3D positioning system with optical sensors using encoding techniques
- Autores: Elena Aparicio Esteve
- Directores de la Tesis: Jesús Ureña Ureña (dir. tes.), Álvaro Hernández Alonso (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2022
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Seco Granja (presid.), María del Carmen Pérez Rubio (secret.), Chris Bleakley (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes por la Universidad de Alcalá
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
- español
Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y la mejora de los Sistemas de Posicionamiento Locales (LPS) en interiores, los cuales se utilizan en entornos no compatibles con señales GNSS (Global Navigation Satellite Systems) para localizar, seguir y guiar a personas, objetos o vehículos. Se han realizado numerosos estudios para llevar a cabo un sistema de posicionamiento en entornos interiores, donde las personas pasan aproximadamente el 80% de su tiempo. Algunas de las técnicas propuestas emplean diversas señales, como acústicas, de radiofrecuencia, mecánicas u ópticas, entre otras. Por su bajo coste, facilidad de integración en el entorno de trabajo y ausencia de riesgos para la salud, la tecnología óptica es una alternativa viable que ha comenzado a expandirse rápidamente.
Esta tesis aporta propuestas que permiten establecer las bases para el desarrollo de un LPS óptico basado en técnicas de codificación y sensores QADA. Se han propuesto dos diseños: un LPS orientado a la privacidad, basado en un conjunto de cuatro LEDs transmisores, aunque fácilmente extensible a más emisores, que actúan como balizas en ubicaciones conocidas y un único sensor QADA que actúa como el receptor a posicionar; y un LPS centralizado basado en un conjunto de transmisores móviles y al menos dos receptores QADA colocados en ubicaciones conocidas.
Se han estudiado los módulos transmisor y receptor. En concreto, se propone un esquema de codificación para la emisión del transmisor, que proporciona capacidad de acceso múltiple, así como robustez frente a bajas relaciones señal a ruido y condiciones adversas como los efectos de multicamino y cerca-lejos. Además, para mejorar las prestaciones de la propuesta sin aumentar significativamente el tiempo de emisión, se han analizado diferentes secuencias y sus longitudes, como los códigos LS (Loosely Synchronized) o las secuencias pseudoaleatorias (Kasami).
Por otro lado, el módulo receptor está compuesto por un sensor QADA, una apertura cuadrada y una etapa de filtrado para reducir las interferencias no deseadas. El sensor QADA y la apertura se han modelado para, en primer lugar, analizar la influencia de la longitud de la apertura en la linealidad de las ecuaciones de estimación del punto imagen y, en segundo lugar, determinar los parámetros intrínsecos que modelan el receptor (longitud, altura, desalineación y descentrado de la apertura respecto al sensor QADA), de forma que se pueda implementar un algoritmo de calibración para mejorar la precisión del sistema propuesto.
El LPS tiene como objetivo estimar la posición 3D de un objeto estático o en movimiento. Para ello, se diseñan varios algoritmos basados en técnicas de triangulación con determinación de ángulos de llegada (AoA) y técnicas homograficas que resuelven el problema de la perspectiva de n puntos (PnP) del sistema pin-hole propuesto.
Todas las propuestas han sido verificadas mediante simulaciones y pruebas experimentales en una gran variedad de situaciones: utilizando luz visible o infrarroja, secuencias LS o Kasami, diferentes longitudes de apertura, distintas distancias entre transmisores y receptores, diferentes algoritmos de posicionamiento y varias rotaciones del receptor. Finalmente, las pruebas experimentales han demostrado que es posible posicionar con errores de menos de 5 centímetros
- English
This PhD thesis focuses on the development and improvement of indoor Local Positioning Systems (LPS), which are used in non-GNSS (Global Navigation Satellite Systems) environments to locate, track, and guide people, objects, or vehicles. Numerous studies have been carried out to implement a positioning system in indoor environments, where people spend approximately 80% of their time. Some of the proposed techniques employ a variety of signals, including acoustic, radiofrequency, mechanical, and optical, among others. Because of its low cost, ease of integration into the work environment, and lack of health risks, optical technology is a feasible alternative that has begun to expand.
This thesis aims to provide proposals that can establish the basis for the development of an optical LPS based on encoding techniques and QADA (Quadrant Photodiode Angular Diversity Aperture) sensors. In this way, two designs have been proposed: a privacy-oriented LPS based on a set of four LEDs (easily extendable to more emitters) at known locations and a single QADA sensor acting as the receiver to be positioned; and a centralized LPS based on a set of mobile transmitters and at least two stationary QADA receivers at known locations.
Both the transmitter and receiver modules have been studied. In particular, an encoding scheme is proposed for the transmitter’s emission, providing multiple access capability and robustness against low signal-to-noise ratios and harsh conditions such as multipath and near-far effects. Furthermore, in order to improve the proposal’s performance without significantly increasing the emission time, different sequences and their lengths, such as Loosely Synchronized (LS) codes or pseudo-random sequences (Kasami), have been analysed.
On the other hand, the receiver’s module is composed of a QADA sensor, a square aperture, and a filtering stage to reduce undesired interference. The QADA sensor and the aperture have been modelled in order to firstly analyse the influence of the aperture length on the linearity of the equations in the estimation of the image point, and, secondly, to determine the intrinsic parameters that model the receiver (aperture length, height, misalignment, and centre with respect to the QADA sensor). In that way, a calibration algorithm can be implemented to improve the accuracy of the proposed system.
The proposed optical LPS aims to estimate the 3D position of a stationary or moving target. To accomplish this, various algorithms are designed, based on triangulation techniques with Angles of Arrival (AoA) detection and on homographic techniques that solve the Perspective-n-Point (PnP) problem of the proposed pin-hole system.
All of the aforementioned proposals have been verified by simulations and experimental tests in a variety of situations: using visible or infrared light, LS or Kasami sequences, different aperture lengths, different distances between transmitters and receivers, various positioning algorithms and receiver rotations. Finally, experimental tests have proved that positioning accuracy with errors below 5 centimetres is possible.
- español
