Constrained Localization: A Survey

International audienceIndoor localization techniques have been extensively studied in the last decade. The wellestablished technologies enable the development of Real-Time Location Systems (RTLS). A good body of publications emerged, with several survey papers that provide a deep analysis of the research advances. Existing survey papers focus on either a specific technique and technology or on a general overview of indoor localization research. However, there is a need for a use case-driven survey on both recent academic research and commercial trends, as well as a hands-on evaluation of commercial solutions. This work aims at helping researchers select the appropriate technology and technique suitable for developing low-cost, low-power localization system, capable of providing centimeter level accuracy. The article is both a survey on recent academic research and a hands-on evaluation of commercial solutions. We introduce a specific use case as a guiding application throughout this article: localizing low-cost low-power miniature wireless swarm robots. We define a taxonomy and classify academic research according to five criteria: Line of Sight (LoS) requirement, accuracy, update rate, battery life, cost. We discuss localization fundamentals, the different technologies and techniques, as well as recent commercial developments and trends. Besides the traditional taxonomy and survey, this article also presents a hands-on evaluation of popular commercial localization solutions based on Bluetooth Angle of Arrival (AoA) and Ultra-Wideband (UWB). We conclude this article by discussing the five most important open research challenges: lightweight filtering algorithms, zero infrastructure dependency, low-power operation, security, and standardization

RRDV: Robots Rendez-Vous Detection Using Time-Synchronized Ultrasonic Sensors

International audienceIn this paper we propose RRDV, a system for robot-to-robot encounter detection. We use low-cost ultrasound sensor and time-synchronized mobile robots to detect when two robots are facing one another. Ultrasound ranging is triggered by the control application on a computer. The application sends a ranging command to the gateway, which broadcasts it to the mobile robots over the radio. Robots synchronize their ultrasound trigger pin with the start of frame event and send back the notifications with measured distances using Time-Division Multiple Access (TDMA). The system then finds the encounters by searching for timestamps where the difference in distance reported by two robots is less then 1 cm. In the current implementation, the system achieves a 20 Hz distance measurement update rate. RRDV is validated experimentally using 5 mobile robots which are controlled by the users and moved randomly. We implemented a Computer Vision (CV) algorithm for tracking mobile robots as they move and detect when they are facing one another. The CV algorithm is used as the ground truth for the experimental evaluation. The results show 96.7% successfully detected robot encounters, when the duration of the encounter is more than 5 s

