2020-11-11

東京ドームのような広い場所で少ない受信機によりビーコンのおおよその位置を推定する

  IPS(Indoor Positioning System、屋内測位システム ― 屋内で人・モノの位置を把握するシステム)には、三点測位、フィンガプリント、AoA/AoD、GMM、機械学習等々、様々な方式があり、測位の精度を競い合っています。ネットを検索すると関連の記事や論文が多数見つかります。

 ただ、すべてのシステムの要求仕様が、誤差1m未満の精度を求めているわけではなく、位置は大雑把にわかれば良い、その代わり(ビーコン信号の)受信機を減らしたい、というモノもあります。
 例えば、老人ケアセンターであれば、入居者の存在確認(施設から黙って抜け出していないか)が最重要で、位置については大体の位置を把握できれば十分ということもあります。
 また、大規模な工場、資材置場、倉庫などで、フォークリフトや運搬機などの大きな機材にビーコンを取り付けてその所在地を把握するようなシステムでは、誤差1mの精度は要求されないことも多いでしょう。

 今回は、東京ドームかそれ以上に広いエリアにあるビーコンのおおよその位置(エリア)を、できるだけ少ない受信機(Raspberry Pi)で推定する方法について考えて見みます。
 尚、このエリアは障害物がほとんど無い、大規模な工場や倉庫のような場所を想定しています。

受信機の配置を考える

 下図でピンクが受信機(Raspberry Pi)でブルー(B)がビーコン(iBeacon)です。ビーコンは枠内にあり、ビーコンの信号を遮る障害物はほぼ無いもとします。

【グリッド】


 この時、ビーコンの「おおよそ」の位置を把握するためには、受信機をどの位の数、配置すればよいでしょうか? 結論から言うと、それはユーザの求める推定位置の精度、「おおよそ」に依存します。 基本的にエリア内の受信機が多ければ多いほど、推定位置の精度は上昇します。 今回は受信機の数を少なく抑えて、「おおよそ」の位置を把握する(精度は重視しない)というテーマで考えていきます。

グリッドについて

 上図をグリッド(但し、ビーコンは除く)と呼びます。 受信機(ピンク)は正方形の4つの角と中心に置きます。 この正方形の一辺の長さをグリッドサイズと呼びます。広大なエリアをカバーする場合、複数のグリッドを置くことになるので、グリッドサイズが大きければ大きいほど、使用する受信機の数は減少します。

使用ビーコン

 使用するビーコンの信号の最大到達距離は100m以上とします。ちなみに、Aplix社のビーコン信号最大到達距離は100m丸紅情報システムズ社のビーコンは150mとWebサイトに書かれています。

グリッドサイズ50m

 ビーコンが受信機から離れれば離れるほど、受信機はそのビーコンの信号を検知できない(非検知)可能性が高くなります。 すべての受信機がビーコンを検知しない可能性が最も高いのは図の4つのビーコンの位置です(検知困難地点)。ここでビーコンBについて考えます。ビーコンBは受信機A、B、Cから25mずつ離れていますが、障害物が無い場所ではA、B、Cのいずれもがビーコン信号を受信する可能性は高いです。各受信機がビーコンから信号を受信すると、信号の強度(RSSI)からビーコンまでの距離を算出します。 受信機を円の中心とし、算出した距離を半径とする円周上近辺にビーコンが存在すると推定されます。ここでは3つの受信機が信号を受信しているので、3つの円が交わった黄色のエリアにビーコンが存在すると推定されます。


グリッドサイズ150m

 次にグリードサイズ150mのビーコンB(検知困難地点)について考えます。このケースでは受信機からビーコンBまでの距離は75mです。75m離れていると非検知の可能性が高まります。ここでは受信機AがビーコンBを検知できず、受信機BとCが信号を検知したと仮定します。このとき受信機BとCを中心とする円の交差する黄色エリアにビーコンBがあると推定されます。


グリッドサイズ200M

 最後にグリッドサイズ200mのケースです。この場合、受信機A、B、CからビーコンBまでの距離は100mとなります。100mとなると受信機がビーコンの存在を検知しない可能性がさらに高まります。下図では、ビーコンBを検知した受信機がCのみだったと想定しています。この場合、ビーコンはCを中心とする円の円周付近上にあると推定されます。
但し、100mになると元々低いRSSIの精度がさらに低くなるため、円周の外側と内側に大きく逸脱して存在する可能性が高くなります。下図で黄色エリアがドーナツ型なのはそれを表しています。

 

  尚、受信機とビーコン間の距離が100mある場合、どの受信機にも検知されない可能性も十分ある点にもご留意ください。

受信機からビーコンまでの距離について

 RSSIの精度はもともと低いので、それを元に算出される距離の精度も低いです。特に30m以上になると、RSSIが「0」(RSSI測定不能)になったり、値が想定される値とはまったく違ったり、あるいは信号自体が検知されないことが普通にあります。 
 下図はAplix社のビーコン2台と丸紅情報システムズのビーコン3台のRSSIの計測結果です。この時は、Aplix社のビーコンの1台は25m以上になると検知されないことが多く、丸紅はより頻繁に検知されましたが、RSSIは想定される値と大きく異なっています。
 RSSIまたは距離の精度を上げるには、なんらかの補正が必要となります。

※RSSIが継続的に0になる、或いはRSSI補正が不能なほどRSSIの精度が低い状況では、グリッドサイズの短縮を検討しましょう。

BLE 5 対応ビーコンの到達距離

 上述のAplix社と丸紅社のビーコンは BLE4 の規格に準拠していますが、現在は BLE5 の対応のチップも Nordic Semiconductor 等からリリースされています。 BLE5対応ビーコンの信号到達距離は、"理論的は"BLE4対応ビーコンの4倍となります。2020年11月現在、BLE5に準拠した長距離ビーコン(Long range beacon)で技適を取得している製品は市場にありませんが、今後対応製品が発売されると、障害物が少ないところであれば400m超のビーコン探知が可能になるとものと期待されます。

人や障害物が少なからず存在するエリアについて

 繰り返しとなりますが、上記は障害物がないエリアを想定しています。人が多くいたり、壁や棚などの障害物がある場合、適切なグリッドサイズは4m~15m程度になります。また、人が密集する展示場やイベント会場、金属製の背の高い棚が多く置かれている倉庫などでは、IPSによる測位がそもそも困難・不能なケースもあります。


NuckyT



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