Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Система позиционирования - это механизм определения положения объекта в пространстве . [1] Существуют различные технологии для решения этой задачи: от всемирного покрытия с точностью до метра до покрытия рабочего пространства с точностью до миллиметра.

Покрытие [ править ]

Межпланетные системы [ править ]

Системы межпланетной радиосвязи не только связываются с космическими кораблями, но и используются для определения их местоположения. Радар может отслеживать цели вблизи Земли, но космический корабль в глубоком космосе должен иметь на борту работающий транспондер для отражения радиосигнала. Информацию об ориентации можно получить с помощью звездных трекеров .

Глобальные системы [ править ]

Основная статья: Глобальная навигационная спутниковая система

Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) позволяют специализированным радиоприемникам определять свое трехмерное положение в пространстве, а также время с точностью до 2–20 метров или десятков наносекунд. В настоящее время развернутые системы используют микроволновые сигналы, которые можно надежно принимать только вне помещений и которые покрывают большую часть поверхности Земли, а также околоземное пространство.

Существующие и планируемые системы:

Региональные системы [ править ]

Сети наземных передатчиков позиционирования позволяют специализированным радиоприемникам определять свое двухмерное положение на поверхности Земли. Как правило, они менее точны, чем GNSS, потому что их сигналы не ограничиваются полностью прямой видимостью и имеют только региональное покрытие. Однако они остаются полезными для специальных целей и в качестве резервной копии, где их сигналы принимаются более надежно, в том числе под землей и внутри помещений, и могут быть построены приемники, потребляющие очень мало энергии батареи. ЛОРАН - такая система.

Локальные системы[ редактировать ]

Система локального позиционирования ( LPS ) - это навигационная система, которая предоставляет информацию о местоположении в любую погоду, в любом месте зоны покрытия сети, где есть беспрепятственная прямая видимость для трех или более сигнальных маяков, точное положение которых известно. . [2] [3] [4] [5]

В отличие от GPS или других глобальных навигационных спутниковых систем , локальные системы позиционирования не обеспечивают глобального покрытия. Вместо этого они используют (набор) маяков, которые имеют ограниченный диапазон, следовательно, требуют, чтобы пользователь находился рядом с ними. К маякам относятся базовые станции сотовой связи , точки доступа Wi-Fi и LiFi , а также вышки радиовещания .

В прошлом LPS дальнего действия использовались для навигации кораблей и самолетов. Примерами являются система Decca Navigator и LORAN . В настоящее время локальные системы позиционирования часто используются в качестве дополнительной (а в некоторых случаях альтернативной) технологии позиционирования по отношению к GPS, особенно в районах, где GPS не работает или работает плохо, например, внутри зданий или городских каньонов . Локальное позиционирование с использованием вышек сотовой связи и вещания можно использовать на сотовых телефонах, не имеющих приемника GPS. Даже если в телефоне есть GPS-приемник, срок службы батареи будет увеличен, если точность определения местоположения вышки сотовой связи будет достаточной. Они также используются в безрельсовых аттракционах, таких как Hunny Hunt Пуха иМистическая усадьба .

Примеры существующих систем включают

  • Locata Corporation
  • Псевдолит

Внутренние системы [ править ]

Основная статья: Система позиционирования в помещении

Системы позиционирования внутри помещений оптимизированы для использования в отдельных комнатах, зданиях или строительных площадках. Обычно они имеют сантиметровую точность. Некоторые предоставляют 6-мерную информацию о местоположении и ориентации.

Примеры существующих систем включают

  • Активная летучая мышь

Системы рабочих мест [ править ]

Они предназначены для работы только в ограниченном рабочем пространстве, обычно в несколько кубических метров, но могут обеспечивать точность в миллиметровом диапазоне или выше. Обычно они обеспечивают 6-мерное положение и ориентацию. Примеры приложений включают среды виртуальной реальности , инструменты выравнивания для компьютерной хирургии или радиологии, а также кинематографию ( захват движения , перемещение спичек ).

