In de analysefase hebben we onderzoek gedaan naar bestaande positie bepalings systemen. We hebben onderzocht op welke manier deze systemen werken en de voor- en nadelen van deze systemen.
De verschillende systemen hebben we onderverdeeld in de volgende methodes:
- Infrarood;
- Camera analysing;
- Radio Frequency IDentification (RFID);
- Ultrasoon;
- WiFi, ZigBee, UWB.
Deze methodes hebben we nader onderzocht, hieronder volgt een korte samenvatting van de betreffende methodes.
Infrarood.
Infrarode straling is een straling welke niet waarneembaar is met het menselijke oog (onzichtbaar licht). Infrarode straling wordt ook wel elektromagnetische straling genoemd.
Infrarode straling wordt bijvoorbeeld veel in afstandsbedieningen van televisies en radio’s en dergelijke gebruikt om een verbinding te maken tussen afstandsbediening en het te bedienen apparaat.
Infrarood licht kan ook gebruikt worden om afstanden te bepalen, dit kan door middel van het meten van de signaal sterkte.
De methode hiervoor is gebaseerd op het volgende feit betreft de eigenschap van licht:
- Wanneer licht met een bepaalde hoek wordt gestraald, en de afstand tot een object waar het licht op straalt verdubbeld, dan wordt het oppervlak waarover het licht zich verspreid kwadratisch hoger (Zie onderstaande afbeelding).
Wanneer men van het ontvangen IR signaal iets kan zeggen/meten betreft de signaalsterkte, kan dus aan de hand hiervan iets over de afstand tussen IR zender en ontvanger zeggen.
Voordelen IR:
- Veel gebruikte componenten.
- Redelijk makkelijk te realiseren.
Nadelen IR:
- Energie gaat (snel) verloren wanneer objecten zich voordoen tussen zender en ontvanger.
- Straling in piramide vorm, niet 360 graden.
- Stralingshoek moet bekend zijn om een nauwkeurige meting te doen.
- Erg lastig om verschillende IR signalen te identificeren (meerdere sporters).
- Sporter zou een behuizing moeten meedragen met hierin minimaal een IR zender en een batterij.
- Gevoelig voor externe lichtbronnen zoals de zon of lampen.
- Altijd een ‘line of sight’ nodig;
- Om nauwkeurige afstandsmetingen uit voeren kan de afstand tussen zender en ontvanger over het algemeen niet meer dan 2 meter.
Camera analysing.
Een andere mogelijkheid voor het bepalen van posities van objecten is door middel van camerabeelden.
Idee hierbij is om een camera te koppellen aan een computer. Wanneer de camerabeelden kunnen worden weergegeven op de computer, kan men deze beelden met behulp van complexe software analyseren.
Men plaatst dan bijvoorbeeld makkelijk herkenbare, felgekleurde stickers of combinaties van felgekleurde stickers op het object waarvan de positie bepaald moet worden en/of op een aantal referentiepunten. Met behulp van software kan dan een programma gemaakt worden welke de velgekleurde stickers en/of patronen van kleuren kan herkennen. Wanneer ook een aantal referentiepunten op dezelfde manier herkent kunnen worden, kunnen de onderlinge afstanden vrij nauwkeurig bepaald worden en hiermee dus de positie bepaald worden.
Om op deze manier objecten nauwkeurig te lokaliseren op een relatief groot veld zijn echter wel meerdere camera’s nodig. Helaas zijn er op een standaard sportveld weinig eventuele referentiepunten. Wanneer de positie bepaald moet worden op een redelijk groot oppervlak, en er een precisie van 5 centimeter gegarandeerd moet worden zijn er echter meerdere camera’s nodig.
Hierbij moet de computer dan de frames van elke camera in zeer korte tijd analyseren en de geanalyseerde frames met elkaar vergelijken.
Voordelen:
• Kant en klare hardware;
• Makkelijk te plaatsen op bijvoorbeeld een plafond;
• Direct geschikt voor verzenden van frames naar computer voor analyseren;
Nadelen:
• Erg duur;
• Line of sight nodig;
• Meerdere camera’s nodig;
• Spelers moeten een soort van muts met een herkenbaar figuur voor de camera’s;
• Softwarematig erg complex;
• Zeer snelle PC nodig om de frames real-time te analyseren;
RFID.
Radio Frequency Identification (RFID) werkt op basis van magneetvelden. Een RFID systeem bestaat uit een zender en een ontvanger (zie Afbeelding). In de transponder is een spoel verwerkt en de reader is verbonden met een antenne of detectielus.
Met behulp van de magnetische velden die worden ontwikkeld met behulp van de spoelen van de zender en ontvanger, kan zonder fysiek contact, op afstand data worden verstuurd.
