ZMANJŠANJE NAPAK RADIJSKE LOKALIZACIJE V ZGRADBAH

KRAPEŽ, PETER (avtor), Munih, Marko (mentor)

V doktorski disertaciji predstavljamo izboljšanje radijskega merilnega sistema za lokalizacijo v zgradbah. Merilni sistemi za lokalizacijo so sestavljeni iz dveh podsistemov: stacionarnih enot – svetilnikov, katerih položaje poznamo, in mobilnih enot – uporabnikov, katerih položaje določamo. Doktorska disertacija sega na področje obeh podsistemov, z zmanjšanjem napake lokalizacije svetilniških enot z uporabno dodatnih referenčnih svetilnikov in možnostjo enostavnega dodajanja novih svetilnikov v sistem ter z zmanjšanjem napake meritve razdalje med uporabnikom in svetilnikom zaradi njune medsebojne orientacije. V prvem delu disertacije je opisan merilni sistem za lokalizacijo, ki smo ga razvili v Laboratoriju za robotiko. Predstavljen sistem temelji na širokopasovni radijski komunikaciji, ki za merjenje razdalje med dvema radijskima moduloma uporablja smer preleta. Za izide meritev simulacij in eksperimentalnih validacij smo načrtovali in realizirali dva scenarija. Prvega smo izvedli v telovadnici, v velikem, odprtem prostoru, drugega pa v Laboratoriju za robotiko, ki kot manjši prostor z ovirami predstavlja realno okolje za delovanje merilnih sistemov za lokalizacijo. Pri obeh je bila izvedena analiza geometrijskega faktorja postavitve svetilnikov in uporabnika. Tej sledi prikaz referenčnih sistemov in postopki meritev lege uporabnika in referenčnih položajev svetilnikov. Drugi del disertacije se poglobi v hitro avtomatsko lokalizacijo svetilnikov, katerih položaj v delovnem koordinatnem sistemu ni znan. Za avtomatsko lokalizacijo svetilnikov uporabimo dodatne referenčne enote. Postopek omogoča preprosto dodajanje svetilnikov v obstoječ sistem za lokalizacijo z izboljšano lokalizacijo novih svetilnikov. Predstavljena sta (i) postopek avtomatskege lokalizacije svetilnikov z uporabo dodanih referenčnih enot na referenčni plošči za izboljšanje lokalizacije svetilnikov in (ii) analiza vpliva referenčne plošče na lokalizacijo svetilnikov. Skozi poglavje se zvrstijo analize treh lokalizacijskih metod: večdimenzijsko skaliranje, semidefinitno programiranje in iterativna trilateracija. Vse analize so izvedene v dveh scenarijih, ki sta bila uporabljena tudi pri eksperimentalni validaciji metode avtomatske lokalizacije svetilnikov z dodatnimi referenčnimi enotami. V prvem delu simulacij je predstavljena analiza vpliva števila referenčnih enot in njihov položaj na lokalizacijo svetilnikov. S spreminjanjem položaja referenčni plošče je določen njen optimalen položaj. V drugem delu simulacij je opisana analiza vpliva višinske razlike med svetilniki in referenčno ploščo. Sledi eksperimentalna validacija postopka avtomatske lokalizacije svetilnikov z referenčnimi meritvami položajev svetilnikov z uporabo elektronskega tahimetra. Prikazana je dodatna analiza vpliva pozicije referenčne plošče na lokalizacijo svetilnikov z meritvama referenčne plošče na dveh pozicijah. Na koncu je predstavljen celovit postopek avtomatske lokalizacije svetilnikov z referenčno ploščo v delovnem koordinatnem sistemu. Izveden je bil v drugem scenariju s štirimi referenčnimi enotami na referenčni plošči. Končni rezultat avtomatske lokalizacije svetilnikov je bil 0,32 m napake v 3D prostoru. Tretji del doktorske disertacije sestavljajo opis in rezultati modela napake pri meritvi razdalje v odvisnosti od medsebojne orientacije svetilnika in uporabnika, zgrajenega z metodo nevronskih mrež. Za točnejšo lokalizacijo uporabnika potrebujemo točnejše meritve razdalje med svetilniki in uporabnikom. Manjšo napako izmerjene razdalje dosežemo s kompenzacijo napake razdalje v odvisnosti od orientacije. Opisan je mehanizem, ki omogoča rotacijo uporabnika po azimutu in elevaciji in ki je bil razvit za meritve učne množice za nevronsko mrežo. Predstavljena je analiza ustreznosti učnih meritev z nevronskimi mrežami, naučenimi s spremenjenimi učnim meritvami in z meritvami moči prejetega signala. Nato je prikazana izbira števila nevronov v nevronski mreži iz nabora mrež z različnimi konfiguracijami. Sledi validacija izbrane nevronske mreže s podmnožico učnih meritev, ki ni bila uporabljena pri učenju. Postopek eksperimentalne validacije vključuje meritve v Laboratoriju za robotiko z merilnim sistemom za lokalizacijo. Validacija je izvedena s primerjavo z referenčnima sistemoma elektronski tahimeter in Optotrak. Predstavljeni so rezultati meritev uporabnika v šestih legah z uporabo modela za zmanjšanje napake pri meritvi medsebojne razdalje med uporabnikom in svetilnikom. Uporaba modela napake je izboljšala izmerjeno razdaljo za 0,02 m. Disertacija se zaključi s prikazom delovanja modela pri lokalizaciji uporabnika.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: 3D lokalizacija svetilnikov, avtomatska lokalizacija svetilnikov, referenčne enote, širokopasovni radio, merilni sistem za lokalizacijo, meritve razdalje, orientacija uporabnika, model napake meritve razdalje
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Organizacija: FE - Fakulteta za elektrotehniko
• Leto izida: 2021
• PID: 20.500.12556/RUL-131181
• COBISS.SI-ID: 77916931
• Datum objave v RUL: 23.09.2021

