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Desenvolvimento de metodologias para localização indoor de smartphones com exatidão ao centÃmetro
Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaThis thesis describes the design and implementation of a reliable
centimeter-level indoor positioning system fully compatible with a conventional
smartphone. The proposed system takes advantage of the
smartphone audio I/O and processing capabilities to perform acoustic
ranging in the audio band using non-invasive audio signals and it has
been developed having in mind applications that require high accuracy,
such as augmented reality, virtual reality, gaming and audio guides. The
system works in a distributed operation mode, i.e. each smartphone is
able to obtain its own position using only acoustic signals. To support
the positioning system, a Wireless Sensor Network (WSN) of synchronized
acoustic beacons is used. To keep the infrastructure in sync we
have developed an Automatic Time Synchronization and Syntonization
(ATSS) protocol with a standard deviation of the sync offset error below
1.25 μs. Using an improved Time Difference of Arrival (TDoA) estimation
approach (which takes advantage of the beacon signals’ periodicity)
and by performing Non-Line-of-Sight (NLoS) mitigation, we were
able to obtain very stable and accurate position estimates with an absolute
mean error of less than 10 cm in 95% of the cases and a mean
standard deviation of 2.2 cm for a position refresh period of 350 ms.Esta tese descreve o projeto e a implementação de um sistema de
localização para ambientes interiores totalmente compatÃvel com um
smartphone convencional. O sistema proposto explora a capacidade
de aquisição de sinais áudio e de processamento do smartphone para
medir distâncias utilizando sinais acústicos na banda do audÃvel; foram
utilizados sinais áudio não-invasivos, i.e. com reduzido impacto perceptual
em humanos. No desenvolvimento deste sistema foram consideradas
aplicações que exigem elevada exatidão, na ordem dos centÃmetros,
tais como realidade aumentada, realidade virtual, jogos ou
guias virtuais. Utilizou-se uma infraestrutura de faróis de baixo custo
suportada por uma rede de sensores sem fios (RSSF). Para manter
a infraestrutura sÃncrona, foi desenvolvido um protocolo de sincronização
e sintonização automática, (Automatic Time Synchronization and
Syntonization - ATSS) que garante um desvio padrão do erro de offset
abaixo de 1.25 μs. Cada smartphone efectua medidas MT-TDoA
que posteriormente são utilizadas pelo algoritmo de localização hiperbólica.
As estimativas de posição resultantes são estáveis e precisas,
com um erro médio absoluto menor do que 10 cm em 95% dos casos
e um desvio padrão médio de 2.2 cm, para um perÃodo de atualização
de posição de 350 ms