Diseño de un simulador para sistemas de localización acústicos subacuáticos basados en secuencias de espectro ensanchado

Las señales acústicas en entornos subacuáticos cada vez tienen más relevancia debido a la necesidad de localizar vehículos submarinos o redes de sensores en el fondo marino. Para desplegar cualquier sistema de posicionamiento, el primer paso es la realización de pruebas simuladas con objeto de conocer las necesidades y restricciones impuestas por el medio. Además, debido a la dificultad y al coste asociado a desplegar demostradores prácticos en entornos subacuáticos, resulta de especial utilidad disponer de modelos de simulación que permitan generar un amplio banco de pruebas, como paso previo a la realización de pruebas experimentales. La herramienta de simulación presentada en este trabajo permite el diseño de las señales emitidas por los transductores, la configuración de la emisión, la batimetría y los diferentes parámetros que caracterizan el entorno, así como la selección y ubicación del hidrófono receptor. Se utilizará un modelo de trazado de rayos para la simulación de la propagación de señales acústicas y se mostrarán los resultados en diferentes etapas del procesamiento: banda base, señal modulada, señal recibida y estimación de la posición.Acoustic signals for positioning systems in underwater environments have become particularly relevant, due to the need of locating underwater vehicles and sensor networks. To successfully deploy these positioning systems, a first common step is to carry out simulated studies to determine the requirements and restrictions imposed by the environment. Furthermore, since the underwater environment involves an additional difficulty and cost when deploying prototypes, it is particularly useful to have computer models available that allow the generation of a wide range of tests, as a previous step to the implementation of any experimental test. For that purpose, this work focuses on the design of a simulation tool for researchers in the field of acoustic localization systems. The proposed tool deals with key parameters and features, such as the generation of the signals emitted by the acoustic transducers (encoding techniques, modulations schemes, etc.), the frequency response and location of emitters and hydrophones, the bathymetry of the seabed, and the channel effects on the ultrasonic signal propagation. A ray tracing model has been applied to model the propagation of acoustic signals. The simulation tool has been successfully validated as a useful asset for this type of positioning systems, by means of a complete set of tests, considering different configurations and situations, and also analyzing the signals involved at different processing stages: baseband, modulated signals, received signals and final estimated positions.Máster Universitario en Ingeniería Industrial (M141

LOCATE-US: Indoor Positioning for Mobile Devices Using Encoded Ultrasonic Signals, Inertial Sensors and Graph- Matching

Indoor positioning remains a challenge and, despite much research and development carried out in the last decade, there is still no standard as with the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) outdoors. This paper presents an indoor positioning system called LOCATE-US with adjustable granularity for use with commercial mobile devices, such as smartphones or tablets. LOCATE-US is privacy-oriented and allows every device to compute its own position by fusing ultrasonic, inertial sensor measurements and map information. Ultrasonic Local Positioning Systems (ULPS) based on encoded signals are placed in critical zones that require an accuracy below a few decimeters to correct the accumulated drift errors of the inertial measurements. These systems are well suited to work at room level as walls confine acoustic waves inside. To avoid audible artifacts, the U-LPS emission is set at 41.67 kHz, and an ultrasonic acquisition module with reduced dimensions is attached to the mobile device through the USB port to capture signals. Processing in the mobile device involves an improved Time Differences of Arrival (TDOA) estimation that is fused with the measurements from an external inertial sensor to obtain real-time location and trajectory display at a 10 Hz rate. Graph-matching has also been included, considering available prior knowledge about the navigation scenario. This kind of device is an adequate platform for Location-Based Services (LBS), enabling applications such as augmented reality, guiding applications, or people monitoring and assistance. The system architecture can easily incorporate new sensors in the future, such as UWB, RFiD or others.Universidad de AlcaláJunta de Comunidades de Castilla-La ManchaAgencia Estatal de Investigació

A survey on acoustic positioning systems for location-based services

Positioning systems have become increasingly popular in the last decade for location-based services, such as navigation, and asset tracking and management. As opposed to outdoor positioning, where the global navigation satellite system became the standard technology, there is no consensus yet for indoor environments despite the availability of different technologies, such as radio frequency, magnetic field, visual light communications, or acoustics. Within these options, acoustics emerged as a promising alternative to obtain high-accuracy low-cost systems. Nevertheless, acoustic signals have to face very demanding propagation conditions, particularly in terms of multipath and Doppler effect. Therefore, even if many acoustic positioning systems have been proposed in the last decades, it remains an active and challenging topic. This article surveys the developed prototypes and commercial systems that have been presented since they first appeared around the 1980s to 2022. We classify these systems into different groups depending on the observable that they use to calculate the user position, such as the time-of-flight, the received signal strength, or the acoustic spectrum. Furthermore, we summarize the main properties of these systems in terms of accuracy, coverage area, and update rate, among others. Finally, we evaluate the limitations of these groups based on the link budget approach, which gives an overview of the system's coverage from parameters such as source and noise level, detection threshold, attenuation, and processing gain.Agencia Estatal de InvestigaciónResearch Council of Norwa

