ALO: Sistemas de localización y orientación por ángulos basados en recepción diferencial
Author
Elvira Díaz, SantiagoAdvisor
Castro, Ángel deEntity
UAM. Departamento de Tecnología Electrónica y de las ComunicacionesDate
2016-07-20Subjects
Ultrasonidos - Tesis doctorales; Comunicación sin cable, Sistemas de - Tesis doctorales; Telecomunicaciones - Tesis doctorales; ElectrónicaNote
Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Escuela Politécnica Superior. Fecha de lectura : 20-07-2016Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
Abstract
La presente tesis doctoral presenta un algoritmo diseñado para proporcionar la localización y orientación a un nodo, necesitando para ello la existencia de una serie de balizas cuyas posiciones deben ser conocidas. El algoritmo propuesto se ha implementado utilizando señales de ultrasonidos como medio de comunicación entre balizas y nodos, obteniendo un sistema en el que los nodos son capaces de localizarse y orientarse en el interior de viviendas o naves de forma precisa (el sistema alcanza precisiones de unos pocos centímetros en la localización y de unos pocos grados en la orientación) acarreando un reducido coste adicional para cada nodo.
El algoritmo se basa en que cada uno de los nodos mide el retardo con el que se recibe la señal generada por cada baliza mediante el uso de varios receptores desplegados en el propio nodo. Posteriormente, el nodo utiliza esta información para determina el ángulo con el que se recibe la señal y, combinando los ángulos percibidos por el nodo respecto a varias balizas, determinar su posición y orientación en todo momento.
El algoritmo demanda un reducido coste computacional, lo que permite implementarlo en los microcontroladores o FPGAs de que ya disponen los nodos para realizar las tareas de navegación y sensado, por lo que no se incurre en un coste adicional en este sentido. Además, como el algoritmo se ejecuta en cada uno de los nodos de forma autónoma, el sistema resultante es altamente escalable, permitiendo desplegar cualquier número de nodos en un determinado espacio.
En esta tesis se presentan cuatro variantes del algoritmo, las cuales se analizan en detalle tanto analítica como experimentalmente. Cada una de estas variantes permite elegir entre diferentes prestaciones, permitiendo el desarrollo de sistemas en donde cada nodo sólo necesita de un receptor, pero demanda recibir la señal de al menos 4 balizas para poder conocer su posición, hasta dispositivos con cuatro receptores que sólo necesitan de 2 balizas para conocer su posición y orientación y, además, pueden funcionar incluso con la pérdida de uno de sus receptores (a costa de una menor precisión). La decisión entre una u otra variante del algoritmo depende de las necesidades del sistema, siendo posible combinarlas.
Adicionalmente, en la presente tesis se recogen los resultados obtenidos al cambiar la tecnología de ultrasonidos por una basada en sonido en el rango audible por el ser humano. Se demuestra que dicha tecnología no es adecuada al obtener mucha menor precisión debido, principalmente, al uso de una menor frecuencia en la señal de referencia y a la interferencia generada por los rebotes en las paredes, techo y objetos situados en el entorno de aplicación. This doctoral thesis presents an algorithm designed to provide the localization and orientation information to a node, requesting the deployment of multiple beacons whose positions shall be known. The performance of the algorithm has been tested using ultrasounds as the reference signals between the beacons and the nodes, obtaining a system where the nodes can locate and orientate themselves precisely in an indoor environment (with an error of a few centimeters in their position and an error of a few degrees in their orientation), demanding a low cost increase to each node.
This algorithm is based on measuring the propagation delay of the signal generated at the beacons in multiple receivers deployed in each node. With this information, the node is able to know the reception angle of the signal and, combining the angles received with respect to different beacons, determines its position and orientation.
The computational cost of the algorithm is so low that it can be implemented in the microcontrollers or FPGAs already used in the node for the navigation and sensing tasks, so it does not incur in any additional cost for computational purposes. Additionally, as the algorithm is executed autonomously in each node, the system supports any number of nodes deployed in a defined region, resulting in a high scalable system.
Four versions of the algorithm are presented, analyzed and experimentally tested. These alternatives allow choosing a different algorithm in function on the performance demanded by the system: from systems where the node only needs one receiver, but demands staying in an area covered by four beacons to know the position of the node, up to systems where the node demands four receivers, but only needs two beacon signals to know its position and orientation. These alternatives can be combined, increasing the performance of the system.
Additionally, this document shows the results obtained when the algorithm is implemented with sound signals, concluding that this technology is not a good choice as it obtains lower performance than the same algorithm implemented with ultrasonic technology. This lower performance is caused due to the lower frequency of sound signals and due to the interferences of the rebounds on the ceiling, walls and objects deployed in the environment.
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