Sistemas de posicionamento baseados em comunicação por luz para ambientes interiores

The demand for highly precise indoor positioning systems (IPSs) is growing rapidly due to its potential in the increasingly popular techniques of the Internet of Things, smart mobile devices, and artificial intelligence. IPS becomes a promising research domain that is getting wide attention due to its benefits in several working scenarios, such as, industries, indoor public locations, and autonomous navigation. Moreover, IPS has a prominent contribution in day-to-day activities in organizations such as health care centers, airports, shopping malls, manufacturing, underground locations, etc., for safe operating environments. In indoor environments, both radio frequency (RF) and optical wireless communication (OWC) based technologies could be adopted for localization. Although the RF-based global positioning system, such as, Global positioning system offers higher penetration rates with reduced accuracy (i.e., in the range of a few meters), it does not work well in indoor environments (and not at all in certain cases such as tunnels, mines, etc.) due to the very weak signal and no direct access to the satellites. On the other hand, the light-based system known as a visible light positioning (VLP) system, as part of the OWC systems, uses the pre-existing light-emitting diodes (LEDs)-based lighting infrastructure, could be used at low cost and high accuracy compared with the RF-based systems. VLP is an emerging technology promising high accuracy, high security, low deployment cost, shorter time response, and low relative complexity when compared with RFbased positioning. However, in indoor VLP systems, there are some concerns such as, multipath reflection, transmitter tilting, transmitter’s position, and orientation uncertainty, human shadowing/blocking, and noise causing the increase in the positioning error, thereby reducing the positioning accuracy of the system. Therefore, it is imperative to capture the characteristics of different VLP channel and properly model them for the dual purpose of illumination and localization. In this thesis, firstly, the impact of transmitter tilting angles and multipath reflections are studied and for the first time, it is demonstrated that tilting the transmitter can be beneficial in VLP systems considering both line of sight (LOS) and non-line of sight transmission paths. With the transmitters oriented towards the center of the receiving plane, the received power level is maximized due to the LOS components. It is also shown that the proposed scheme offers a significant accuracy improvement of up to ~66% compared with a typical non-tilted transmitter VLP. The effect of tilting the transmitter on the lighting uniformity is also investigated and results proved that the uniformity achieved complies with the European Standard EN 12464-1. After that, the impact of transmitter position and orientation uncertainty on the accuracy of the VLP system based on the received signal strength (RSS) is investigated. Simulation results show that the transmitter uncertainties have a severe impact on the positioning error, which can be leveraged through the usage of more transmitters. Concerning a smaller transmitter’s position epochs, and the size of the training set. It is shown that, the ANN with Bayesian regularization outperforms the traditional RSS technique using the non-linear least square estimation for all values of signal to noise ratio. Furthermore, a novel indoor VLP system is proposed based on support vector machines and polynomial regression considering two different multipath environments of an empty room and a furnished room. The results show that, in an empty room, the positioning accuracy improvement for the positioning error of 2.5 cm are 36.1, 58.3, and 72.2 % for three different scenarios according to the regions’ distribution in the room. For the furnished room, a positioning relative accuracy improvement of 214, 170, and 100 % is observed for positioning error of 0.1, 0.2, and 0.3 m, respectively. Ultimately, an indoor VLP system based on convolutional neural networks (CNN) is proposed and demonstrated experimentally in which LEDs are used as transmitters and a rolling shutter camera is used as receiver. A detection algorithm named single shot detector (SSD) is used which relies on CNN (i.e., MobileNet or ResNet) for classification as well as position estimation of each LED in the image. The system is validated using a real-world size test setup containing eight LED luminaries. The obtained results show that the maximum average root mean square positioning error achieved is 4.67 and 5.27 cm with SSD MobileNet and SSD ResNet models, respectively. The validation results show that the system can process 67 images per second, allowing real-time positioning.A procura por sistemas de posicionamento interior (IPSs) de alta precisão tem crescido rapidamente devido ao seu interesse nas técnicas cada vez mais populares da Internet das Coisas, dispositivos móveis inteligentes e inteligência artificial. O IPS tornou-se um domínio de pesquisa promissor que tem atraído grande atenção devido aos seus benefícios em vários cenários de trabalho, como indústrias, locais públicos e navegação autónoma. Além disso, o IPS tem uma contribuição destacada no dia a dia de organizações, como, centros