Localisation en environnements contraints

This thesis focuses on low-power localization in constrained environments, without the need for localization infrastructure. We consider two target use cases: localizing boats in a marina, and localizing mobile robots in an indoor environment. We start by evaluating two RF-based Real-Time Localization Systems (RTLS), based on Bluetooth Angle-of-Arrival and Ultra-Wide Band ranging. Their main drawbacks are that they require the prior deployment of anchors and are not low power, making them poorly compatible with our target use cases. This work contributes to addressing these drawbacks by proposing two novel systems: WELOC and Blip. We further propose RRDV, a robot encounter detection solution for multi-robot systems. WELOC is an ultrasound-based localization system that re-purposes boat presence detection sensors already deployed in the marina. It features a scheduling scheme that triggers each presence sensors' ultrasonic transceiver at specific times. WELOC introduces a battery-powered mobile device capable of securely communicating with both ultrasound and radio signals, designed entirely from off-the-shelf components. Real-world tests in a real-life marina in the South of France show a mobile device can be localized with cm-level accuracy when it is up to 10 m away from presence sensors. Blip is a system for boat identification in a marina, which only requires a software update to existing smart marina sensor systems. It uses the information from already installed boat monitoring sensors (mounted in a boat's cabin), and combines that with the information from the fixed infrastructure of presence sensors to identify boats on slips. In our real-world tests, the system exhibits 100 % boat identification accuracy. This thesis further proposes RRDV, a system for detecting robot-to-robot encounters in a multi-robot system. Many robots are already equipped with an ultrasound sensor for measuring the distance to objects in front of them. RRDV is a software update to those robots, allowing them to use those ultrasound sensors for detecting encounters with other robots. When testing RRDV on a real-world multi-robot system, it correctly detects 96.7% of the times two robots face one another for 5~s or more. The thesis contributes to the growing research field of localization and low-power wireless by proposing innovative solutions for low-power and accurate localization in constrained environments. While these solutions have countless applications well beyond the ones outlined in this thesis, we chose the use cases of localization of boats in marinas and localization of robots in an indoor environment to remain perfectly focused. The thesis demonstrates the effectiveness of ultrasound-based systems and highlights the potential of ubiquitous off-the-shelf hardware for the development of localization systems.Cette thèse se concentre sur la localisation à faible puissance dans des environnements contraints, sans nécessiter d'infrastructure de localisation. Nous considérons deux cas d'utilisation cibles: la localisation de bateaux dans un port de plaisance, et la localisation de robots mobiles dans un environnement intérieur. Nous commençons par évaluer deux systèmes de localisation en temps réel ("Real Time Localition System" en anglais, RTLS) basés sur les radiofréquences (Bluetooth Angle-of-Arrival et Ultra-Wide Band ranging). Leurs principaux inconvénients sont qu'ils nécessitent le déploiement préalable de points d'ancrage, et qu'ils ne sont pas à faible consommation, ce qui les rend peu compatibles avec nos cas d'utilisation cibles. Ce travail contribue à remédier à ces inconvénients en proposant deux nouveaux systèmes: WELOC et Blip. Nous proposons également RRDV, une solution de détection de rencontre de robots pour les systèmes multi-robots. WELOC est un système de localisation basé sur les ultrasons qui réutilise les capteurs de détection de présence des bateaux déjà présents dans la marina. Il comporte un système de programmation qui déclenche l'émetteur-récepteur ultrasonique de chaque capteur de présence à des moments précis. WELOC présente le design d'un appareil mobile alimenté par batterie, capable de communiquer en toute sécurité à la fois par ultrasons et par signaux radio, et conçu à partir de composants disponibles sur le marché. Des essais en conditions réelles dans un port de plaisance dans le sud de la France montrent que l'appareil mobile peut être localisé avec une précision de l'ordre du centimètre, tout en étant à une distance de 10 m des capteurs de présence. Blip est un système d'identification des bateaux dans un port de plaisance, qui ne nécessite qu'une mise à jour logicielle des systèmes de capteurs intelligents existants dans les ports de plaisance. Il utilise les informations fournies par les capteurs de surveillance des bateaux déjà présents (installés dans la cabine d'un bateau) et les combine avec les informations provenant de l'infrastructure fixe des capteurs de présence pour identifier les bateaux sur les emplacements. Lors de nos essais en conditions réelles, le système a fait preuve d'une précision de 100 % dans l'identification des bateaux. Cette thèse propose également RRDV, un système de détection de rencontres entre robots dans un système multi-robots. De nombreux robots sont déjà équipés d'un capteur à ultrasons pour mesurer leur distance à des objets devant eux. RRDV est une mise à jour logicielle pour ces robots, leur permettant d'utiliser ces capteurs à ultrasons pour détecter les rencontres avec d'autres robots. En testant RRDV sur un système multi-robots réel, il détecte correctement 96.7% des fois où deux robots se font face pendant 5 s ou plus. La thèse contribue au domaine de recherche croissant de la localisation et des communications sans-fil à faible consommation, en proposant des solutions innovantes pour des systèmes de localisation précis et à faible consommation dans des environnements contraints. Ces solutions ont des applications non seulement dans l'industrie maritime mais aussi dans les systèmes multi-robots. La thèse démontre l'efficacité des systèmes basés sur les ultrasons et met en évidence le potentiel du matériel ubiquitaire prêt à l'emploi pour le développement de systèmes de localisation

