etapa p ti týdenních test s nevidomými a slabozrakými z organizace SONS. Vzhledem k tomu, že výsledky p ed ily o ekávání, bylo zabezpe eno dalších 5 jednotek (zde se op t poda ilo uskute nit ást úprav plynoucích z p edchozích test ) a celý komplet byl p edán SONS k test m (na 5-6 týdn ) ovšem tentokráte zcela v režii a osazení SONS. Cílem bylo zjistit nedostatky aby mohla být v budoucnu zahájena další etapa – výstavba skute ného centra lokalizace zajiš ující již provoz pro nevidomé. P edpokládaný po et nasazených jednotek je zpo átku v desítkách a pak ve stovkách. To již klade ovšem jiné nároky na finan ní a organiza ní zabezpe ení a bude p edm tem zcela samostatné etapy. Poznatky z testovací fáze: Reálná dosažitelná hodnota p esnosti lokalizace je až 2,5m. Oba výsledné typy p ijíma vykázaly dobré výsledky i v nep íznivých podmínkách, zejména p i použití p ijíma GPS s osazením Sirf Star 3 je po et výpadk ur ení polohy relativn malý (viz dále), ale hlavním problémem je p íjem a vyhodnocení odraz signálu od budov. Základním problémem je samoz ejm viditelnost družic, ale stejné problémy p edstavují i další poznatky z test : -
vliv odraz od jiných budov
-
osazení antény p ijíma e
-
doba latence sít
-
mapové podklady
Pohybuje – li se ídící jednotka v b žném provozu na chodníku a je – li viditelnost alespo na 3 družice, dostáváme lokalizaci polohy prakticky totožnou s b žným zobrazením jak je známe z provozu nap íklad vozidlových jednotek. P íklady jsou uvedeny na obr. 5 a obr. 6. Na obr. 6 jsou zárove dob e viditelné výpadky m ení zp sobené v tomto p ípad pohybem uvnit budovy.
Obr. 5: P íklad záznamu ve vnit ní Praze
Obr. 6: P íklad záznamu ve vnit ní Praze
Problém odraz je dob e viditelný na obr. 7. Tady je zdánliv m ení (zelená trasa) korektní avšak skute ná pozice je ozna ena erven a je tedy z ejmé, že zobrazená trasa je inverzní. Tato ukázka poskytuje dobrou p edstavu o vlivu okolní zástavby. Tento problém je v sou asné dob v intenzivním ešení (SW), ale výsledky budou moci být uvedeny až po testech další etapy. Navigace byla testována i v dalších lokalitách (viz obr. 8 až obr. 12), ale nejobtížn jší podmínky z hlediska zástavby p edstavují stále velké m stské aglomerace jako je Praha se svojí bu starou zástavbou s úzkými uli kami a nebo naopak vysokými objekty nové zástavby. Na konferenci budou proto nejzajímav jší ukázky promítnuty ze záznamu.
Obr. 7: P íklad záznamu ve vnit ní Praze (vliv odraz )
Obr. 8: P íklad záznamu Praha
Obr. 9: P íklad záznamu v Praze (korektní)
Obr. 10: P íklad záznamu v Praze – mapové podklady
Obr. 11: P íklad záznamu Litom ice (korektní)
Obr. 12: P íklad záznamu Litom ice – mapové podklady
Zna ný vliv na p íjem v t chto podmínkách má ve stávajících technologiích osazení a orientace antény p ijíma e GPS. Sou asná provedení striktn vyžadují vodorovné osazení s p ímým výhledem na oblohu a to bez zakrytí nap . od vem. P i nedodržení podmínek klesá rychle dosažitelná p esnost (o ád) a p ípadn je p íjem zcela znemožn n. Obvyklé osazení bylo proto na rameni na nosném popruhu batohu nebo p ímo suchým zipem na od vu. Tato zdánlivá mali kost však je v praxi zdrojem nejen technických, ale i psychických problém které je nutno ešit v budoucnosti, zejména pak p i budoucím osazení kamery – viz dále. Vliv použité technologie p enosu je z hlediska navigace velmi znatelný – p i p enosech CSD (p epojování okruh ) je latence sít (cca 1 s) znateln menší než p i technologii GPRS (2 – 3 s). D sledkem je v n kterých p ípadech ztížené navád ní nevidomého v reálném ase, a proto je nezbytné ponechat v jednotce modem schopný provozu v obou režimech. Obecn se ale stávající systém 2 – 2.75 G mobilních technologií (GSM) ukázal jako vyhovující, a proto p echod na 3G není v sou asné dob nezbytný i když je nutno konstatovat, že z hlediska p enosu obrazu (kamera) by další generace poskytla nezanedbatelné výhody. Stávající pokrytí 3G však efektivní nasazení neumož uje. Poslední, ale velmi podstatný problém p edstavuje stav dostupných mapových podklad – v tšina jich je orientována na automobilní navigaci a nemá zakresleny chodníky, parky atd., tedy objekty z hlediska navigace nevidomého vysoce podstatné. Dobrý p íklad poskytují obr. 10 a obr.12. ešení p edstavuje uvoln ní vojenských map, áste né ešení
p edstavuje implementace rastrových map (které ast ji požadované informace obsahují) ovšem za cenu všech nevýhod vyvolaných nedostupností vektorov orientované mapy.
Budoucnost projektu: Sou asné, pom rn rozsáhlé, testy ukázaly sm r dalšího rozvoje. Ten bude v oblasti HW zam en zejména na Zvyšování citlivosti p ijíma (technologie SuperSense) Zabudování gyroskopických senzor Konstruk ní zm ny umož ující : - vým nu baterie - kontrolu (zvukovou) stavu nabití baterie - nouzovou signalizaci (tla ítko NOUZE) - využití technologie push to talk (?) Dopln ní systému kamerou (kamera nemá sloužit pro p echody komunikací atd., ale pro up esn ní prostoru p ed nevidomým, resp. pro detailn jší navedení V oblasti SW je vývoj sm rován zejména na: Vývoj mapy ve spolupráci ze SONS. Jedná se o specifikace objekt d ležité z pohledu nevidomého, nikoli o návrh samotné mapy! Koordinace sou adnic p i ztrát signálu (filtrace) Relativní posun sou adnic v map SW na úrovni GPS dat – algoritmus pro odraz signálu od objekt Zobrazení a p enos obrazu z kamery Vývoj program pro dohledové centrum (vytvo ení fronty, zabezpe ení p evzetí žadatele).
Záv r. Uskute n né testy a zkušební provoz jednozna n ukazují, že lokalizace polohy m že rozší it prostor pro nevidomé zásadním zp sobem. Výsledná aplikace se jeví jako spole ensky i lidsky velmi pot ebná a významným zp sobem uleh í postavení nevidomého. P estože budoucí systémy (Galileo) umožní podstatn jednoduší a p esn jší navigaci než systém stávající GPS, není d vod pro pot ebné skupiny ponechat bez možnosti lokalizace polohy a tím snížit jejich vyhlídky v každodenním život . Z tohoto hlediska se jeví jako pot ebné zavedení systému do opera ního použití s tím, že budoucí vývoj bude plynule navazovat na systém stávající. Pro rychlé nasazení i budoucí rozvoj bude ú elné využití jak grant R, tak EU, a proto se bude projekt o n ucházet.
