[論文レビュー] Rebooting Ultrasonic Positioning Systems for Ultrasound-incapable Smart Devices

Qiongzheng Lin, Zhenlin An+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2018

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 46被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スマートデバイスのマイクに内在する非線形歪みを活用して高周波数の超音波信号を可逆周波数にダウンコンバートすることで、超音波対応でないスマートデバイスがセンチメートルレベルの屋内位置決めを実現できる新しい超音波位置決めシステムUPS+を提案する。本システムは、三者による三角測量に用いるuBeaconと周波数混合に用いるcBeaconの二種類のビーコンを採用し、既存デバイスのハードウェア改造を要せず、ミリメートル未満の精度を達成する。

ABSTRACT

An ultrasonic Positioning System (UPS) has outperformed RF-based systems in terms of its accuracy for years. However, few of the developed solutions have been deployed in practice to satisfy the localization demand of today's smart devices, which lack ultrasonic sensors and were considered as being `deaf' to ultrasound. A recent finding demonstrates that ultrasound may be audible to the smart devices under certain conditions due to their microphone's nonlinearity. Inspired by this insight, this work revisits the ultrasonic positioning technique and builds a practical UPS, called UPS+ for ultrasound-incapable smart devices. The core concept is to deploy two types of indoor beacon devices, which will advertise ultrasonic beacons at two different ultrasonic frequencies respectively. Their superimposed beacons are shifted to a low-frequency by virtue of the nonlinearity effect at the receiver's microphone. This underlying property functions as an implicit ultrasonic downconverter without throwing harm to the hearing system of humans. We demonstrate UPS+, a fully functional UPS prototype, with centimeter-level localization accuracy using custom-made beacon hardware and well-designed algorithms.

研究の動機と目的

• 既存の超音波位置決めシステム（UPS）が特殊な超音波センサを必要としているという制限を解消すること。
• 超音波センサを搭載していないデバイス（超音波に対して「聴覚不全」とされるデバイス）においても、超音波ベースの位置決めを可能にする挑戦に立ち向かうこと。
• スマートフォンのマイクが示す非線形応答を活用し、高周波数の超音波信号を標準デバイスで処理可能な可逆周波数に変換すること。
• 市販部品を用い、最小限のデバイス改造で実現可能な、エネルギー効率が高く実用的な屋内位置決めシステムを設計し、ミリメートル未満の精度を達成すること。
• AirPodsの位置特定、iPadのペアリング、Apple Watchを用いた手の動き追跡といったユースケースを通じて、実世界での応用可能性を実証すること。

提案手法

• uBeacon（バッテリーパワー、三角測量用）とcBeacon（ケーブル給電、ダウンコンバージョン用）の二種類のカスタムビーコンデバイスを展開する。
• uBeaconから二つの異なる高周波数（例：f₁ と f₂）の超音波ビーコンを送信する一方、cBeaconは別周波数の超音波トーンを送信する。
• スマートフォンのマイクに内在する非線形混合効果を活用し、|f₁ - f₂| の周波数成分を生成することで、超音波信号を可逆周波数帯に効果的にダウンコンバートする。
• ダウンコンバートされた信号が2–15 kHzの範囲に収まるように保証し、一般的なスマートフォンマイクおよびオーディオフォーマットのサンプリング・フィルタ特性と互換性を持たせる。
• PTP（精密時刻プロトコル）を用いた正確な時刻同期により、距離測定に必要な往復時間測定を実現する。
• エネルギー消費を低減するため、低ドット率動作を実装し、最適設定下でuBeaconのバッテリーライフを最大8か月に延長する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートフォンマイクの非線形歪みを活用することで、ハードウェア改造なしに超音波信号の受信が可能になるか？
• RQ2 uBeaconとcBeaconの異種ビーコンアーキテクチャが、超音波非対応デバイスにおいてセンチメートルレベルの位置決め精度を達成できるか、その限界はどこか？
• RQ3 システムが完全に超音波帯域で動作し続けることで、人間やペットの聴覚への干渉を回避しつつ、高い精度を維持できるか？
• RQ4 システムの実用的エネルギー効率はどの程度か？また、ドットサイクリングによりバッテリーパワーを供給するuBeaconの運用ライフはどの程度延長できるか？
• RQ5 本システムは、小型デバイス（例：AirPods）の位置特定、デバイスペアリング、人体の四肢追跡といった実世界の応用に効果的に展開可能か？

主な発見

• UPS+は、市販の超音波トランスデューサと標準スマートフォンマイクのみを用いて、ハードウェア改造なしにセンチメートルレベルの位置決め精度を達成した。
• 本システムは、マイク非線形性を活用して超音波信号（例：20–22 kHz）を可逆帯（2–15 kHz）にダウンコンバートし、標準デバイスで受信可能にした。
• cBeaconとuBeaconのアーキテクチャにより、制御環境および実環境の両方でミリメートル未満の精度を実現する安定した三角測量が可能となった。
• 低ドット率を採用することでエネルギー消費を顕著に削減でき、PTP同期間隔を1秒から64秒に延長することで、uBeaconのバッテリーライフが5か月から8か月に延長された。
• 本システムは、AirPodsの位置特定、10 cm以内のiPadペアリング、Apple Watchを用いた手・腕の動き追跡といった実世界の応用で検証され、実用的価値を示した。
• ダウンコンバートされた信号スペクトルは、一般的なオーディオフォーマット（例：M4A）が16 kHz以上をフィルタリングするのを避けるために、5–15 kHzに正確に調整された。