[论文解读] 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 6

一句话总结

ARABIS 是一种低成本、异步的声学室内定位系统，适用于移动设备。该系统采用定制设计的声学板，并结合一种稳健的迭代 TDoA 异常值剔除算法，以减轻多径效应和低信噪比（SNR）的影响。在配备 8 个锚点的 10.67m×7.76m 测试场中，其平均定位误差和第 95 百分位误差分别为 7.4cm 和 16.0cm；在配备 4 个锚点的 15m×15m 测试场中，平均误差和第 95 百分位误差分别为 20.4cm 和 40.0cm。

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.

研究动机与目标

• 开发一种与商用现成移动设备兼容的鲁棒、低成本声学室内定位系统（IPS）。
• 解决由多径传播和低信噪比（SNR）引起的室内环境中性能下降问题。
• 设计一种可扩展的、低成本的声学硬件平台，支持大范围运行并便于部署。
• 通过利用冗余 TDoA 估计进行迭代异常值剔除，提升定位精度。
• 在具有不同锚点密度和环境复杂度的真实室内环境中评估系统性能。

提出的方法

• 设计一种集成有功率放大器、麦克风和扬声器的定制声学板，以实现更远的传输距离和更好的可扩展性。
• 使用固定锚点节点以随机间隔发送异步信标，以避免冲突并减少同步开销。
• 实现基于 TDoA 的定位框架，移动设备解码信标时间戳并将其转发至中央服务器。
• 开发一种迭代 TDoA 异常值剔除算法，利用冗余的 TDoA 估计值过滤因多径和低 SNR 引起的错误测量。
• 建立受限于测试场物理边界的定位优化问题，以提高解的稳定性。
• 应用基于 CDF 的评估方法，比较不同 TDoA 估计和异常值剔除策略下的定位误差分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 异步声学 IPS 是否能在真实室内环境中，使用低成本、现成的移动设备实现高精度定位？
• RQ2 多径传播和低 SNR 如何影响异步声学测距中的 TDoA 估计？这些影响能否被有效缓解？
• RQ3 锚点密度对大规模室内环境中定位精度有何影响？
• RQ4 在噪声大和多径严重的条件下，迭代 TDoA 异常值剔除在提升定位鲁棒性方面的有效性如何？
• RQ5 定制设计的声学硬件平台是否能够支持大范围运行，同时保持低成本和可扩展性？

主要发现

• 在配备 8 个锚点的 10.67m×7.76m 测试场中，ARABIS 实现了 7.4cm 的平均定位误差和 16.0cm 的第 95 百分位误差。
• 在仅配备 4 个锚点的更大 15m×15m 测试场中，系统实现了 20.4cm 的平均误差和 40.0cm 的第 95 百分位误差。
• 迭代 TDoA 异常值剔除算法显著提升了定位精度，特别是在多径效应强和 SNR 低的环境中，有效减少了重尾误差分布。
• 当锚点数量从 8 个减少到 4 个时，性能下降最为明显，表明锚点密度对定位鲁棒性具有关键影响。
• 定制声学板实现了至少 11m 的工作距离（45° 角），在视距条件下可达 50m，且可通过外接扬声器进一步扩展。
• 该系统表明，异步信标可在真实场景中有效使用，无需精确的时钟同步，从而实现低成本部署。