Ultrasonic location system

Abstract

Esta tese apresenta um sistema de localização baseado exclusivamente em ultrassons, não necessitando de recorrer a qualquer outra tecnologia. Este sistema de localização foi concebido para poder operar em ambientes onde qualquer outra tecnologia não pode ser utilizada ou o seu uso está condicionado, como são exemplo aplicações subaquáticas ou ambientes hospitalares. O sistema de localização proposto faz uso de uma rede de faróis fixos permitindo que estações móveis se localizem. Devido à necessidade de transmissão de dados e medição de distâncias foi desenvolvido um pulso de ultrassons robusto a ecos que permite realizar ambas as tarefas com sucesso. O sistema de localização permite que as estações móveis se localizem escutando apenas a informação em pulsos de ultrassons enviados pelos faróis usando para tal um algoritmo baseado em diferenças de tempo de chegada. Desta forma a privacidade dos utilizadores é garantida e o sistema torna-se completamente independente do número de utilizadores. Por forma a facilitar a implementação da rede de faróis apenas será necessário determinar manualmente a posição de alguns dos faróis, designados por faróis âncora. Estes irão permitir que os restantes faróis, completamente autónomos, se possam localizar através de um algoritmo iterativo de localização baseado na minimização de uma função de custo. Para que este sistema possa funcionar como previsto será necessário que os faróis possam sincronizar os seus relógios e medir a distância entre eles. Para tal, esta tese propõe um protocolo de sincronização de relógio que permite também obter as medidas de distância entre os faróis trocando somente três mensagens de ultrassons. Adicionalmente, o sistema de localização permite que faróis danificados possam ser substituídos sem comprometer a operabilidade da rede reduzindo a complexidade na manutenção. Para além do mencionado, foi igualmente implementado um simulador de ultrassons para ambientes fechados, o qual provou ser bastante preciso e uma ferramenta de elevado valor para simular o comportamento do sistema de localização sobre condições controladas.

This thesis presents a location system based exclusively on ultrasonic signals, without using any other technology. This location system was designed to operate in environments where the use of other technologies is not possible or the use of them is limited, such as underwater applications or hospital environments. The proposed location system uses a network of fixed beacons allowing the mobile stations to locate. Due to the necessity of data transmission and distance measurement an ultrasonic pulse robust to echoes was developed that allows to perform both tasks with success. The location system allows that mobiles locate themselves only listening to the information in the ultrasonic pulse sent by the beacons, for that an algorithm based on time difference of arrival is used. Therefore, the user privacy is guaranteed as well as the complete independence of the system number of users. To simplify the network implementation it is only necessary to manually define the position of some of the beacons, called anchor beacons. These will allow the remaining autonomous beacons to locate themselves by an iterative location algorithm based on a local cost function minimization. For this system to work properly the beacons must synchronize their clocks and measure the distance between them. Therefore, this thesis proposes a clock synchronization protocol which also allows to measure the distance between the beacons by exchanging only three ultrasonic messages. Additionally, the location system permits that damaged beacons may be replaced without compromising the network operability reducing the maintenance complexity. Additionally, a simplified ultrasonic simulator for indoor environments was developed, which has proved to be very accurate and a valuable tool to simulate the location system behavior under controlled conditions.