NavAge Tematický okruh: Personální navigace a lokalizace. Doc. Ing. Jií Chod, CSc., Ing.Jií Svoboda, Pavel Mach, Miroslav Šafránek Systémy GNSS a lokalizace polohy nevidomého Globální družicové naviganí systémy GNSS nachází uplatnní ve velkém množství civilních i vojenských aplikací, v dalším se zamíme pouze na civilní aplikace. V souasné dob je GNSS již de facto standardem u dopravních záležitostí a relativn znan propracované systémy jsou již bžnou souástí dodávky stedních a vyšších tíd automobil. Podobná situace je v pístrojích na bázi PDA a masivnímu nástupu aplikací v mobilních telefonech brání prakticky jenom (zatímní) vyšší cenová relace. Pijíma GPS, a již jednoúelový handheld nebo vestavný do mobilního telefonu, PDA apod., poítá s tím, že ho uživatel bude ovládat pomocí klávesnice a bude íst na jeho displeji. V neposlední ad se pedpokládá, že je zajištna viditelnost dostateného potu družic. To znamená, že auta se pohybují na silnicích s obvykle postaujícím výhledem na oblohu, v pípad osobních pístroj vtšinou lze na základ pozorování okolního terénu, zástavby apod. oekávanou kvalitu píjmu odhadnout a posoudit poté pímo na display a zmnou polohy docílit žádoucí pesnosti lokalizace. Existují velké skupiny potenciálních uživatel pro které by lokalizace polohy byla znaným pínosem, ale souasné technologie dostupné na trhu neumožují jejich využívání. Typickou takovou skupinu pedstavují nevidomí. Ti velmi asto ztrácí orientaci ve známém prostedí, o pípadech zbloudní pi pesunu mimo známou trasu nemluv. Je až pekvapivé, jak asto je pomoc nevidomým potebná. asto však není v dosahu osoba, která by ji poskytla. Cíle projektu: Cíl projektu je umožnit nevidomým prostorovou orientaci ve známém i neznámém prostedí s tím, že základní etapy realizace projektu budou využívat lidské interakce operátora ídícího centra s cílem postupného pebírání komunikace sofistikovaným expertním systémem. Pedem je nutné konstatovat, že s ohledem na možné dsledky 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 zejmé, že záležitost není tak triviální jak se jeví, nebo nevidomý se obvykle orientuje i za pomoci sluchu a rušivá hlášení automatického navádní pedstavují znanou zátž. Tento problém ešila katedra telekomunikaní 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 finanní nákladnost ešení není ješt as na ešení zcela specializovaná pro uritou cílovou skupinu, a proto byly výchozí podmínky zadání nastaveny následn: - propojení veškerých díl jednotky nesené nevidomým musí být zásadn kabelem
- pijímae GPS a ostatní prvky jednotky (radio modem, ídící procesor, pamti, baterie atd.) by mly vycházet ze standardizovaných ešení dostupných na svtovém trhu, požadované úpravy dané specifiky úkolu musí být modulové a co nejmenší. Jen tak lze totiž zabezpeit pokraování innosti služby i pi zmn technologie, typu naviganího systému GNSS, zmn 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, tvoenou pijímaem GPS, modemem GSM/CSD/GPRS a ídicím mikroprocesorovým modulem s pamtí pro ukládání dat. K systému patí ídicí stedisko dohledu disponující náležitou komunikaní technikou a píslušnými mapovými podklady. Spojení se stediskem dohledu je možné jak pímo, tak nepímo s využitím Internetu, v obou pípadech lze volit bu komunikaci s pepojováním okruh a nebo pepojováním paket. Poloha, urená pijímaem GPS, je pedána do centra, zobrazena na map a nevidomý je zptn (operátorem) hlasov informován o poloze a pípadn veden k cílové pozici. V prbhu úvodní fáze byla testována ada pijíma GPS, radio modem a komerních mapových podklad a nakonec jako základ ešení