Telematyka mobilna jest obecnie jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin. Wykorzystanie smartfonów do telematyki pociąga za sobą różne wyraźne korzyści, w tym eliminację kosztów sprzętu. Ponieważ smartfony stają się po prostu naturalne, biorąc pod uwagę, że prawie wszyscy ich używamy, rozwiązania telematyczne oparte na telefonach komórkowych mogą być dość łatwo i skutecznie wdrażane.

Tutaj pokrótce opisujemy, w jaki sposób potencjał telematyki mobilnej można potencjalnie wykorzystać za pomocą wbudowanych nowoczesnych czujników smartfonów.

Czujniki i funkcje

Nowoczesne smartfony wyposażone w wydajne wielozadaniowe systemy operacyjne, bogaty zestaw wbudowanych czujników, zaawansowane mikroprocesory i technologię komunikacji bezprzewodowej / przewodowej są szeroko rozpowszechnione na całym świecie. Ze względu na stale rosnące rozpowszechnienie smartfonów na całym świecie, branża telematyki samochodowej uzyskała nowe ścieżki gromadzenia danych, co z kolei przyniosło korzyści właścicielom flot, kierowcom, firmom i całemu społeczeństwu.

Wbudowane czujniki smartfonów są jednymi z kluczowych komponentów, zapewniających rozwój funkcji telematycznych opartych na urządzeniach mobilnych. Na pewno rzeczywisty zestaw czujników w dużej mierze zależy od konkretnego modelu smartfona, ale niektóre z nich stały się już bardzo często używane:

• Odbiornik GPS
• Żyroskop
• Akcelerometr
• Magnetometr
• Czujnik zbliżeniowy.

Urządzenia GPS w smartfonach otrzymują ping z satelity, aby dowiedzieć się, w której części planety stoi lub przejeżdża. GPS nie jest jedynym sposobem, w jaki smartfon może sprawdzić, gdzie się znajduje – odległość do wież komórkowych może być również wykorzystana jako przybliżona pozycja. Nowoczesne urządzenia GPS w smartfonach mogą łączyć sygnały GPS z innymi zestawami danych, na przykład siłą sygnału komórkowego, w celu dokładniejszego oszacowania lokalizacji.

Akcelerometr wykrywa przyspieszenie, wibracje i pochylenie, aby określić ruch i dokładną orientację wzdłuż trzech osi. Aplikacje mogą korzystać z tego czujnika smartfona, aby określić, czy jest w orientacji pionowej, czy poziomej. Może również określić, czy ekran telefonu jest skierowany w górę, czy w dół. Akcelerometr może wykryć, jak szybko smartfon porusza się w dowolnym kierunku liniowym, a sam składa się z innych czujników, takich jak mikroskopijna struktura kryształu, która zostaje obciążona siłami przyspieszenia. Zasada działania opiera się na MEMS (Micro Electro Mechanical System), który wyczuwa / mierzy siły przyspieszenia, które mogą być spowodowane ruchem lub przechylaniem.

Żyroskop z kolei pomaga akcelerometrowi w ustaleniu, w jaki sposób ustawiony jest smartfon, co znacznie zwiększa precyzję. Żyroskop jest szczególnie przydatny w wykrywaniu małych zakrętów z wystarczającą dokładnością: może określić, o ile obrócił smartfon iw jakim kierunku. Podobnie jak akcelerometry, nowoczesne żyroskopy do smartfonów są również zwykle oparte na MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems).

Magnetometr mierzy pole magnetyczne i może określić kierunek północy, zmieniając napięcie wyjściowe telefonu. Działa symbiotycznie z danymi pochodzącymi z modułu GPS i akcelerometru, co pomaga określić lokalizację i kierunek ruchu.

Czujnik zbliżeniowy jest zasadniczo połączeniem podczerwonej diody LED, która wysyła impulsy świetlne i detektora światła wychwytującego odbite impulsy oraz obwodów elektronicznych, które dokładnie mierzą różnicę czasu między emisją impulsu a wykryciem jego odbicia.