de saúde, aeroportos, supermercados, fábricas, locais subterrâneos, etc. As tecnologias baseadas em radiofrequência (RF) e comunicação óptica sem fio (OWC) podem ser adotadas para localização em ambientes interiores. Embora o sistema de posicionamento global (GPS) baseado em RF ofereça taxas de penetração mais altas com precisão reduzida (ou seja, na faixa de alguns metros), não funciona bem em ambientes interiores (e não funciona bem em certos casos como túneis, minas, etc.) devido ao sinal muito fraco e falta de acesso direto aos satélites. Por outro lado, o sistema baseado em luz conhecido como sistema de posicionamento de luz visível (VLP), como parte dos sistemas OWC, usa a infraestrutura de iluminação baseada em díodos emissores de luz (LEDs) pré-existentes, é um sistemas de baixo custo e alta precisão quando comprado com os sistemas baseados em RF. O VLP é uma tecnologia emergente que promete alta precisão, alta segurança, baixo custo de implantação, menor tempo de resposta e baixa complexidade relativa quando comparado ao posicionamento baseado em RF. No entanto, os sistemas VLP interiores, exibem algumas limitações, como, a reflexão multicaminho, inclinação do transmissor, posição do transmissor e incerteza de orientação, sombra/bloqueio humano e ruído, que têm como consequência o aumento do erro de posicionamento, e consequente redução da precisão do sistema. Portanto, é imperativo estudar as características dos diferentes canais VLP e modelá-los adequadamente para o duplo propósito de iluminação e localização. Esta tesa aborda, primeiramente, o impacto dos ângulos de inclinação do transmissor e reflexões multipercurso no desempenho do sistema de posicionamento. Demonstra-se que a inclinação do transmissor pode ser benéfica em sistemas VLP considerando tanto a linha de vista (LOS) como as reflexões. Com os transmissores orientados para o centro do plano recetor, o nível de potência recebido é maximizado devido aos componentes LOS. Também é mostrado que o esquema proposto oferece uma melhoria significativa de precisão de até ~66% em comparação com um sistema VLP de transmissor não inclinado típico. O efeito da inclinação do transmissor na uniformidade da iluminação também é investigado e os resultados comprovam que a uniformidade alcançada está de acordo com a Norma Europeia EN 12464-1. O impacto da posição do transmissor e incerteza de orientação na precisão do sistema VLP com base na intensidade do sinal recebido (RSS) foi também investigado. Os resultados da simulação mostram que as incertezas do transmissor têm um impacto severo no erro de posicionamento, que pode ser atenuado com o uso de mais transmissores. Para incertezas de posicionamento dos transmissores menores que 5 cm, os erros médios de posicionamento são 23.3, 15.1 e 13.2 cm para conjuntos de 4, 9 e 16 transmissores, respetivamente. Enquanto que, para a incerteza de orientação de um transmissor menor de 5°, os erros médios de posicionamento são 31.9, 20.6 e 17 cm para conjuntos de 4, 9 e 16 transmissores, respetivamente. O trabalho da tese abordou a investigação dos aspetos de projeto de um sistema VLP indoor no qual uma rede neuronal artificial (ANN) é utilizada para estimativa de posicionamento considerando um canal multipercurso. O estudo considerou a influência do ruído como indicador de desempenho para a comparação entre diferentes abordagens de projeto. Três algoritmos de treino de ANNs diferentes foram considerados, a saber, Levenberg-Marquardt, regularização Bayesiana e algoritmos de gradiente conjugado escalonado, para minimizar o erro de posicionamento no sistema VLP. O projeto da ANN foi otimizado com base no número de neurónios nas camadas ocultas, no número de épocas de treino e no tamanho do conjunto de treino. Mostrou-se que, a ANN com regularização Bayesiana superou a técnica RSS tradicional usando a estimação não linear dos mínimos quadrados para todos os valores da relação sinal-ruído. Foi proposto um novo sistema VLP indoor baseado em máquinas de vetores de suporte (SVM) e regressão polinomial considerando dois ambientes interiores diferentes: uma sala vazia e uma sala mobiliada. Os resultados mostraram que, numa sala vazia, a melhoria da precisão de posicionamento para o erro de posicionamento de 2.5 cm são 36.1, 58.3 e 72.2% para três cenários diferentes de acordo com a distribuição das regiões na sala. Para a sala mobiliada, uma melhoria de precisão relativa de posicionamento de 214, 170 e 100% é observada para erro de posicionamento de 0.1, 0.2 e 0.3 m, respetivamente. Finalmente, foi proposto um sistema VLP indoor baseado em redes neurais convolucionais (CNN). O sistema foi demonstrado experimentalmente usando luminárias LED como transmissores e uma camara com obturador rotativo como recetor. O algoritmo de detecção usou um detector de disparo único (SSD) baseado numa CNN pré configurada (ou seja, MobileNet ou ResNet) para classificação. O sistema foi validado usando uma configuração de teste de tamanho real contendo oito luminárias LED. Os resultados obtidos mostraram que o erro de posicionamento quadrático médio alcançado é de 4.67 e 5.27 cm com os modelos SSD MobileNet e SSD ResNet, respetivamente. Os resultados da validação mostram que o sistema pode processar 67 imagens por segundo, permitindo o posicionamento em tempo real.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic

