[论文解读] A Hybrid BLE/UWB Localization Technique with Automatic Radio Map Creation

Marcin Kołakowski|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2024

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 9被引用 6

一句话总结

本文提出一种混合 BLE/UWB 定位系统，其中 BLE 指纹实现亚米级精度与能效，而 UWB 通过校准自动创建密集的无线电地图。无线电地图在运行过程中迭代 refined? 并在运行中进行重复校准而不中断定位。

ABSTRACT

Localization systems intended for home use by people with mild cognitive impairment should comply with specific requirements. They should provide the users with sub-meter accuracy allowing for analyzing patient's movement trajectory and be energy effective, so the devices do not need frequent charging. Such requirements could be satisfied by employing a hybrid positioning system combining accurate UWB with energy efficient Bluetooth Low Energy (BLE) technology. In the paper, such a solution is presented and experimentally verified. In the proposed system, user's location is derived using BLE based fingerprinting. A radio map utilized by the algorithm is created automatically during system operation with the support of UWB subsystem. Such an approach allows the users to repeat system calibration as often as possible, which raises systems resistance to environmental changes.

研究动机与目标

• 推动在家庭环境中为轻度认知障碍者提供亚米级精度、低能耗的定位。
• 提出一个将 BLE 指纹与定期基于 UWB 的校准相结合以提高精度的混合系统。
• 开发一种自动无线电地图创建过程，使用传播模型对未访问点进行插值。
• 在正常运行过程中实现重复无线电地图更新，而不干扰定位。
• 通过在布置齐全的公寓中的实验验证来证明可行性。

提出的方法

• 包含 BLE/UWB 标签、同步锚点和控制器的系统架构。
• 标定模式下，标签同时发送 BLE 和 UWB 信号，在基于 UWB 的定位的同时构建无线电地图。
• 通过对每个锚点和房间拟合指数路径损耗参数（P0, gamma）来自动创建无线电地图，使用带有 Levenberg–Marquardt 的最小二乘法；随后对 10 cm 网格进行密集采样并计算插值后的 BLE 签名。
• 在正常模式下使用带有 k-NN 回归（k=5）和对地图点的归一化欧氏距离的 BLE 指纹进行定位。
• 定位结果计算为最近的 k 个地图点的加权平均，权重按距离的倒数分配。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自动创建的无线电地图辅助下，BLE 指纹定位是否能实现亚米级定位？
• RQ2 在标定时通过将 BLE 信号测量与 UWB 推断的位置结合起来，现场生成无线电地图的准确性有多高？
• RQ3 在公寓内使用指数路径损耗模型进行插值对定位精度的影响是多少？
• RQ4 与仅 BLE 方法相比，混合方法在轨迹精度方面的表现如何？
• RQ5 在真实公寓中实现有效定位的实际标定要求有哪些（例如签名数量、标定路径）？

主要发现

• 系统在参考轨迹的最大距离为 1.5 m 的范围内实现轨迹定位，且结果的一半轨迹误差低于 65 cm。
• 在大约十分钟的标定过程中收集了约 2500 个无线电签名。
• 无线电地图插值使用按锚点和房间拟合的指数路径损耗模型，以创建密集的 10 cm 网格地图。
• 在正常运行中，定位使用带有四锚点的 BLE 设置的指纹。
• 定位精度与所引用的方法相当或更好，尽管使用的 BLE 锚点数量较少。
• 在正常使用过程中即可进行再校准而不中断定位，从而提升对环境变化的鲁棒性。