Примеры: Wii Remote с сенсорной планкой, Polhemus Tracker, решения для точного отслеживания движения InterSense. [6]

Высокая производительность [ править ]

Высокопроизводительная система позиционирования используется в производственных процессах для плавного и точного перемещения объекта (инструмента или детали) с шестью степенями свободы по желаемой траектории, в желаемой ориентации, с высоким ускорением , высоким замедлением , высокой скоростью и малым временем установления . Он разработан, чтобы быстро останавливать свое движение и точно помещать движущийся объект в желаемое конечное положение и ориентацию с минимальным дрожанием.

Примеры: высокоскоростные станки , лазерное сканирование , соединение проводов , проверка печатных плат , лабораторная автоматизация анализа, имитаторы полета.

Технологии [ править ]

Существует множество технологий для определения положения и ориентации объекта или человека в комнате, здании или в мире.

Акустическое позиционирование [ править ]

Основная статья: Акустическое позиционирование

Время полета [ править ]

Системы времени пролета определяют расстояние, измеряя время распространения импульсных сигналов между передатчиком и приемником. Когда известны расстояния по крайней мере трех местоположений, четвертое положение может быть определено с помощью трилатерации . Глобальная система позиционирования является примером.

Оптические трекеры, такие как лазерные дальномеры, страдают от проблем с прямой видимостью, а на их работу отрицательно влияет окружающий свет и инфракрасное излучение. С другой стороны, они не страдают от эффектов искажения в присутствии металлов и могут иметь высокую частоту обновления из-за скорости света. [7]

Ультразвуковые трекеры имеют более ограниченный диапазон из-за потери энергии с пройденным расстоянием. Также они чувствительны к окружающему ультразвуковому шуму и имеют низкую частоту обновления. Но главное преимущество в том, что им не нужна прямая видимость.

Системы, использующие радиоволны, такие как Глобальная навигационная спутниковая система , не страдают от окружающего света, но по-прежнему нуждаются в прямой видимости.

Пространственное сканирование [ править ]

Система пространственного сканирования использует (оптические) маяки и датчики. Можно выделить две категории:

  • Системы наизнанку, в которых маяк размещается в фиксированном положении в окружающей среде, а датчик - на объекте [8]
  • Снаружи в системах, где маяки находятся на цели, а датчики находятся в фиксированном положении в окружающей среде.

Направив датчик на маяк, можно измерить угол между ними. С помощью триангуляции можно определить положение объекта.

Инерционное зондирование [ править ]

Основное преимущество инерциального зондирования является то , что она не требует внешней ссылки. Вместо этого он измеряет вращение с помощью гироскопа или положение с помощью акселерометра относительно известного исходного положения и ориентации. Поскольку эти системы измеряют относительные положения, а не абсолютные, они могут страдать от накопленных ошибок и, следовательно, подвержены дрейфу. Периодическая повторная калибровка системы обеспечит большую точность.

Механическая связь [ править ]

Этот тип системы слежения использует механические связи между эталоном и целью. Были использованы два типа связей. Один из них представляет собой сборку механических частей, каждая из которых может вращаться, что дает пользователю несколько возможностей вращения. Ориентация рычагов рассчитывается из различных углов рычагов, измеренных с помощью инкрементальных энкодеров или потенциометров. Другие типы механических соединений - это проволока, свернутая в бухты. Пружинная система обеспечивает натяжение проводов для точного измерения расстояния. Степени свободы, воспринимаемые трекерами с механической связью, зависят от строения механической конструкции трекера. Хотя чаще всего обеспечивается шесть степеней свободы, обычно возможен только ограниченный диапазон движений из-за кинематики шарниров и длины каждого звена.Кроме того, вес и деформация конструкции увеличиваются с удалением цели от эталона и накладывают ограничение на рабочий объем.[9]

Разница фаз [ править ]

Разность фаз системы измеряют сдвиг фазы входящего сигнала от излучателя на движущейся мишени по сравнению с фазой входящего сигнала от эталонного излучателя. С его помощью можно рассчитать относительное движение излучателя относительно приемника. Подобно инерционным чувствительным системам, системы разности фаз могут страдать от накопленных ошибок и, следовательно, подвержены дрейфу, но поскольку фаза может измеряться непрерывно, они могут генерировать высокие скорости передачи данных. Омега (система навигации) является примером.