Herramienta de apoyo para comparación de esquemas de codificación en sistemas de localización basados en señales ultrasónicas

En este Trabajo Fin de Grado (TFG) se ha desarrollado una plataforma interactiva mediante GUIDE, herramienta de Matlab, que permite comparar distintos esquemas de codificación y modulación y analizar su desempeño en sistemas de posicionamiento ultrasónicos. Así, mediante dicha herramienta se pueden realizar pruebas con varios códigos (Kasami, Conjuntos de Secuencias Complementarias, Zadoff-Chu y LS), configurando parámetros como la longitud, número de emisores simultáneos o solapamiento entre emisiones. Además, pueden configurarse diversos parámetros de la modulación y añadir efectos típicos sobre la señal ultrasónica (ancho de banda del transductor, ruido ambiente, multicamino, efecto cerca-lejos y Doppler, entre otros) para su evaluación. La herramienta proporciona gráficas de resultados de correlación, espectro en frecuencia y otros valores de interés como las cotas de correlación o el SMR (Sidelobe to Mainlobe Ratio). Además, permite exportar la configuración del esquema de codificación-modulación elegido para la posterior realización de pruebas reales. La herramienta desarrollada es versátil, permite múltiples configuraciones para la evaluación de distintos efectos típicos sobre la señal ultrasónica, así como el análisis comparativo y elección de la codificación más adecuada según la aplicación final.In this Final Degree Project an interactive platform has been developed through GUIDE, tool of Matlab, which allows to compare coding and modulation schemes and analyze their performance in ultrasonic positioning systems. Thus, by means of which it is possible to carry out tests with several codes (Kasami, Complementary Sequence Sets, Zadoff-Chu and LS), configuring the parameters such as the length, the number of simultaneous emitters or the overlap between the emissions. In addition, various parameters of the modulation and the typical effects of the ultrasonic signal (width of the transducer band, ambient noise, multipath, near-far effect and Doppler, among others) can be configured for its evaluation. Graphical tools for correlation results, frequency spectrum and other values of interest such as correlation fees in the SMR (Sidelobe to Mainlobe Ratio). In addition, it allows exporting the configuration of the coding-modulation scheme chosen for the realization of real tests. The developed tool is versatile, allows multiple configurations for the evaluation of the typical effects on the ultrasonic signal, as well as the comparative analysis and the choice of the most appropriate coding according to the final application.Grado en Ingeniería en Electrónica y Automática Industria

Simultaneous excitation systems for ultrasonic indoor positioning

The ultrasonic technology is a tool for indoor positioning systems (IPSs) and has been extensively used in many applications. In ultrasonic IPSs (UIPSs), the use of a chirp signal (in which the frequency varies with time) is widespread due to its capability to obtain high-range resolution through its time-frequency characteristic. It also provides an opportunity to design effective waveform diversity which has always been the key to mitigating multiple-access interference (MAI) in multi-user UIPSs. To explore this, we analyze the chirp signal from the signal design perspective, with the goal of developing a precise and efficient UIPS for multi-user environments. To achieve this, three waveform diversity design schemes are proposed in which all the benefits of the classical chirp, such as high-range resolution, are retained while all the transmitters can transmit chirp signals simultaneously. In each scheme, a linear chirp is divided into two linear sub-chirps with diverse durations and/or bandwidths. This process is optimized by selecting the concatenated sub-chirps that generate a waveform which has a high-range resolution and relatively low interference in the same scheme. Initially, the effectiveness of the proposed schemes is evaluated for five simultaneous excitation signals using several metrics and experimental results are then presented for the ultrasonic indoor positioning

3D Positioning system with optical sensors using encoding techniques

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

Recent Advances in Indoor Localization Systems and Technologies

Despite the enormous technical progress seen in the past few years, the maturity of indoor localization technologies has not yet reached the level of GNSS solutions. The 23 selected papers in this book present the recent advances and new developments in indoor localization systems and technologies, propose novel or improved methods with increased performance, provide insight into various aspects of quality control, and also introduce some unorthodox positioning methods