IPS(屋内測位システム)

倉庫における IPS (屋内測位システム) 
倉庫における IPS (屋内測位システム) 

 GPS が使えない工場や倉庫、病院等の屋内施設で、人やモノの位置を測定するシステムは、屋内測位システム ― Indoor Positioning System(IPS)あるいは Asset Tracking System 等と呼ばれます。IPSには WiFiや地磁気を利用するものなどいくつか種類がありますが、当社の IPS は Bluetooth Low Energy(BLE)に基づく iBeacon を使用したシステムです。

 

 当社の IPS は三点測位の原理を使用しています。通常、三点測位では発信機が発する信号を複数の受信機で受信し、そのデータに含まれる  RSSI(Received Signal Strength Indicator)により iBeacon と受信機間の距離を算出、さらにその距離と受信機の位置座標を基に送信機の位置座標を算出します。

 しかし、iBeacon(BLE) の電波は 2.4GHz帯を使用しており、同帯域を使用するWiFi など他の電波の干渉を受けやすく、また壁などの障害物の反射による多重波伝播(multipath propagation)の影響を受けるため、 RSSI の値が歪められます。このため算出した座標に誤差が発生しますが、この誤差は環境により大きく変わります。

 

 つまり、IPS の導入に際しては、運用を予定する環境で必要な測位精度が得られるのか否かについて、予め検証を行う必要があります。この事前検証を行わずに導入や開発に着手してしまうと、期待した精度の位置情報が得られず、プロジェクトが失敗する可能性が高くなります。

 

 当社では、IPSの導入を検討中の企業、あるいはすでに導入済みで必要な位置精度が得られていないという企業向けに、当方のIPSプロトタイプを使用した後述の 測位精度調査サービス を提供いたします。

TPC IPS

 TPC IPS は iBeacon を人やモノに取り付け、測位を行うエリアに予め配置した複数の受信機(Raspberry Pi)により iBeacon の信号を受信することにより、 の位置を算出します。

 原理的には、3つの受信機が受信した iBeacon の信号の強度(RSSI)から端末と iBeacon 間の距離を算出して、三点測位により iBeacon の位置を計算します。

 

 しかし、前述のように RSSIとそれから算出される距離の精度は低くなります。
 補正処理を施しても、図のような「理想」的に3円が交差するような状況は少なく、「現実」のような状況が多々発生します。3円が交差しない状況では、伝統的な三点測位は破綻してしまいます。
 

二円指向三点測位のイメージ図    
二円指向三点測位のイメージ図    

 そこで当社では伝統的な三点測位が破綻する図のような状況であっても、測位を可能とする二円指向三点測位(TCOT)による IPS(プロトタイプ)を構築しました。

 

 TCOTの詳細、その測定のテスト結果に関しては、こちらのブログ記事を参照してください。

FetchB と TCOT

 TPC IPS は、端末管理を行い、端末にビーコンスキャンを実行をさせる FetchB と、FetchB によりデータベースに記録されたビーコン情報を抽出、二円指向三点測位に基づく座標計算を行い、各ビーコンの座標を出力あるいはプロットする TCOT の2つのモジュールから構成されます。


 以下の動画では FetchB のビーコンスキャン機能を紹介します。本機能は多数の Raspberry Pi 端末にビーコンスキャンを実行させ、受信したビーコンデータをデータベースに記録します。

 

 

 以下の動画では TPC IPS の TCOTモジュールについて解説します。

測位精度について

 IPS を評価する際に測位精度は重要な要素となります。

 測位精度を「実際のビーコンの位置座標と測定されたビーコンの位置座標の差」とした場合、TPC IPS の測位精度は以下の通りです。

ロケーターを4m×4m間隔で配置した場合:約2.6m

ロケーターを8m×8m間隔で配置した場合:約3.8m
ロケーターを16m×16m間隔で配置した場合:約7.0m

注:

・ロケータが正方形を成すように配置し、且つ正方形の中心にもう1つロケータを置いた場合。

 

 上記の誤差を許容する要求仕様であれば、TPC IPSの利用をご検討ください。

 

※ 測位精度のテスト結果は下記で公開しています。

iBeacon/Raspberry Pi による室内移動体位置監視モデル 3 ~ 二円指向三点測位の拡張(TCOT)と測定結果 ~

AoA/AoDによる測位精度の向上について

Bluetooth Direction Finding ― A Technical Overview by Bluetooth SIG
Bluetooth Direction Finding ― A Technical Overview by Bluetooth SIG

 AoA(Angle of Arrival)/AoD(Angle of Departure) は、ビーコンなどの送信機がある"方向"を検知する機能です。

 Bluetooth 5.1 は AoA/AoD に対応し、これにより1m以下の精度で位置測位が可能になると期待されています。

 図は AoA の方向検知の方法を示しています。 ロケータに設置/接続された2つ以上のアンテナがビーコン信号を受信し、アンテナ間の距離と位相差、波長により、ロケータからみたビーコンの方向(角度)を算出します。正確な角度がわかれば、距離のみに依存した単純な三点測位に比べて、高い精度でビーコンの位置座標が算出できます。

 2020年5月現在、Bluetooth 5.1 対応の SoC を搭載したロケータや送信機(ビーコン)は"主要"ベンダーからはリリースされていませんが、当社では AoA/AoD による方向探知と TCOT を統合することにより、測位精度を上げるべく研究・開発を進めています。

 

注:
フィンランドの Quuppa社は Bluetooth 5.1 の仕様策定(2019年初頭)の何年も前から AoA を採用したIPS(RTLS)独自技術で製品化しており、高精度測位に定評があります。 高速で移動するアイスホッケーの選手の動きをQuuppa の RTLSによりトラックする動画も公開されています。 

測位精度調査サービスと業務依頼について

 土屋企画では上述の TPC IPS による 測位精度調査サービス(有償)を以下の要領で提供しております。

 

 実際に TPC IPS を評価頂いた上で、システム開発や業務提携に向けた次のステップに移らせて頂きたいと考えております。

 

  • 本サービスでは運用を予定する場所・建物にお伺いし、TPC IPS(室内位置情報システム)により位置測位を行います。
  • iBeacon や受信機(Raspberry Pi)、PC等のシステム一式は当社にて用意します。
  • 調査当日は、iBeacon(数十台)とRaspberry Pi (9~十数台)を御社指定場所に右図のように配置してスキャンを実行。得られたスキャンデータを当社が開発した IPS により展開し、ブラウザ上に各ビーコンの測定位置、実際位置、誤差、端末⇔ビーコン間距離などを表示します。

 本サービスに関する詳細や見積については、こちらよりお問い合わせください。
2020年5月現在、緊急事態宣言により本サービスの提供は休止しております。宣言解除後、適時再開の予定です。