Parakete seyri hesabı ve parçacık filtresi ile altyapısız yaya konum belirleme

Navigasyon kelimesi genellikle acık alanda, uydular vasıtasıyla konumlama yapılmasıyla sağlanan işlemi tanımlamak için kullanılsa da, son dönemlerde özellikle akıllı telefonların hızlı yayılışı nedeniyle iç̧ mekanlarda da özellikle konum bazlı servislerin gittikçe popüler olması nedeniyle sık sık dile getirilen bir konu haline geldi. Özellikle açık alanlarda hayatın önemli bir parçası olan GNSS bazlı navigasyon, yapılardan yapılara konum takibi ve yönlendirme için kullanılsa da teknik kısıtlardan dolayı iç mekanlarda kullanılamaması nedeniyle konuyla ilgili çözüm olabilecek yaygın teknolojilerin araştırılması ve geliştirilmesi hız kazandı. Mevcut durumda birçok kapalı alan konum takibi yöntemi olsa da genel kabul gören, yaygın kullanımlı bir teknoloji bulunmamaktadır. Büyük akıllı telefon geliştiricilerinin bu konuda bir standardı benimsememesi ile birlikte iç mekanlarda konum takibi konusundaki endüstri ihtiyaçlarının çeşitliliği de böyle tek bir yaygın teknolojinin benimsenmesini zorlaştırmaktadır. Süregelen geliştirme sürecinin de tamamlanması ve hareketli bir araştırma konusu olması nedeniyle mevcut çözümler iyileşmekte ve yeni teknolojiler de doğmaktadır. Burada konu yayaların konum belirlenmesi olduğundan bununla ilgili teknikler incelenecektir. Yaya konum takibinde, işleme bakış açısından farklı yaklaşımlar tanımlanabilir. Mutlak konum belirleme ve göreceli konum belirleme iki ana ayrımdır. Kapalı alanlarda zorlayıcı şartları aşmak amacı ile genellikle tek bir yöntem yerine farklı yöntemlerin kombinasyonları kullanılarak sistem doğruluğu arttırılmaktadır. Mutlak konum belirleme teknolojilerinden en bilinen örnekler WiFi, Bluetooth ve RFID'dir. Bunlar da kendi aralarında birlikte görev alabildikleri gibi bu konuda, açık alanlarda konum takibinde de olduğu gibi, göreceli takip yöntemleri yardımcı rolü üslenmektedir. Göreceli konum belirleme, önceki durumu ve değişen şartları izleyip ölçümleyerek sonraki durumu hesaplama temeline dayanır ve en bilineni parakete seyri hesabıdır. Yaya parakete seyri hesabı bizim örneğimizde çevrimdışı gerçekleşen bir dizi işlem ile konum belirlemeyi açıklamaktadır. Bunlar, sensorlerden toplan atalete dayalı verilerin işlenmesi ile kurulmuş 3 aşamaya tekabül eder: Adım algılama, adım uzunluğu belirleme ve yön belirleme. Adım algılama, ivmeölçer sensoründen alınan ivme bilgisinin genliğinin yerçekimi değeri referans alınarak artı ve eksi yönlerdeki hareketinin gözlemlenmesi ile yapılır. Adım, sürecimizin döngü tetikleyicisi olup, tüm işlemler adımlar arasında döngü şeklinde gerçekleşmektedir. Adım uzunluğu bulma ise bir tahmin işlemidir. Farklı insanların adım uzunluğu farklı olduğu gibi aynı kişinin de adım uzunlukları büyük değişkenlikler gösterir. Bu bağlamda, çalışma içerisinde adım uzunluğunun, adım sıklığı, yani frekansı ile doğrusal bir ilişkisi olduğu gösterilmiş ve bu şekilde işleme alınmıştır. Yön belirleme, yaya parakete seyri hesabının son bileşenidir. Jiroskop, ivmeölçer ve manyetometre rotasyon bilgisi çıkarımında xxiii kullanılmakla birlikte bizim çalışmamızda Jiroskopa dayalı bir yön belirleme yöntemi izlenmiştir. MEMS teknolojisi mikro-elektronik ve mekanik bilimlerinin güçlerini birleştirmesiyle minyatür boyutlarda atalete dayalı verileri ölçen sensorleri mümkün kılmakla birlikte, bir dizi sensor hatası da bu boyutsal küçülme ile birlikte gürültü ve meyil hataları olarak sisteme yansımaktadır. Göreceli konum belirleme ardışık işlemlere dayalı bir süreç olduğundan bu sensorlerden kaynaklı hataların da birikimli olarak artmasına neden olmaktadır ve bu konudaki en zorlayıcı durum budur. Bu sebeple olasılıksal metotlar kullanılarak sistemin doğruluğunun bir olasılık dağılımı yaratılarak arttırılması hedeflenmektedir. Üretilen konum vektörleri belirtilen gürültü ve hatalar nedeniyle belirli bir oranda belirsizlik içermektedir. Bunun için Bayes metotları kullanılarak bu belirsizliği giderilmesi amaçlanmakla birlikte bütün sistemin doğruluğunun arttırılması için bu filtreleme yöntemlerine farklı adımlar