Najczęściej służy do wyłączania ekranu dotykowego podczas prowadzenia rozmowy ze smartfonem umieszczonym blisko ucha. Podobne typy czujników używane w przemyśle do wykrywania obecności obiektów lub materiałów, a następnie inicjowania akcji / sygnalizowania ich obecności lub braku.

Telematyka pojazdu za pomocą smartfona

Ze względu na stale rozwijającą się łączność ze smartfonami na całym świecie, przemysł samochodowy i telematyczny stworzył nowe możliwości gromadzenia danych, co z kolei przyniosło korzyści właścicielom flot, kierowcom i całemu społeczeństwu.

Rozwiązania oparte na smartfonach są stosunkowo tanie, skalowalne i można je aktualizować. Ponadto smartfony mogłyby działać jako naturalna platforma zapewniająca natychmiastowe informacje zwrotne od kierowcy, umożliwiając płynną integrację usług telematycznych z istniejącymi sieciami.

Ponadto cykle wymiany i rozwoju smartfonów są zwykle zauważalnie krótsze w porównaniu do pojazdów, co czyni je korzystną opcją do testowania nowych technologii.

Proces przepływu informacji w telematyki pojazdu opartej na smartfonach przedstawiono na poniższym rysunku. Pomiary można zbierać zarówno z wbudowanych czujników smartfonów, jak i zewnętrznych, uzupełniających się systemów czujników.

Po wykryciu i przetworzeniu pomiarów dane są przesyłane ze smartfona do centralnego magazynu danych. Dane pojazdu z agregowane w centralnym punkcie mogą być wykorzystywane np. Do szacowania stanu ruchu, planowania ruchu lub porównawczej analizy kierowców. Odpowiednie informacje są odsyłane do indywidualnego użytkownika.

Liczba obliczeń wykonywanych bezpośrednio na smartfonie i w centralnej jednostce pamięci zależy od konkretnego przypadku, żądanych informacji zwrotnych od kierowcy i zainteresowań usługodawcy.

Telematyka często charakteryzuje się włączeniem pętli sprzężenia zwrotnego, która umożliwia użytkownikowi końcowemu wyposażonemu w czujnik kontrolowanie lub zmianę swojego zachowania w oparciu o wyniki analizy danych. W telematyce samochodowej opartej na smartfonach przykładem może być kierowca, który przesyła dane dotyczące jazdy, a następnie otrzymuje informacje zwrotne, które można wykorzystać do poprawy bezpieczeństwa lub obniżenia zużycia paliwa.

Nawigacja samochodowa oparta na smartfonach jest ograniczona faktem, że pomiary czujników zależą nie tylko od dynamiki pojazdu, ale także od orientacji, pozycji i ruchów smartfona względem pojazdu. Poniższy rysunek przedstawia trzy układy współrzędnych będące przedmiotem zainteresowania w nawigacji samochodowej opartej na smartfonach oraz metody, które można zastosować do wnioskowania o ich zależności.

Po oszacowaniu orientacji smartfona względem pojazdu pomiary IMU (Inertial Measurement Unit) można obrócić do ramy pojazdu, umożliwiając oszacowanie przyspieszenia w kierunku pojazdu do przodu bezpośrednio z pomiarów IMU.

Charakterystyka zachowania / wydajności jazdy za pomocą czujników ruchu stała się dziedziną szybko ewoluującą. Wcześniej charakterystyka ta była wykonywana za pomocą sygnałów pochodzących z dodatkowego wyposażenia zainstalowanego wewnątrz pojazdu, takiego jak urządzenia diagnostyki pokładowej (OBD) lub czujniki w pedałach.

Przykład: Analiza zachowania kierowcy za pomocą czujników smartfona.

Poniżej rozważymy przykład podany w [Сonstandinos X. Mavromoustakis i in., 2017]. Wdrożono oparty na użytkowaniu system informacji o ubezpieczeniach samochodowych, który składa się z dwóch elementów. Pierwszym elementem jest aplikacja Android na smartfony i tablety, która wykrywa zachowanie kierowcy, analizując dane zebrane z czujników urządzenia. Drugi element to platforma elektroniczna, na której ktoś może mieć dostęp do wszystkich danych (informacji o podróżach, tras przejazdów, wykresów danych z czujnika) wszystkich kierowców, firmy ubezpieczeniowej.

