U-Blox: A la conquête de la nouvelle génération d'applications de géolocalisation indoor avec la radiogoniométrie Bluetooth

Le degré de précision atteignable, particulièrement lorsqu’on utilise un service d’augmentation GNSS, permet des usages absolument révolutionnaires, notamment dans les véhicules autonomes et autres équipements.

Une configuration AoA (angle d’arrivée) calcule l’angle d’un signal de radiogoniométrie Bluetooth entrant basé sur de légères différences de phase observées sur chaque antenne dans un réseau multiantennes.

Maintenant que nous avons pris conscience de toutes les opportunités en extérieur, la volonté de créer des applications tout aussi révolutionnaires pour l’intérieur gagne du terrain.

L’un de ces exemples concerne le suivi ou la traçabilité haute précision d’objets pour l’industrie et le grand public, c’est-à-dire les services du type « trouver mon objet ». Un autre exemple est la géolocalisation en intérieur qui permet de téléguider quelqu’un ou quelque chose dans un bâtiment complexe comme un hôpital ou un grand hub de transport avec un guidage « turn by turn ». Un dérivé de ce principe pourrait être l’affichage d’informations sur un appareil en mouvement lorsqu’il atteint un endroit précis. On pourrait imaginer des livrets intelligents dans les musées ou galeries, capables de fournir des informations sur un objet exposé sitôt que quelqu’un s’en approche.

Pour assurer les types d’expériences utilisateur que leurs créateurs visent, ces applications doivent allier une géolocalisation extrêmement précise en intérieur, une faible consommation d’énergie et un coût abordable. Tout cela est impossible sans les technologies traditionnelles de radio à courte portée.

Les inconvénients des solutions de géolocalisation classiques Wi-Fi et Bluetooth
L’empreinte Wi-Fi par exemple ne peut garantir qu’une exactitude à 10 mètres près. Le temps de vol Wi-Fi, aussi appelé round-trip time (RTT) ou 802.11mc, est de 1 à 2 m, mais consomme beaucoup d’énergie. Bien que disponible depuis quelque temps déjà, cette technologie n’a pas encore été déployée à grande échelle sur le terrain.

La géolocalisation d’un appareil à l’aide du Bluetooth utilise traditionnellement le « received signal strength indicator » (RSSI). Grâce au RSSI, il est possible d’estimer la distance entre une station de référence appelée « point d’ancrage » et un appareil, mais pas l’angle auquel l’appareil se trouve par rapport au point d’ancrage. On calcule l’emplacement de l’appareil avec au moins trois points d’ancrage, bien que le degré de précision ne se situe qu’entre trois et cinq mètres.

La radiogoniométrie Bluetooth : la géolocalisation en intérieur devient ultra-précise
La version Bluetooth 5.1 a introduit la « radiogoniométrie », c’est-à-dire le support de la direction des signaux . Cela représente une grande avancée pour les capacités de positionnement précis en intérieur – à tel point que cela pourrait constituer la clé manquant aux ingénieurs d’aujourd’hui dans la mise au point de produits et services susceptibles de changer la donne.



En calculant l’angle des signaux atteignant trois points d’ancrage fixes puis leur point d’intersection, vous pouvez déterminer l’emplacement d’un appareil au mètre près.

Voyons rapidement comment calculer ces angles.
La radiogoniométrie ne s’appuie pas sur la puissance du signal émis par un appareil doté du Bluetooth pour déterminer son emplacement, mais sur des points d’ancrage fixes avec des réseaux multiantennes pour calculer l’angle du signal, en utilisant la technique de l’angle d’arrivée (AoA) ou l’angle de départ (AoD). En calculant les angles des signaux arrivant/partant d’au moins trois points d’ancrage et en identifiant le point d’intersection, vous pouvez localiser les appareils proches à moins d’un mètre.