Прямое зондирование поля [ править ]

Системы измерения прямого поля используют известное поле для определения ориентации или положения: простой компас использует магнитное поле Земли, чтобы узнать ее ориентацию в двух направлениях. [9] Инклинометр использует гравитационное поле Земли , чтобы знать свою ориентацию в оставшееся третьем направлении. Однако поле, используемое для позиционирования, не обязательно должно происходить от природы. Система из трех электромагнитов, расположенных перпендикулярно друг другу, может определять пространственную привязку. На приемнике три датчика измеряют составляющие потока поля, полученные в результате магнитной связи.. На основе этих мер система определяет положение и ориентацию приемника по отношению к эталону излучателей.

Оптические системы [ править ]

Системы оптического позиционирования основаны на оптических компонентах, например, в тахеометрах . [10]

Магнитное позиционирование [ править ]

Этот раздел представляет собой отрывок из книги « Магнитное позиционирование» [ править ]

Магнитное позиционирование - это решение IPS ( система позиционирования в помещении ), которое использует аномалии магнитного поля, типичные для помещений, за счет их использования в качестве отличительных подписей для распознавания места. Первое упоминание о позиционировании, основанном на магнитных аномалиях, можно проследить до военных применений в 1970 году. [11] Вместо этого впервые было заявлено об использовании аномалий магнитного поля для определения местоположения внутри помещений в статьях, посвященных робототехнике в начале 2000 года. [12] [13 ] ]

Самые последние приложения могут использовать данные магнитного датчика со смартфона для беспроводного определения местоположения объектов или людей внутри здания. [14]

В настоящее время не существует стандарта де-факто для IPS, однако магнитное позиционирование представляется наиболее полным и экономически эффективным [ ссылка ] . Он предлагает точность без каких-либо требований к оборудованию и относительно низкую совокупную стоимость владения [ необходима цитата ] . Согласно Opus Research, магнитное позиционирование станет «базовой» технологией определения местоположения внутри помещений. [15]

Гибридные системы[ редактировать ]

Поскольку у каждой технологии есть свои плюсы и минусы, в большинстве систем используется более одной технологии. Система, основанная на относительных изменениях положения, такая как инерциальная система, требует периодической калибровки по сравнению с системой с абсолютным измерением положения. Системы, сочетающие две или более технологий, называются гибридными системами позиционирования. [16]

Гибридные системы позиционирования - это системы для определения местоположения мобильного устройства с использованием нескольких различных технологий позиционирования. Обычно GPS ( глобальная система позиционирования ) является одним из основных компонентов таких систем, в сочетании с сигналами вышек сотовой связи, сигналами беспроводного Интернета, датчиками Bluetooth , IP-адресами и данными сетевой среды. [17]

Эти системы специально разработаны для преодоления ограничений GPS, который очень точен на открытых площадках, но плохо работает в помещении или между высокими зданиями ( эффект городского каньона ). Для сравнения, сигналам вышек сотовой связи не мешают здания или плохая погода, но они обычно обеспечивают менее точное позиционирование. Системы определения местоположения Wi-Fi могут давать очень точное определение местоположения в городских районах с высокой плотностью Wi-Fi и зависят от полной базы данных точек доступа Wi-Fi.

Гибридные системы позиционирования все больше изучается для некоторых гражданских и коммерческих услуг на основе определения местоположения и определения местоположения на основе средств массовой информации , которые должны хорошо работать в городских районах , для того , чтобы быть коммерчески и практически жизнеспособным.

Ранние работы в этой области включают проект Place Lab, который начался в 2003 году и перестал действовать в 2006 году. Более поздние методы позволяют смартфонам сочетать точность GPS с низким энергопотреблением при поиске точки перехода по идентификатору соты. [18]

См. Также [ править ]

  • 3D сканирование
  • Вспомогательный GPS
  • Динамическое позиционирование
  • Слежение за глазами
  • Геодезия
  • Геолокация
  • Портативный трекер
  • Система позиционирования в помещении (IPS)
  • Система локального позиционирования
  • Отслеживание мобильного телефона
  • Захвата движения
  • Мультилатерация
  • Система определения местоположения в реальном времени
  • Резекция (навигация)
  • Геодезия
  • Виртуальная реальность