Localisation en environnements contraints

This thesis focuses on low-power localization in constrained environments, without the need for localization infrastructure. We consider two target use cases: localizing boats in a marina, and localizing mobile robots in an indoor environment. We start by evaluating two RF-based Real-Time Localization Systems (RTLS), based on Bluetooth Angle-of-Arrival and Ultra-Wide Band ranging. Their main drawbacks are that they require the prior deployment of anchors and are not low power, making them poorly compatible with our target use cases. This work contributes to addressing these drawbacks by proposing two novel systems: WELOC and Blip. We further propose RRDV, a robot encounter detection solution for multi-robot systems. WELOC is an ultrasound-based localization system that re-purposes boat presence detection sensors already deployed in the marina. It features a scheduling scheme that triggers each presence sensors' ultrasonic transceiver at specific times. WELOC introduces a battery-powered mobile device capable of securely communicating with both ultrasound and radio signals, designed entirely from off-the-shelf components. Real-world tests in a real-life marina in the South of France show a mobile device can be localized with cm-level accuracy when it is up to 10 m away from presence sensors. Blip is a system for boat identification in a marina, which only requires a software update to existing smart marina sensor systems. It uses the information from already installed boat monitoring sensors (mounted in a boat's cabin), and combines that with the information from the fixed infrastructure of presence sensors to identify boats on slips. In our real-world tests, the system exhibits 100 % boat identification accuracy. This thesis further proposes RRDV, a system for detecting robot-to-robot encounters in a multi-robot system. Many robots are already equipped with an ultrasound sensor for measuring the distance to objects in front of them. RRDV is a software update to those robots, allowing them to use those ultrasound sensors for detecting encounters with other robots. When testing RRDV on a real-world multi-robot system, it correctly detects 96.7% of the times two robots face one another for 5~s or more. The thesis contributes to the growing research field of localization and low-power wireless by proposing innovative solutions for low-power and accurate localization in constrained environments. While these solutions have countless applications well beyond the ones outlined in this thesis, we chose the use cases of localization of boats in marinas and localization of robots in an indoor environment to remain perfectly focused. The thesis demonstrates the effectiveness of ultrasound-based systems and highlights the potential of ubiquitous off-the-shelf hardware for the development of localization systems.Cette thèse se concentre sur la localisation à faible puissance dans des environnements contraints, sans nécessiter d'infrastructure de localisation. Nous considérons deux cas d'utilisation cibles: la localisation de bateaux dans un port de plaisance, et la localisation de robots mobiles dans un environnement intérieur. Nous commençons par évaluer deux systèmes de localisation en temps réel ("Real Time Localition System" en anglais, RTLS) basés sur les radiofréquences (Bluetooth Angle-of-Arrival et Ultra-Wide Band ranging). Leurs principaux inconvénients sont qu'ils nécessitent le déploiement préalable de points d'ancrage, et qu'ils ne sont pas à faible consommation, ce qui les rend peu compatibles avec nos cas d'utilisation cibles. Ce travail contribue à remédier à ces inconvénients en proposant deux nouveaux systèmes: WELOC et Blip. Nous proposons également RRDV, une solution de détection de rencontre de robots pour les systèmes multi-robots. WELOC est un système de localisation basé sur les ultrasons qui réutilise les capteurs de détection de présence des bateaux déjà présents dans la marina. Il comporte un système de programmation qui déclenche l'émetteur-récepteur ultrasonique de chaque capteur de présence à des moments précis. WELOC présente le design d'un appareil mobile alimenté par batterie, capable de communiquer en toute sécurité à la fois par ultrasons et par signaux radio, et conçu à partir de composants disponibles sur le marché. Des essais en conditions réelles dans un port de plaisance dans le sud de la France montrent que l'appareil mobile peut être localisé avec une précision de l'ordre du centimètre, tout en étant à une distance de 10 m des capteurs de présence. Blip est un système d'identification des bateaux dans un port de plaisance, qui ne nécessite qu'une mise à jour logicielle des systèmes de capteurs intelligents existants dans les ports de plaisance. Il utilise les informations fournies par les capteurs de surveillance des bateaux déjà présents (installés dans la cabine d'un bateau) et les combine avec les informations provenant de l'infrastructure fixe des capteurs de présence pour identifier les bateaux sur les emplacements. Lors de nos essais en conditions réelles, le système a fait preuve d'une précision de 100 % dans l'identification des bateaux. Cette thèse propose également RRDV, un système de détection de rencontres entre robots dans un système multi-robots. De nombreux robots sont déjà équipés d'un capteur à ultrasons pour mesurer leur distance à des objets devant eux. RRDV est une mise à jour logicielle pour ces robots, leur permettant d'utiliser ces capteurs à ultrasons pour détecter les rencontres avec d'autres robots. En testant RRDV sur un système multi-robots réel, il détecte correctement 96.7% des fois où deux robots se font face pendant 5 s ou plus. La thèse contribue au domaine de recherche croissant de la localisation et des communications sans-fil à faible consommation, en proposant des solutions innovantes pour des systèmes de localisation précis et à faible consommation dans des environnements contraints. Ces solutions ont des applications non seulement dans l'industrie maritime mais aussi dans les systèmes multi-robots. La thèse démontre l'efficacité des systèmes basés sur les ultrasons et met en évidence le potentiel du matériel ubiquitaire prêt à l'emploi pour le développement de systèmes de localisation

