[論文レビュー] ARABIS: an Asynchronous Acoustic Indoor Positioning System for Mobile Devices

Yuting Wang, Jun Li+2 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2017

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

ARABIS は、カスタム設計の音響ボードと、マルチパスおよび低 SNR 効果を軽減する強力な反復的 TDoA 外れ値除去アルゴリズムを用いた、モバイルデバイス向けの低コストで非同期な音響インDoorポジショニングシステムである。8 アンカーで構成される 10.67m×7.76m のテストベッドでは平均誤差 7.4cm、95 パーセンタイル誤差 16.0cm を達成し、4 アンカーで構成される 15m×15m のテストベッドでは平均誤差 20.4cm、95 パーセンタイル誤差 40.0cm を達成した。

ABSTRACT

Acoustic ranging based indoor positioning solutions have the advantage of higher ranging accuracy and better compatibility with commercial-off-the-self consumer devices. However, similar to other time-domain based approaches using Time-of-Arrival and Time-Difference-of-Arrival, they suffer from performance degradation in presence of multi-path propagation and low received signal-to-noise ratio (SNR) in indoor environments. In this paper, we improve upon our previous work on asynchronous acoustic indoor positioning and develop ARABIS, a robust and low-cost acoustic positioning system (IPS) for mobile devices. We develop a low-cost acoustic board custom-designed to support large operational ranges and extensibility. To mitigate the effects of low SNR and multi-path propagation, we devise a robust algorithm that iteratively removes possible outliers by taking advantage of redundant TDoA estimates. Experiments have been carried in two testbeds of sizes 10.67m*7.76m and 15m*15m, one in an academic building and one in a convention center. The proposed system achieves average and 95% quantile localization errors of 7.4cm and 16.0cm in the first testbed with 8 anchor nodes and average and 95% quantile localization errors of 20.4cm and 40.0cm in the second testbed with 4 anchor nodes only.

研究の動機と目的

• 市販のモバイルデバイスと互換性のある、耐障害性が高く低コストな音響インドアポジショニングシステム（IPS）の開発。
• マルチパス伝搬および低信号対雑音比（SNR）によって引き起こされる性能劣化の解消。
• 大規模な運用範囲と容易な設置を可能にする拡張性のある、低コストな音響ハードウェアプラットフォームの設計。
• 冗長な TDoA 評価を活用した反復的外れ値除去により、位置特定精度の向上。
• 異なるアンカー密度と環境の複雑さを有する実世界のインドア環境におけるシステム性能の評価。

提案手法

• 範囲拡張とスケーラビリティを実現するため、電力増幅器、マイク、スピーカーを統合したカスタム音響ボードの設計。
• 衝突を回避し同期のオーバーヘッドを低減するため、固定アンカー ノードからランダム間隔で非同期ビーコンを送信。
• モバイルデバイスがビーコンのタイムスタンプを復号し、それを中央サーバーに転送する TDoA ベースの位置特定フレームワークの実装。
• マルチパスおよび低 SNR によって引き起こされる誤った測定値を、冗長な TDoA 評価を活用してフィルタリングする反復的 TDoA 外れ値除去アルゴリズムの開発。
• 解の安定性を向上させるために、テストベッドの物理的境界に制約を課した位置特定最適化問題の定式化。
• 異なる TDoA 評価および外れ値除去戦略の間での誤差分布を比較するための CDF を用いた評価の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非同期音響 IPS は、低コストの市販モバイルデバイスを用いて、実世界のインドア環境で高い位置特定精度を達成できるか？
• RQ2 非同期音響距離測定におけるマルチパス伝搬および低 SNR が TDoA 評価に与える影響は何か？ そして、これらの影響は効果的に軽減可能か？
• RQ3 大規模なインドア環境におけるアンカー密度の位置特定精度に与える影響は何か？
• RQ4 反復的 TDoA 外れ値除去は、ノイズが多くマルチパスが顕著な条件下で、位置特定の耐障害性を向上させるのにどの程度有効か？
• RQ5 カスタム設計の音響ハードウェアプラットフォームは、低コストで拡張性を保ちながら、大規模な運用範囲をサポートできるか？

主な発見

• 8 アンカーで構成される 10.67m×7.76m のテストベッドでは、ARABIS は平均位置特定誤差 7.4cm、95 パーセンタイル誤差 16.0cm を達成した。
• アンカー数が 4 に減少した 15m×15m の大きなテストベッドでは、平均誤差 20.4cm、95 パーセンタイル誤差 40.0cm を達成した。
• 反復的 TDoA 外れ値除去アルゴリズムは、マルチパスが顕著で SNR が低い環境において、位置特定精度を顕著に向上させ、重い尾を示す誤差分布を低減した。
• アンカー数を 8 から 4 に減らした際の性能劣化が最も顕著で、アンカー密度が位置特定の耐障害性に大きく影響することが示された。
• カスタム音響ボードにより、45° の角度で少なくとも 11m、直線視界では 50m の運用範囲が達成可能であり、外部スピーカーを用いることでさらなる延長が可能である。
• システムは、正確な時 clocks 同期を要しない非同期ビーコンを実世界の環境で効果的に使用できることを示した。これにより、低コストでの展開が可能となった。