Local positioning system with ultrasonic beacons for 3D environments
- Mannay, Khaoula
- Jesús Ureña Ureña Director
- Taoufik Aguili Codirector/a
- Mohsen Machhout Codirector/a
- Álvaro Hernández Alonso Codirector
Universidad de defensa: Universidad de Alcalá
Fecha de defensa: 24 de febrero de 2021
- Carlos Manuel de Marziani Presidente/a
- Juan Jesús García Domínguez Secretario
- Taher Ezzedine Vocal
Tipo: Tesis
Resumen
Esta tesis doctoral contribuye al desarrollo y mejora de los sistemas de localización y posicionamiento en interiores (ILPS), que se utilizan para localizar, posicionar y rastrear personas, así como objetivos móviles y/o conectados, como robots o teléfonos inteligentes, no sólo en el interior de edificios en ausencia de señales de GNSS (Sistemas Globales de Navegación por Satélite), sino también en situaciones exteriores limitadas con cobertura reducida. Las aplicaciones de posicionamiento en interiores y su interés están creciendo en determinados entornos, como centros comerciales, aeropuertos, hospitales o fábricas. Ya se han aplicado varias tecnologías sensoriales a los sistemas de posicionamiento en interiores, como el infrarrojo, el Wi-Fi, la luz, las cámaras o la radiofrecuencia, en los que los ultrasonidos son una solución común debido a su bajo coste y simplicidad. Esta tesis trata del desarrollo de sistemas de posicionamiento 3D basados en ultrasonidos. Sus contribuciones se dividen en tres bloques. El primero propone un Sistema de Posicionamiento Local por Ultrasonidos en 3D (ULPS), basado en tres unidades de baliza asíncrona de ultrasonidos, capaces de transmitir señales codificadas de forma independiente, y en un prototipo de receptor móvil en 3D. La propuesta se basa en la mencionada unidad de baliza, que consta de cinco transmisores de ultrasonidos orientados hacia la misma zona de cobertura y que ya ha sido probada en el posicionamiento 2D mediante la aplicación de la multilateración hiperbólica. Esas unidades de baliza se calibran manualmente y se colocan en posiciones estratégicas y conocidas de tres paredes perpendiculares (generalmente en el centro del techo y dos paredes perpendiculares). Este enfoque se ha caracterizado y verificado experimentalmente, tratando de maximizar la zona de cobertura, al menos para los tamaños típicos en la mayoría de las salas y espacios públicos. El segundo bloque trata de varios métodos de fusión, para obtener la posición final estimada del receptor móvil existente dentro del espacio de posicionamiento, suponiendo un bajo error acumulativo, después de fusionar los resultados particulares de cada unidad de baliza. Se han presentado e implementado dos formas de fusión: la fusión de acoplamiento loosely y la de acoplamiento tightly. Para el método de acoplamiento débil se han aplicado tres algoritmos: el algoritmo de fusión de la Estimación de Máxima Verosimilitud (MLE), el Filtro Lineal de Kalman (LKF) y el Filtro Adaptativo de Kalman (AKF). Estos algoritmos fusionan las posiciones obtenidas de los diversos ULPSs para obtener una posición final más precisa. En cuanto a los métodos de fusión fuertemente acoplados, también se han aplicado tres algoritmos, que se basan en: el Filtro de Kalman Extendido (EKF) para un solo ULPS; tres EKF para los tres ULPSs independientes; y finalmente un solo EKF para los tres ULPSs. Por otra parte, el tercer bloque propone una arquitectura preliminar SoC basada en un dispositivo FPGA para la etapa receptora, de manera que pueda ser desplegada a bordo de un objetivo móvil (personas, robot, dron, smartphones, etc.). La arquitectura implica un periférico de hardware específico, conectado al procesador, que se encarga de implementar el procesamiento de bajo nivel de las señales ultrasónicas (en particular una demodulación BPSK y una detección de transmisiones codificadas con secuencias Kasami). Por último, todas las propuestas mencionadas se han verificado mediante simulaciones y pruebas experimentales, lo que ha contribuido al diseño y la mejora de los LPS ultrasónicos, así como a la implantación de estos sistemas en varios entornos reales. Las simulaciones y pruebas experimentales han sido satisfactorias, logrando una precisión de posicionamiento en el rango de centímetros en la zona en que se dispone de las coberturas de las tres unidades de baliza ultrasónicas, mientras que está en el rango de decímetros cuando falta la cobertura de una o más unidades de baliza. En particular, se han considerado dos entornos experimentales diferentes: un pequeño volumen con muchos muebles (Lab), y un volumen grande y vacío (Hall); se han realizado pruebas en puntos distribuidos en el entorno para considerar los casos de interés.