A Meta-Review of Indoor Positioning Systems

An accurate and reliable Indoor Positioning System (IPS) applicable to most indoor scenarios has been sought for many years. The number of technologies, techniques, and approaches in general used in IPS proposals is remarkable. Such diversity, coupled with the lack of strict and verifiable evaluations, leads to difficulties for appreciating the true value of most proposals. This paper provides a meta-review that performed a comprehensive compilation of 62 survey papers in the area of indoor positioning. The paper provides the reader with an introduction to IPS and the different technologies, techniques, and some methods commonly employed. The introduction is supported by consensus found in the selected surveys and referenced using them. Thus, the meta-review allows the reader to inspect the IPS current state at a glance and serve as a guide for the reader to easily find further details on each technology used in IPS. The analyses of the meta-review contributed with insights on the abundance and academic significance of published IPS proposals using the criterion of the number of citations. Moreover, 75 works are identified as relevant works in the research topic from a selection of about 4000 works cited in the analyzed surveys

Comunicações com câmara e aprendizagem automática para posicionamento por luz visível em espaços interiores

In this dissertation, a 3D indoor visible light positioning system based on machine learning and optical camera communications is presented. The system uses LED (light-emitting diode) luminaires as reference points and a rolling shutter complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) sensor as the receiver. The LED luminaires are modulated using On-Off Keying (OOK) with unique frequencies. You Only Look Once version 5 (YOLOv5) is used for classification and estimation of the position of each visible LED luminaire in the image. The pose of the receiver is estimated using a perspective-npoint (PnP) problem algorithm. The system is validated using a real-world sized setup containing eight LED luminaires, and achieved an average positioning error of 3.5 cm. The average time to compute the camera pose is approximately 52 ms, which makes it suitable for real-time positioning. To the best of our knowledge, this is the first application of the YOLOv5 algorithm in the field of VLP for indoor environments.Nesta dissertação, é apresentado um sistema de posicionamento 3D por luz visível, baseado em aprendizagem automática e comunicações com câmara. O sistema foi desenvolvido para espaços interiores e utiliza luminárias LED (díodo emissor de luz) como pontos de referência e um sensor CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) como recetor. As luminárias LED são moduladas utilizando OOK (On–Off Keying) com frequências únicas. O algoritmo YOLOv5 (You Only Look Once version 5) é utilizado para classificar e estimar a posição de cada luminária LED visível na imagem. A posição e orientação do recetor é estimada utilizando um algoritmo de geometria projetiva. O sistema foi validado utilizando um setup em tamanho real com 8 luminárias LED, e obteve um erro de posicionamento médio de 3.5 cm. O tempo médio para obter a posição e orientação da câmara é de aproximadamente 52ms, o que torna o sistema adequado para posicionamento em tempo real. Tanto quanto sabemos, esta é a primeira aplicação do algoritmo YOLOv5 para localização por luz visível em espaços interiores.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

A review of smartphones based indoor positioning: challenges and applications

The continual proliferation of mobile devices has encouraged much effort in using the smartphones for indoor positioning. This article is dedicated to review the most recent and interesting smartphones based indoor navigation systems, ranging from electromagnetic to inertia to visible light ones, with an emphasis on their unique challenges and potential real-world applications. A taxonomy of smartphones sensors will be introduced, which serves as the basis to categorise different positioning systems for reviewing. A set of criteria to be used for the evaluation purpose will be devised. For each sensor category, the most recent, interesting and practical systems will be examined, with detailed discussion on the open research questions for the academics, and the practicality for the potential clients

Understanding collaborative workspaces:spatial affordances & time constraints

Abstract. This thesis presents a generic solution for indoor positioning and movement monitoring, positioning data collection and analysis with the aim of improving the interior design of collaborative workspaces. Since the nature of the work and the work attitude of employees varies in different workspaces, no general workspace layout can be applied to all situations. Tailoring workspaces according to the exact needs and requirements of the employees can improve collaboration and productivity. Here, an indoor positioning system based on Bluetooth Low Energy technology was designed and implemented in a pilot area (an IT company), and the position of the employees was monitored during a two months period. The pilot area consisted of an open workplace with workstations for nine employees and two sets of coffee tables, four meeting rooms, two coffee rooms and a soundproof phone booth. Thirteen remixes (BLE signal receivers) provided full coverage over the pilot area, while light durable BLE beacons, which were carried by employees acted as BLE signal broadcasters. The RSSIs of the broadcasted signals from the beacons were recorded by each remix within the range of the signal and the gathered data was stored in a database. The gathered RSSI data was normalized to decrease the effect of workspace obstacles on the signal strength. To predict the position of beacons based on the recorded RSSIs, a few approaches were tested, and the most accurate one was chosen, which provided an above 95% accuracy in predicting the position of each beacon every 3 minutes. This approach was a combination of fingerprinting with a Machine Learning-based Random Forest Classifier. The obtained position results were then used to extract various information about the usage pattern of different workspace areas to accurately access the current layout and the needs of the employees