Voyons rapidement comment calculer ces angles.
Dans une configuration AoA, un appareil mobile émet un signal de radiogoniométrie Bluetooth. Celui-ci atteint chaque antenne dans le réseau d’un point d’ancrage avec un léger décalage de phase par rapport aux autres antennes de ce point d’ancrage. Ces écarts de phase peuvent être utilisés pour calculer l’angle d’arrivée du signal, en supposant que le signal se propage comme une onde plane. L’AoA peut servir au repérage ou aux services de géolocalisation en temps réel (RTLS).

Avec l’AoD, le signal est envoyé par toutes les antennes d’un point d’ancrage à un appareil doté du Bluetooth à proximité. Ces signaux atteignent cet appareil avec un léger décalage de phase. Ces différences de phase et les informations sur la géométrie des antennes peuvent être utilisées pour calculer l’angle de départ du signal au niveau de l’ancrage. L’AoD est un moyen efficace de mettre en œuvre des solutions d’orientation et de guidage.



Dans une configuration AoD (angle de départ), l’appareil récepteur calcule l’angle de départ du signal au niveau du réseau d’antennes en se basant sur les différences de phase entre les signaux émis par différentes antennes.

L’heure du test
Nous avons testé en détail la technologie de radiogoniométrie Bluetooth 5.1 dans un grand nombre d’applications. Un exemple récent était une preuve de concept AoA pour laquelle nous avons utilisé un servo afin de créer une tête pivotante qui se tournerait vers l’appareil mobile que nous suivions. Cela fournirait donc une preuve évidente que la radiogoniométrie fonctionne bel et bien.

L’appareil mobile dans ce cas de figure était une carte d’application u-blox avec un module basse énergie NINA-B406 Bluetooth 5.1. Sa portée a été fixée à environ 10m, mais elle peut être étendue si nécessaire.

Dans cette PoC, nous disposions d’un unique point d’ancrage intégrant une carte d’antenne u-blox avec un module basse énergie Bluetooth NINA-B411 et notre logiciel u-connectLocate (plus de détails bientôt). La carte d’antenne contient cinq éléments d’antenne à polarisation croisée pour déterminer l’angle de signal entrant sur le plan vertical comme horizontal. Le logiciel sur la carte calcule ensuite l’angle d’arrivée. Cette information sert alors à faire tourner la tête pivotante pour faire face à l’appareil mobile en temps réel.

Nous avons également réalisé un test poussé dans un entrepôt industriel que nous décrivons dans notre livre blanc sur la géolocalisation en intérieur.

Aider les ingénieurs à réduire le délai de commercialisation
L’un des aspects les plus complexes et les plus chronophages de la création de solutions utilisant l’AoA ou l’AoD est la mise au point des algorithmes permettant de calculer l’angle du signal à partir des différences de phase compte tenu des contraintes de ressources inhérentes aux systèmes embarqués dans lesquels ils se trouvent généralement.

Nous avons pour cela développé le logiciel de recherche de direction u-connectLocate pour nos modules NINA-B410 et B411. Il fournit un API qui permet aux ingénieurs d’obtenir l’AoA, de gérer la collecte des données et leur prétraitement, et de supprimer les composants à trajets multiples sur chaque antenne individuelle. Le logiciel s'exécute sur le microcontrôleur (MCU) du module Bluetooth, éliminant le besoin d’un traitement externe. Cela diminue la complexité et la facture du matériel.

Une époque fascinante
Notre époque est tout à fait fascinante pour ceux qui cherchent à créer des solutions nécessitant des fonctionnalités très précises de géolocalisation en intérieur. La radiogoniométrie par Bluetooth permet d’atteindre une précision à moins d’un mètre près et ouvre donc le champ des possibles. Que vous vouliez aider les gens à se repérer dans un hôpital, déterminer l’emplacement exact d’une pièce de machinerie dans un grand entrepôt ou faire quelque chose de complètement différent, la radiogoniométrie par Bluetooth pourrait bien constituer la technologie prodigieusement novatrice qu’il vous faut.

www.u-blox.com

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