byla zvolena jednotka VTU 008 firmy MapFactor s tím, že byla na ní uskutenna ada HW i SW úprav které krom jiného mají za úkol zabezpeit ovládání nevidomým, povolení/zakázání penos dat do vnitní pamti a nebo do nadazeného centra atd. V neposlední ad byly provedeny rozsáhlé testy vhodnosti penosu dat pomocí GSM (2G 2.75G) a to jak CSD penos pi pepojování okruh, tak využití paketov orientované služby GPRS. Jako výsledné pijímae GPS byly použity standardní 20 ti kanálové pijímae NAVPILOT II a FORTUNA (osazení SirfStar III). Blokové schéma ešení ukazuje obr.1, pohledy na jednotku a pijíma pak obr.2, obr.3 a obr.4. GPS jednotka GSM modemm Lokalizaní 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 pijíma: 20 ti kanálový paralelní pijíma L1/CA kód SirfStar III Update: 1Hz Pesnost: 10 m Studený start: 42s prmrn Teplý start: 38s prmrn Horký start: 1s prmrn Komunikaní port: RS-232 Napájení: 10~35V DC Odbr proudu prmrn: 120 ma / 12V Odbr proudu ve sleep modu: 20 ma / 12V Interní baterie: provoz 6-8 hod. bez externího napájení (dle potu mení) Senzor pohybu: Ano Flash pam: 280 000 záznam GSM dvou pásmový modem: 900/1800 MHz GSM Data: až 14.4 kbps GPRS: tída 8 Digitální vstupy (chránné): 2 Digitální výstup (chránný): 1 Provozní teplota: -20 C až 65 C Vlhkost vzduchu: Do 95% nekondenzující Rozmry: 90 x 63 x 30 mm Váha: 130 g Tab. 1.: Technická specifikace jednotky VTU V prbhu roku 2005 byla uskutenna rozsáhlá mení v reálném provozu, zpoátku pomocí vidících figurant, ale po provení základních možností a úprav následovala první etapa pti týdenních test s nevidomými a slabozrakými z organizace SONS. Vzhledem k tomu, že výsledky pedily oekávání, bylo zabezpeeno dalších 5 jednotek (zde se opt podailo uskutenit ást úprav plynoucích z pedchozích test) a celý komplet byl pedán SONS k testm (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 skuteného centra lokalizace zajišující již provoz pro nevidomé. Pedpokládaný poet nasazených jednotek je zpoátku v desítkách a pak ve stovkách. To již klade ovšem jiné nároky na finanní a organizaní zabezpeení a bude pedmtem zcela samostatné etapy. Poznatky z testovací fáze: Reálná dosažitelná hodnota pesnosti lokalizace je až 2,5m. Oba výsledné typy pijíma vykázaly dobré výsledky i v nepíznivých podmínkách, zejména pi použití pijíma GPS s osazením Sirf Star 3 je poet výpadk urení polohy relativn malý (viz dále), ale hlavním problémem je píjem a vyhodnocení odraz signálu od budov. Základním problémem je samozejm viditelnost družic, ale stejné problémy pedstavují i další poznatky z test: - vliv odraz od jiných budov - osazení antény pijímae
- doba latence sít - mapové podklady Pohybuje li se ídící jednotka v bžném provozu na chodníku a je li viditelnost alespo na 3 družice, dostáváme lokalizaci polohy prakticky totožnou s bžným zobrazením jak je známe z provozu napíklad vozidlových jednotek. Píklady jsou uvedeny na obr. 5 a obr. 6. Na obr. 6 jsou zárove dobe viditelné výpadky mení zpsobené v tomto pípad pohybem uvnit budovy. Obr. 5: Píklad záznamu ve vnitní Praze Obr. 6: Píklad záznamu ve vnitní Praze Problém odraz je dobe viditelný na obr. 7. Tady je zdánliv mení (zelená trasa) korektní avšak skutená pozice je oznaena erven a je tedy zejmé, že zobrazená trasa je inverzní. Tato ukázka poskytuje dobrou pedstavu o vlivu okolní zástavby. Tento problém je v souasné 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 nejobtížnjší podmínky z hlediska zástavby pedstavují stále velké mstské aglomerace jako je Praha se svojí bu starou zástavbou s úzkými ulikami a nebo naopak vysokými objekty nové zástavby. Na konferenci budou proto nejzajímavjší ukázky promítnuty ze záznamu. Obr. 7: Píklad záznamu ve vnitní Praze (vliv odraz) Obr. 8: Píklad záznamu Praha