Blip: Identifying Boats in a Smart Marina Environment

International audienceIn this paper we present Blip, a system for boat identification that uses the existing Internet of Things (IoT) network of sensors deployed inside a smart marina. Blip combines the data from two types of commercial low-power wireless sensors: Falco Presence and Falco Boat. The former is deployed on the pontoons, to detect boats that dock at the slips. The latter is installed inside the boats' cabins to monitor various parameters and trigger an alarm in case of: intrusion, fire, shock and tilt. To identify a boat, we fuse the boat presence events from the Falco Presence devices and the health reports from a Falco Boat. The health reports contain information about nearby Falco Presence devices and their received signal strength (known as Received Signal Strength Indicator or RSSI). When a boat enters the marina, Falco Boat joins the network and starts sending health reports. Initially, Blip estimates the slip location assigning the boat to the slip where a Falco Presence has the strongest RSSI. Then, Blip selects the closest slip to it, which changed to occupied in a given time window. We validate our system using a historical dataset from a marina over a period of 4 months. Every slip in the marina is equipped with a Falco Presence device, and 8 boats are equipped with a Falco Boat device. The results show that the Blip system identifies boats upon entering the marina with 100 % accuracy. The main advantage of the Blip system is that it provides location-aware service to the marina without any additional cost or hardware deployments

WELOC: Localizing Equipment in Marinas using Ultrasound

International audienceIn this paper we propose WELOC, an ultrasoundbased localization system for localizing objects in a marina environment. WELOC uses the already installed infrastructure of commercial battery-powered IoT devices, with several years of autonomy, fixed at each slip on the pontoons, used for boat presence monitoring. These devices are equipped with an ultrasound sensor, have known GPS positions and form a wireless, time-synchronized (<15 us synchronization error), mesh network around the gateway. Without impacting the main function of the smart parking system for boats, we propose a scheme to schedule when each ultrasound sensor is triggered. We design a mobile device, from an off-the-shelf ultrasound sensor, compatible with those already present in marinas. We synchronize the device with each ultrasound trigger in the marina, and collect the timestamped distance measurements. The location of the mobile device is then computed using trilateration. We test the ranging accuracy of the mobile device in the lab, where we achieve a 3.5 cm mean absolute error, with a maximum range of 10 m. We perform field testing for the ultrasound signal detection inside the marina, which is equipped with 471 presence sensors, one at each of its slips. We show that our mobile device successfully detects the ultrasound signal on the pontoons