eklenmektedir. Bizim örneğimizde, doğrusal olmayan ölçümlerde kullanımı, harita bilgilerinin de füzyon işlemine dahil edilmesi ise daha başarılı sonuçların alındığı vurgulanan parçacık filtresi kullanılmaktadır. Diğer yöntemlerle ilgili çalışmamızda verilen bilgilere ek olarak parçacık filtresinin uygulanma prensibi incelenmektedir. Bu matematiksel metotların tümü dinamik bir sistemde durum vektörünü elde etme amaçlı bir tahmin ve bir güncelleme aşamasını içermektedir. Parçacık filtresi özelinde incelendiğinde, parçacık filtresi üç aşamada uygulanmaktadır. Oluşturulan durum kanıları ağırlıklandırılmış örnekler üzerinden ifade edilen bu yöntemde ilk aşama parçacık üretimidir. Bu aşamada belirli adette parçacık rasgele biçimde alana dağıtılmaktadır. Parçacık adete deneysel olarak, alınmak istenen sistem doğruluk oranı ve işlem yapan cihazın işlemci kapasitesi ile ilgilidir. Sonraki aşama güncelleme, yani parçacık düzeltme aşamasıdır. Burada parçacıklar önceki olasılık değerlerine göre ağırlıklandırılır. Burada alana ait harita bilgisi devreye girmektedir. Harita üzerinde yayaların giremeyeceği ya da bulunma ihtimali olmayan noktalarda bulunan parçacıklar yok edilir. Bizim çalışmamızda harita olarak bir resim kullanılmaktadır. Vektör bazlı haritalar da daha verimli bir şekilde kullanılabilir. Sayısal resim dosyasında konvansiyonel harita bileşenleri olan kapı, duvar gibi elementlere ek olarak, farklı bir yaklaşımla, tefriş bilgisi de harita verisinde kullanılmaktadır. Özellikle hastane gibi kamusal alanlarda tefriş mimari aşamada belirlenir ve buradaki eşyaların binadaki elektrik ve gaz benzeri sistemlere olan bağlantısı nedeniyle konum olarak sabit kabul edilebilirler ve bu eşyalar yürünebilir alanların sınırlandırılmasında kullanılabilir. Daha küçük alan daha az işlemci gereksinimi demek olduğundan verimlilik de artacaktır. Neticede haritada tüm yapısal elemanlar ve tefriş bilgisi beyazdan farklı bir renkle katı olarak boyanarak kullanılmıştır ve bir parçacığın bu sayısal resmin beyaz renk dışında bir piksel üzerinde olma durumu kontrol edilerek yok edilmesine ya da hayatta kalmasına karar verilebilmektedir. Sayısal resmin piksel piksel taranması işlem yoğunluğu yaratmakla birlikte vektörel haritalarda bu işlemler poligonların içinde ya da dışında olmasının daha kolay kontrol edilmesi şeklinde verimli hale getirilebilir. Nihayetinde parçacıklardan bir kısmı silinmiş ve bir kısmı hayatta kalmıştır. İterasyonlar her adımda tekrar edildiğinde bu durum parçacıklarının neslinin tükenmesi ihtimalini doğurmaktadır. Çünkü her döngüde silinen parçacıkların olması durumu eninde sonunda parçacıkların tükenmesine ve sürecin çıkmaza girmesine neden olacaktır. Bu durumu çözmek için parçacık filtresine üçüncü aşaması devreye girer: Yeniden örnekleme. Bu aşamada yeni parçacıklar üretilir. Genel olarak metodolojide parçacık sayısı sabit tutulmaktadır. Yok olan parçacık kadar yeni parçacık üretilmektedir. Her yeni parçacık bir önceki olasılığa göre dağıtılacağından belirlenen konumun doğruluğunun olasılığı da artacaktır. Sonuç olarak, açık alanda konum belirleme teknolojileri üzerine yapılan araştırma, bu yöntemlerle birlikte kullanılan olasılıksal metodlar, bunların özellikleri ve uygulanması konusundaki çalışma ve yapılan karşılaştırmalara dayalı olarak, seçilen yöntemlerin deneysel olarak değerlendirilmesi amaçlı bir Android uygulaması geliştirilmesi ve elde edilen sonuçların paylaşılması şeklinde çalışmamız sonlanmıştır. Araştırmalar sırasında öğrenilen ve değerlendirme esnasında deneyimlenen bilgiler paylaşılmıştır. Buna göre parakete seyri hesabı ile parçacık filtresinin beraber kullanımı, kapalı alanlarda altyapısız konum takibini sadece kısa süreler için mümkün kılmaktadır. Birikimli hatalar belirli ölçüde engellenebilse de son kullanıcı seviyesindeki gerçek bir uygulamada kabul edilemeyecek seviye belirsizlik kat edilen mesafenin artmasıyla artmaktadır. Mutlak bir ya da bir kaç konum belirleme yöntemi ile parakete seyri hesabının bir harita verisiyle birlikte parçacık filtresi kullanılarak füzyonu ideal bir çözüm olarak değerlendirilebilir.