3D indoor positioning of UAVs with spread spectrum ultrasound and time-of-flight cameras

Este trabajo propone el uso de un sistema híbrido de posicionamiento acústico y óptico en interiores para el posicionamiento 3D preciso de los vehículos aéreos no tripulados (UAV). El módulo acústico de este sistema se basa en un esquema de Acceso Múltiple por División de Código de Tiempo (T-CDMA), en el que la emisión secuencial de cinco códigos ultrasónicos de espectro amplio se realiza para calcular la posición horizontal del vehículo siguiendo un procedimiento de multilateración 2D. El módulo óptico se basa en una cámara de Tiempo de Vuelo (TOF) que proporciona una estimación inicial de la altura del vehículo. A continuación se propone un algoritmo recursivo programado en un ordenador externo para refinar la posición estimada. Los resultados experimentales muestran que el sistema propuesto puede aumentar la precisión de un sistema exclusivamente acústico en un 70-80% en términos de error cuadrático medio de posicionamiento.This work proposes the use of a hybrid acoustic and optical indoor positioning system for the accurate 3D positioning of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). The acoustic module of this system is based on a Time-Code Division Multiple Access (T-CDMA) scheme, where the sequential emission of five spread spectrum ultrasonic codes is performed to compute the horizontal vehicle position following a 2D multilateration procedure. The optical module is based on a Time-Of-Flight (TOF) camera that provides an initial estimation for the vehicle height. A recursive algorithm programmed on an external computer is then proposed to refine the estimated position. Experimental results show that the proposed system can increase the accuracy of a solely acoustic system by 70–80% in terms of positioning mean square error.• Gobierno de España y Fondos para el Desarrollo Regional Europeo. Proyectos TARSIUS (TIN2015-71564-C4-4-R) (I+D+i), REPNIN (TEC2015-71426-REDT) y SOC-PLC (TEC2015-64835-C3-2-R) (I+D+i) • Junta de Extremadura, Fondos FEDER y Fondo Social Europeo. Proyecto GR15167 y beca predoctoral 45/2016 Exp. PD16030peerReviewe

Desarrollo de un sistema de posicionamiento local acústico para dispositivos móviles con modulación de espectro expandido

En el trabajo propuesto en esta tesis se desarrolla un sistema de posicionamiento local acústico para interiores basado en la emisión de señales pseudoaleatorias con modulación de espectro expandido. El sistema en cuestión está constituido por un módulo emisor que realiza la emisión simultánea de estas señales y un módulo receptor encargado de la adquisición y el procesamiento de las mismas, siendo una de las características más novedosas de este trabajo el desarrollo íntegro de este módulo receptor sobre un dispositivo móvil tipo tablet. Este hecho implica la utilización del dispositivo móvil para llevar a cabo tanto las labores de adquisición como las posteriores correspondientes al procesamiento de las señales de espectro expandido. Este procesamiento avanzado incluye toda la algorítmica necesaria para la consecución de una localización fiable del dispositivo incluso bajo circunstancias hostiles al posicionamiento acústico como son: la presencia del ruido, el multicamino, la interferencia por acceso múltiple y el efecto Doppler. Para cada uno de estos fenómenos se ha propuesto una solución que mejora la calidad del posicionamiento. De este modo, para la compensación de la interferencia por acceso múltiple y la tolerancia al ruido se ha implementado en el dispositivo receptor una adaptación de los algoritmos de cancelación de interferencia sustractiva ampliamente utilizados en el ámbito de los sistemas de comunicación inalámbrica mediante CDMA. De igual forma, para la cancelación del multicamino originado por las reflexiones de la señal en las paredes y esquinas del recinto se ha propuesto un algoritmo basado en la estimación de la respuesta impulsiva del canal en forma dispersa mediante el método Matching Pursuit. Por otro lado, el efecto Doppler que el movimiento del receptor genera sobre la señal recibida también fue objeto de estudio. En este caso se ha planteado una solución hipotética basada en la utilización de un banco de filtros multitasa debido a las limitaciones hardware que presenta el dispositivo móvil en cuanto a su frecuencia de adquisición se refiere. Los resultados obtenidos han mostrado un buen rendimiento de los algoritmos propuestos. Con ellos, se consigue el posicionamiento del dispositivo en todo el área de localización con errores medios menores a 10 cm incluso en condiciones adversas como las asociadas a los fenómenos anteriormente citados.In the work carried out in this thesis an acoustic indoor local positioning system based on the emission of pseudo random spread spectrum modulated signals has been developed. The system is composed by an emitter module to simultaneously emit these signals and a receiver module responsible for performing the acquisition and processing of the received signal. One of the main contributions of this work is the full development of this receiver module on a tablet-type mobile device. This fact implies using this device to carry out both the acquisition and the subsequent processing of the received signals. This processing includes all necessary advanced processing algorithms to achieve a reliable device location even under hostile acoustic positioning circumstances such as: noise, multipath, multiple access interference and Doppler effect. For each one of these phenomena a solution that improves the quality of the positioning has been proposed. Thus, for multiuser interference compensation and noise tolerance an adaptation of the subtractive interference cancellation algorithms widely used in the CDMA wireless communication systems has been implemented in the receiver device. Similarly, for multipath cancellation caused by signal reflections on the walls and corners an algorithm based on the sparse estimation of the channel impulse response using the Matching Pursuit method has been proposed. Furthermore, the Doppler effect generated on the received signal by the receiver movement has been also studied. In this case, a hypothetical solution based on the use of a multirate filter bank has been conducted due to the hardware limitation existing in the sampling frequency of the mobile device. The results have shown a good performance of the proposed algorithms. With them, the positioning of the device on the entire location area is achieved with average errors lower than 10 cm, even in adverse conditions such as those associated with the above-mentioned phenomena