MULTI-SENSOR LOCALIZATION AND TRACKING IN DISASTER MANAGEMENT AND INDOOR WAYFINDING FOR VISUALLY IMPAIRED USERS

This dissertation proposes a series of multi-sensor localization and tracking algorithms particularly developed for two important application domains, which are disaster management and indoor wayfinding for blind and visually impaired (BVI) users. For disaster management, we developed two different localization algorithms, one each for Radio Frequency Identification (RFID) and Bluetooth Low Energy (BLE) technology, which enable the disaster management system to track patients in real-time. Both algorithms work in the absence of any pre-deployed infrastructure along with smartphones and wearable devices. Regarding indoor wayfinding for BVI users, we have explored several types of indoor positioning techniques including BLE-based, inertial, visual and hybrid approaches to offer accurate and reliable location and orientation in complex navigation spaces. In this dissertation, significant contributions have been made in the design and implementation of various localization and tracking algorithms under different requirements of certain applications

Infrared ranging in multipath environments for indoor localization of mobile targets

Esta tesis aborda el problema de la medida de diferencias de distancia mediante señales ópticas afectadas por multicamino, aplicada a la localización de agentes móviles en espacios interiores. Los avances en robótica, entornos inteligentes y vehículos autónomos han creado un campo de aplicación específico para la localización en interiores, cuyos requerimientos de precisión (en el rango de los cm) son muy superiores a los demandados por las aplicaciones de localización orientadas a personas, en cuyo contexto se han desarrollado la mayor parte de las alternativas tecnológicas. La investigación con métodos de geometría proyectiva basados en cámaras y de multilateración basados en medida de distancia con señales de radiofrecuencia de banda ancha, de ultrasonido y ópticas han demostrado un rendimiento potencial adecuado para cubrir estos requerimientos. Sin embargo, todas estas alternativas, aún en fase de investigación, presentan dificultades que limitan su aplicación práctica. En el caso de los sistemas ópticos, escasamente estudiados en este contexto, los trabajos previos se han basado en medidas de diferencia de fase de llegada de señales infrarrojas moduladas sinusoidalmente en intensidad. Una infraestructura centralizada computa medidas diferenciales, entre receptores fijos, de la señal emitida desde el móvil a posicionar, y calcula la posición del móvil mediante trilateración hiperbólica a partir de éstas. Estas investigaciones demostraron que se pueden alcanzar precisiones de pocos centímetros; sin embargo, las interferencias por multicamino debidas a la reflexión de la señal óptica en superficies del entorno pueden degradar esta precisión hasta las decenas de centímetros dependiendo de las características del espacio. Así pues, el efecto del multicamino es actualmente la principal fuente de error en esta tecnología, y por tanto, la principal barrera a superar para su implementación en situaciones reales. En esta tesis se propone y analiza un sistema de medida con señales ópticas que permite obtener estimaciones de diferencias de distancia precisas reduciendo el efecto crítico del multicamino. El sistema propuesto introduce una modulación con secuencias de ruido pseudoaleatorio sobre la modulación sinusoidal típicamente usada para medida de fase por onda continua, y aprovecha las propiedades de ensanchamiento en frecuencia de estas secuencias para reducir el efecto del multicamino. El sistema, que realiza una doble estimación de tiempo y fase de llegada, está compuesto por una etapa de sincronización que posibilita la demodulación parcialmente coherente de la señal recibida, seguida de un medidor diferencial de fase sobre las componentes desensanchadas tras la demodulación. Las condiciones de multicamino óptico típicas en espacios interiores, con una componente de camino directo claramente dominante, permiten que el proceso de demodulación recupere más potencia del camino directo que del resto de contribuciones, reduciendo el efecto del multicamino en la estimación final. Los resultados obtenidos demuestran que la aplicación del método propuesto permitiría realizar posicionamiento a partir de señales ópticas con el rendimiento adecuando para aplicaciones de robótica y guiado de vehículos en espacios interiores; además, el progresivo aumento de la potencia y el ancho de banda de los dispositivos optoelectrónicos disponibles permite esperar un incremento considerable de las prestaciones de la propuesta en los próximos años