Ультразвуковая технология позволяет определять звуковые волны с высокими частотами, не воспринимаемыми человеческим ухом, обычно свыше 20 килогерц (кГц). Этот метод ультрозвукового позиционирования нашел свое применение в природе, например, летучие мыши используют его для эхолокации. В разделенных на отдельные комнаты помещениях, таких как больницы или гостиницы, ультразвук может быть эффективным, но для широких открытых пространств требуются дальнейшие исследования и испытания.

В данной статье мы представим обзор ультразвуковых технологий позиционирования и отслеживания внутри помещений. Коммерческие решения в области ультразвукового слежения обещают точное определение объектов с точностью до нескольких сантиметров, возможно, даже на уровне комнаты. Активные исследования по использованию ультразвука для полноценной навигации в помещениях уже показали многообещающие результаты, и предстоящий коммерческий релиз направлен на превращение этого потенциала в реальность.

В интернете сейчас можно найти множество официальных документов и исследовательских презентаций, посвященных ультразвуку. Отделение потенциальных применений этой технологии от уже проверенных развертываний может быть сложной задачей. В данной статье мы постараемся разъяснить некоторые неясности, предоставив обзор ультразвука в целом, принципов его работы в отслеживании и возможности использования текущих доступных решений в комплексной системе навигации внутри помещений.

Использование ультразвука для навигации внутри помещений стало обычной практикой. Ультразвуковое позиционирование позволяет определить расстояние до объектов и создать детальную карту окружающего пространства. Такой подход нашел свое применение в различных сферах, включая робототехнику, системы безопасности и умный дом. Ультразвуковые сенсоры способны точно измерять расстояния и помогать устройствам ориентироваться внутри помещений, обеспечивая надежную навигацию.

Что такое ультразвук?

Ультразвук представляет собой спектр звуковых волн с частотами, выше предела восприятия человека, обычно свыше 20 килогерц (кГц). Это явление природы, широко используемое для определения местоположения и навигации. В этой статье мы рассмотрим примеры использования ультразвука в природе и его значимость для навигации внутри помещений.

Летучие мыши известны своим использованием эхолокации для обнаружения насекомых. Они излучают ультразвуковые импульсы с частотой до 200 кГц и могут воспринимать крайне тонкие различия (до 0,0001 кГц). Китообразные и некоторые рыбы также используют ультразвук для навигации, охоты и общения. На суше собаки и кошки обладают чувствительностью к ультразвуковому спектру, а землеройки могут использовать ультразвук для обнаружения объектов сквозь траву и мох.

Исследования биомимикрии: от животных к технологиям навигации в помещениях

На протяжении десятилетий исследователи задавались вопросом, можно ли превратить биологический успех животных в технологический успех. Различные проекты, такие как Active Bat, Cricket и DOLPHIN, черпали вдохновение из животного мира, в особенности из животных, использующих эхолокацию. Они основывались на принципе измерения времени пролета (ToF) ультразвуковых сигналов от передатчиков к приемникам для определения точного местоположения объектов с точностью до нескольких сантиметров с помощью трилатерации.

Active Bat: расширение зоны покрытия

Система Active Bat использует два передатчика, чтобы увеличить зону покрытия. Потолочные приемники прослушивают ультразвуковые импульсы и передают данные в центральную систему, которая, основываясь на мультилатерации с использованием трех или более приемников, определяет положение передатчика с точностью до 3 см. Но такая система требует большого количества приемников, размещенных под определенными углами, что делает ее дорогостоящей для масштабного применения.

DOLPHIN: улучшение Active Bat

Проект DOLPHIN улучшает систему Active Bat, требуя известные местоположения только нескольких сенсорных узлов. Другие датчики определяют свое положение относительно этих узлов, упрощая систему и снижая затраты.

Cricket: обратный подход

Система Cricket, разработанная Массачусетским технологическим институтом, меняет концепцию Active Bat, устанавливая излучатели в инфраструктуру, а трекеры прослушивают сигналы. Излучатели отправляют радиочастотные и ультразвуковые сигналы, а приемники используют время между получением радиочастотного сигнала и последующим ультразвуковым сигналом для измерения времени пролета звука (ToF). Трекеры определяют ближайший излучатель, используя эти данные и информацию.

Коммерческие решения: преимущества и технические вызовы

Преимущества ультразвукового позиционирования

В отличие от технологий, таких как Wi-Fi или BLE, ультразвук может быть ограничен стенами, дверями и окнами, что позволяет использовать его внутри помещений для точного отслеживания. Это особенно полезно в ситуациях, когда требуется определить местоположение внутри здания. В отличие от сигналов Wi-Fi, которые могут быть нечеткими и проникать сквозь стены, ультразвук остается в пределах комнаты. Таким образом, при использовании ультразвука можно быть уверенным, что взаимодействующие излучатель и приемник находятся в пределах одного помещения, при условии, что препятствия действительно блокируют ультразвуковые сигналы.

Полезность информации о местоположении

В сценариях, где требуется найти определенный объект внутри здания, такой как сервисная тележка в гостинице или инвалидное кресло в больнице, знание комнаты, в которой находится объект, оказывается гораздо более полезным, чем точное расстояние до него от маяка.

Технические вызовы

Однако использование ультразвука для навигации внутри помещений также сталкивается с рядом технических препятствий. Свойство ультразвука, которое является его преимуществом при позиционировании на уровне комнаты и при охоте на летучих мышей, может также стать источником помех. В ограниченном пространстве ультразвук не может проникнуть сквозь препятствия, но может вызывать эхо и рассеиваться по площади, создавая шум. Для преодоления этой проблемы технологии требуется найти способ балансировки сигнала, обеспечивая высокую плотность сигнала для надежного приема, при этом блокируя шум от отраженных и рассеянных сигналов.

Выбор ультразвукового решения: преимущества и ожидания

Преимущества ультразвуковой навигации

В отличие от технологий, таких как Wi-Fi или Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE), ультразвук может быть ограничен стенами, дверями и окнами, что позволяет использовать его внутри помещений для точного отслеживания. Это особенно полезно в ситуациях, когда требуется определить местоположение внутри здания. В отличие от сигналов Wi-Fi, которые могут быть нечеткими и проникать сквозь стены, ультразвук остается в пределах комнаты. Таким образом, при использовании ультразвука можно быть уверенным, что взаимодействующие излучатель и приемник находятся в пределах одного помещения, при условии, что препятствия действительно блокируют ультразвуковые сигналы.

Полезность информации о местоположении

В сценариях, где требуется найти определенный объект внутри здания, такой как сервисная тележка в гостинице или инвалидное кресло в больнице, знание комнаты, в которой находится объект, оказывается гораздо более полезным, чем точное расстояние до него от маяка.

Технические вызовы

Однако использование ультразвука для навигации внутри помещений также сталкивается с рядом технических препятствий. Свойство ультразвука, которое является его преимуществом при позиционировании на уровне комнаты и при охоте на летучих мышей, может также стать источником помех. В ограниченном пространстве ультразвук не может проникнуть сквозь препятствия, но может вызывать эхо и рассеиваться по площади, создавая шум. Для преодоления этой проблемы технологии требуется найти способ балансировки сигнала, обеспечивая высокую плотность сигнала для надежного приема, при этом блокируя шум от отраженных и рассеянных сигналов.

Подробнее ознакомиться с разными сферами применения навигации внутри зданий можно в разделе нашего сайта Отрасли и посмотреть видео на нашем youtube канале.