Aby uzyskać dokładne pomiary ze smartfona w celu oceny jakości jazdy, należy najpierw skalibrować położenie urządzenia w stosunku do pojazdu. Oznacza to wirtualne obrócenie trzech osi czujnika przyspieszenia smartfona w celu dostosowania go do orientacji pojazdu. Aby to zrobić, trzeba znać wszystkie kąty obrotu. Do obliczenia kątów obrotu wykorzystano specjalną funkcję.

Po kalibracji autorzy połączyli dane z trzech wbudowanych czujników smartfonów: akcelerometru, magnetometru i żyroskopu, aby uzyskać trzy kąty orientacji. Dane żyroskopu o niskim poziomie szumów są używane tylko do zmian orientacji w krótkich odstępach czasu. Dane z akcelerometru i magnetometru służą do obsługi informacji w długich odstępach czasu.

Stosowany algorytm charakteryzuje zachowanie kierowcy jako; doskonałe, bardzo dobre, dobre, złe lub bardzo złe i oblicza średnią prędkość pojazdu na końcu każdej podróży.

Wspomniane pokrótce badania autora pokazują, że najlepszą praktyką rozpoznawania wzorców jazdy jest wykorzystanie danych z akcelerometru. Zdaniem autorów powodem nie jest to, że metodologia łączenia czujników nie jest dokładna ani niezawodna, ale raczej to, że fuzja czujników nie jest najlepszą opcją do wykrywania ostrych zakrętów lub ostrych zmian pasa ruchu.

Telematyka pojazdów oparta na smartfonach: Wyzwania.

Zauważalna liczba wbudowanych czujników smartfonów jest często dyskusyjnej jakości i nie była pierwotnie zaprojektowana do zastosowań telematycznych w pojazdach.

Dlatego zastosowane algorytmy muszą koniecznie uwzględniać niedokładność czujników smartfona. Innym trudnym aspektem jest to, że smartfona nie można łatwo ustawić bardzo precyzyjnie względem pojazdu, co pociąga za sobą pewne błędy w interpretacji danych z czujników zależnych od orientacji, takich jak żyroskopy, akcelerometry i magnetometry.

Kolejną kwestią jest żywotność baterii i zużycie energii. Wszystkie te aspekty sprawiają, że dyskusje na temat solidności i wydajności telematyki opartej na smartfonach pozostają otwarte.

Dzięki dalszemu rozwojowi zaawansowanych algorytmów, poprawie jakości czujników i pojawieniu się nowych typów czujników, niektóre ze wspomnianych problemów można by skuteczniej rozwiązać.

Bibliografia:

• Constandinos X. Mavromoustakis et al., Advances in Mobile Cloud Computing and Big Data in the 5G Era. 2017.
• Johan Wahlström et al., Smartphone-based Vehicle Telematics — A Ten-Year Anniversary. 2016.
• Sara Hernández Sánchez et al., Estimating Vehicle Movement Direction from Smartphone
  Accelerometers Using Deep Neural Networks, 2018.
• Jair Ferreira, Júnior et al., Driver behavior profiling: An investigation with different smartphone
  sensors and machine learning. 2017.
• Marco Grossi. A sensor-centric survey on the development of smartphone measurement and sensing
  systems. Measurement – Journal of the International Measurement Confederation (IMEKO), Elsevier, 2019, 135, pp.572-592.
• https://www.navixy.com
• https://fossbytes.com/which-smartphone-sensors-how-work
• https://gizmodo.com/all-the-sensors-in-your-smartphone-and-how-they-work-1797121002
• Noufal Kunnathu, Biometric User Authentication on Smartphone Accelerometer Sensor Data. 2015.
• https://www.droidviews.com/what-do-smartphone-sensors-do
• Natalia Chandra et al., Implementation of Gyroscope Sensor to Presentation Application on Android Smartphone. 2018.
• Data Sheet: Technical Data. Xtrinsic MAG3110 Three-Axis, Digital Magnetometer.  2011-2013 Freescale Semiconductor.
• Julien Happich, IR time-of-flight proximity sensor opens up new smartphone user interactions. 2013.
• https://talks.navixy.com