Obr. 9: Píklad záznamu v Praze (korektní) Obr. 10: Píklad záznamu v Praze mapové podklady Obr. 11: Píklad záznamu Litomice (korektní) Obr. 12: Píklad záznamu Litomice mapové podklady Znaný vliv na píjem v tchto podmínkách má ve stávajících technologiích osazení a orientace antény pijímae GPS. Souasná provedení striktn vyžadují vodorovné osazení s pímým výhledem na oblohu a to bez zakrytí nap. odvem. Pi nedodržení podmínek klesá rychle dosažitelná pesnost (o ád) a pípadn je píjem zcela znemožnn. Obvyklé osazení bylo proto na rameni na nosném popruhu batohu nebo pímo suchým zipem na odvu. Tato zdánlivá malikost však je v praxi zdrojem nejen technických, ale i psychických problém které je nutno ešit v budoucnosti, zejména pak pi budoucím osazení kamery viz dále. Vliv použité technologie penosu je z hlediska navigace velmi znatelný pi penosech CSD (pepojování okruh) je latence sít (cca 1 s) znateln menší než pi technologii GPRS (2 3 s). Dsledkem je v nkterých pípadech ztížené navádní 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 pechod na 3G není v souasné dob nezbytný i když je nutno konstatovat, že z hlediska penosu obrazu (kamera) by další generace poskytla nezanedbatelné výhody. Stávající pokrytí 3G však efektivní nasazení neumožuje. Poslední, ale velmi podstatný problém pedstavuje stav dostupných mapových podklad vtšina jich je orientována na automobilní navigaci a nemá zakresleny chodníky, parky atd., tedy objekty z hlediska navigace nevidomého vysoce podstatné. Dobrý píklad poskytují obr. 10 a obr.12. ešení pedstavuje uvolnní vojenských map, ástené ešení
pedstavuje implementace rastrových map (které astji požadované informace obsahují) ovšem za cenu všech nevýhod vyvolaných nedostupností vektorov orientované mapy. Budoucnost projektu: Souasné, pomrn rozsáhlé, testy ukázaly smr dalšího rozvoje. Ten bude v oblasti HW zamen zejména na Zvyšování citlivosti pijíma (technologie SuperSense) Zabudování gyroskopických senzor Konstrukní zmny umožující : - výmnu baterie - kontrolu (zvukovou) stavu nabití baterie - nouzovou signalizaci (tlaítko NOUZE) - využití technologie push to talk (?) Doplnní systému kamerou (kamera nemá sloužit pro pechody komunikací atd., ale pro upesnní prostoru ped nevidomým, resp. pro detailnjší navedení V oblasti SW je vývoj smrován zejména na: Vývoj mapy ve spolupráci ze SONS. Jedná se o specifikace objekt dležité z pohledu nevidomého, nikoli o návrh samotné mapy! Koordinace souadnic pi ztrát signálu (filtrace) Relativní posun souadnic v map SW na úrovni GPS dat algoritmus pro odraz signálu od objekt Zobrazení a penos obrazu z kamery Vývoj program pro dohledové centrum (vytvoení fronty, zabezpeení pevzetí žadatele). Závr. Uskutenné testy a zkušební provoz jednoznan ukazují, že lokalizace polohy mže rozšíit prostor pro nevidomé zásadním zpsobem. Výsledná aplikace se jeví jako spoleensky i lidsky velmi potebná a významným zpsobem ulehí postavení nevidomého. Pestože budoucí systémy (Galileo) umožní podstatn jednoduší a pesnjší navigaci než systém stávající GPS, není dvod pro potebné skupiny ponechat bez možnosti lokalizace polohy a tím snížit jejich vyhlídky v každodenním život. Z tohoto hlediska se jeví jako potebné zavedení systému do operaního použití s tím, že budoucí vývoj bude plynule navazovat na systém stávající. Pro rychlé nasazení i budoucí rozvoj bude úelné využití jak grant R, tak EU, a proto se bude projekt o n ucházet.