Ссылки [ править ]

  1. ^ "система позиционирования" . Авторитетная терминологическая база данных географической информации (на латыни). 2020-06-02 . Проверено 31 августа 2020 .
  2. ^ Хьельм, Йохан; Колодзей, Кшиштоф В. (2006). Системы локального позиционирования Приложения и услуги LBS ([Online-Ausg.] Ред.). Бока-Ратон, Флорида: CRC / Taylor & Francis. ISBN 978-0849333491.
  3. ^ Kyker, R (7-9 ноября 1995). «Система локального позиционирования» . WESCON / '95. Запись конференции. «Технологии связи в микроэлектронике, производящие качественную продукцию, технологии мобильной и портативной энергетики»: 756. DOI : 10,1109 / WESCON.1995.485496 . ISBN 978-0-7803-2636-1. S2CID  30451232 .
  4. ^ [https://www.google.com/patents/US20040056798 US20040056798 Патент США US20040056798 - Система местного позиционирования - Галлицин Аллегейни]
  5. ^ [https://www.google.com/patents/US6748224 US6748224 Патент США 6748224 - Локальная система определения местоположения - Lucent]
  6. ^ "InterSense | Решения для точного отслеживания движения | Главная" . www.intersense.com . Проверено 30 сентября 2018 .
  7. ↑ Позиционеры для систем отображения на голове: обзор , Девеш Кумар Бхатнагар, 29 марта 1993 г.
  8. ^ Вудро Барфилд; Томас Коделл (1 января 2001 г.). Основы носимых компьютеров и дополненной реальности . CRC Press. ISBN 978-0-8058-2902-0.
  9. ^ a b ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ ОТСЛЕЖИВАНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ СРЕД, Янник П. Роллан, Йохан Байо и Алексей А. Гун, Центр исследований и образования в области оптики и лазеров (CREOL), Университет Центральной Флориды, Орландо, Флорида 32816
  10. ^ "оптическая система позиционирования" . Авторитетная терминологическая база данных географической информации (на латыни). 2020-06-02 . Проверено 31 августа 2020 .
  11. ^ [1] , "Система наведения", выпущено 04.09.1970. 
  12. ^ Суксакулчай, С .; Thongchai, S .; Wilkes, DM; Кавамура, К. (октябрь 2000 г.). «Локализация мобильного робота с помощью электронного компаса для коридорной среды» . Труды конференции Smc 2000. 2000 г. - международная конференция по системам, человеку и кибернетике. 'кибернетика эволюционирует систем, людей, организаций и их сложных взаимодействий' (кот NO.0. . 5 : 3354-3359 vol.5. дои : 10,1109 / ICSMC.2000.886523 .
  13. ^ Абошоша, Ашраф; Зелл, Андреас; Тюбинген, Университет (2004). «Устранение неоднозначности позиционирования роботов с помощью лазерных и геомагнитных сигнатур» . В: Материалы МСФО-8 .
  14. ^ Хаверинен, Янне; Кемппайнен, Ансси (31 октября 2009 г.). «Глобальная внутренняя локализация на основе внешнего магнитного поля». Робототехника и автономные системы . 57 (10): 1028–1035. DOI : 10.1016 / j.robot.2009.07.018 .
  15. ^ Миллер, Дэн. «Анализ и экспертиза в разговорной торговле» . Opus Research . Проверено 2 августа 2014 .
  16. ^ OpenHPS: гибридная система позиционирования с открытым исходным кодом https://openhps.org
  17. ^ AlterGeo: О нас http://platform.altergeo.ru/index.php?mode=about
  18. ^ Энергоэффективное позиционирование для смартфонов с использованием сопоставления последовательностей Cell-ID от Jeongyeup Paek, Kyu-Han Kim, Jatinder P. Singh, Ramesh Govindan

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Карими, Хасан А. (01.01.2011). «Универсальная навигация». Универсальная навигация на смартфонах . Springer США. С. 75–88. DOI : 10.1007 / 978-1-4419-7741-0_4 . ISBN 9781441977403.