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: ERROR REDUCTION IN RADIO-BASED INDOOR LOCALIZATION

Izvleček

Indoor localisation systems have two principal subsystems, stationary units -- anchors, for which positions must be known and mobile units -- tags, which positions are determined with the localisation system. In the doctoral thesis, both subsystems are addressed to overall improve the indoor localisation system. In the first part of the thesis, a localisation system with Ultra-Wideband radio is described. The system measures the distance between anchor and tag with the time-of-flight method. Two scenarios used in simulations and experimental validations are presented. The first scenario was placed in a gym, presenting a big open space. The second was in the Laboratory of Robotics, presenting realistic conditions with obstacles and NLOS conditions, the environment in which localisation systems typically operate. Then an analysis of geometric dilution of precision for anchors and tag for both scenarios is performed. Reference systems and procedures for anchor position and tag pose are described. For the anchor system, a quick calibration is desirable for the new anchors that are positionally undetermined in the working coordinate system. In the second part of the thesis, anchor calibration with an additional calibration unit for improving anchor localisation is presented, and its effect is analysed. Three localisation methods were tested for the anchor calibration: multidimensional scaling, semidefinite programming and iterative trilateration. First anchor localisation accuracy was studied by simulating the change in the number of additional calibration modules and their positions. Analysis of the calibration unit's optimal position is presented. All analyses are conducted for both scenarios. In the second part of the simulations, an analysis of the effect of the height difference between anchors and the calibration unit is presented. Experimental validation of anchor calibration was performed in two scenarios with reference measurements made by an electronic tachymeter. Additional analysis of the calibration unit's position effect on anchor localisation is presented. Finally, complete anchor calibration in a working coordinate system with four calibration modules on the calibration unit is conducted. Errors of less than 0,32 m are achieved in 3D. In the third part of the doctoral thesis, orientation-induced distance error between anchor and tag is addressed. Model based on neural network is presented. A mechanism for rotation of the tag around the azimuth and elevation plane that is used in measurements for learning datasets is described. Analysis of the learning data set with additional neural networks and measurements of received power is presented, which confirmed the correctness of the measurements. For defining the number of neurons in the hidden layer of the neural network, many neural networks with different configurations were made. Validation of selected neural network configuration on a subset of training data not used in the learning process was performed. For experimental validation of the neural network model, measurements were made with the localisation system in the Laboratory of Robotics. Reference measurements were made in combination with an electronic tachymeter and Optotrak reference system. Measurement results of tag in six poses with the use of the neural network model are presented. The use of the model improved the measured distances for 0,02 m. In the end, the effect of the model on tag localisation is presented.

• Ključne besede: 3D anchor localization, anchor calibration, calibration modules, position measurement, time-of-flight, ultra-wideband technology, real-time localization system, distance measurement, error mitigation, tag orientation