Er zijn vele configuraties beschikbaar voor RFID systemen, zo is er een onderscheid tussen actieve en passieve transponders. Hiernaast zijn er RFID systemen met verschillende frequentiegebieden met elk hun voor- en nadelen.
Voordelen:
- Geen hardware nodig bij sporter / alleen chip in bijvoorbeeld schoen!!!!!
- Veel gebruikte techniek
- Te gebruiken voor meerdere sporters dankzij unieke ID code!!!
-
Nadelen:
- Veel externe hardware, lezers / antenne’s
- Waarschijnlijk moeten er componenten in de vloer worden geplaatst.
- Magnetische velden die elkaar beïnvloeden wanneer ze dicht bij elkaar zijn geplaatst.
Ultrasoon.
Ultrasone zijn sensoren waarvan de werking is gebasseerd op geluidsgolven op frequenties van hoger dan 18 kHz. De grenzen van ultrasoon geluidsgolven zijn van 20 kHz tot 20000 kHz, deze geluidsgolven zijn dus niet waarneembaar voor het menselijke gehoor.
De typische frequentie welke voor ultrasone systemen gebruikt wordt is 40 kHz.
Ultrasone sensoren worden in de industrie vaak gebruikt voor het detecteren van scheuren of oneffenheden in producten, dit wordt gedetecteerd aan de hand van de gemeten reflectie van het signaal of aan de hand van de tijd tussen het verzonden en ontvangen signaal.
Bovenstaande maakt ultrasone technieken ook een mogelijkheid voor een Indoor Positioning System.
Op bovenstaande afbeelding is met de formule d=v*t de afstand tussen zender te bepalen. (d= afgelegde weg, v= snelheid van geluid door betreffend medium, t=tijd).
Wanneer men meerdere meting volgens bovenstaand principe uitvoerd kan men een aan de hand van een 'driehoeksmeting' de positie bepalen, zie onderstaande afbeelding.
Voordelen:
- Veelgebruikte techniek;
- Hoge frequentie, dus korte golflengte, dus breking en afbuiging van het signaal is beperkt.
- Goedkoop;
- Relatief eenvoudige hardware, echter zeer complexe software.
Nadelen:
- Snelheid van het geluid is afhankelijk omgevingsvariabelen als temperatuur, luchtvochtigheidniveau en luchtdruk. Dit is echter wel oplosbaar door bijvoorbeeld een temperatuursensor te integreren op de hardware.
- Identificatie van meerdere sporters tegelijk zal mogelijk zijn, maar zeer complex.
- Sporter zal een soort van behuizing moeten meedragen met hierin een ultrasone zender.
- Gevoelig voor storingen (ultrasone storingen zijn vaak aanwezig)
- Lastig om hetzelfde signaal over 360° te verspreiden.
- Gevoelige hardware door hoge frequenties, ook storingsgevoelig.
- Bij afstanden hoger dan 10 meter, is het erg lastig om nauwkeurig afstanden te bepalen.
WiFi, UWB, etc.
WiFi is de benaming voor een draadloze ethernet verbinding. WiFi is over het algemeen de standaard voor een draadloos thuisnetwerk.
De frequentie die WiFi gebruikt om data uit te wissellen is 2,4 GHz.
Veel gebruikte methode is het verdelen van een ruimte in een raster van vakjes met een bepaalde grote. Hierna wordt in elk vak individueel de strekte van het ontvangen signaal van een x aantal WiFi ontvangers gemeten en gearchiveerd.
Deze waarden worden dan per positie ingevoerd in een programma, zodat men later wanneer een zender door het raster beweegt, men aan de hand van de ontvanger waarden kan bepalen waar de zender zich bevind.
Voordelen:
- Bekend protocol;
- Veelgebruikt systeem;
Nadelen:
- Nauwkeurigheid van ongeveer 1 meter mogelijk;
- Voor het systeem te kunnen gebruiken moeten er veel metingen gedaan worden;
- WiFi zender nodig op de sporter, en dus ook een batterij of dergelijke;
UWB berust op hetzelfde principe als WiFi, alleen wordt de data op hogere frequentie verzonden en ontvangen. Hiernaast heeft UWB een zeer grote bandbreedte, en dus is er veel dataoverdracht mogelijk in een relatief korte periode.
Met behulp van UWB zou ook nauwkeuriger een positie kunnen worden bepaald dan met WiFi. Echter is ook in dit geval een hardware paket nodig bestaande uit minimaal een UWB zender, en dus een accu of dergelijke. Dit zou neerkomen op hinder voor de sporter omdat dergelijke hardware niet in een zool te maken is.
Bovenstaande conclusie geld ook voor ZigBee en andere varianten op draadloze communicatie protocollen.
