Resumen de Contribución al diseño de un LPS ultrasónico de amplia cobertura empleando técnicas de codificación

José Manuel Villadangos Carrizo

• español

  En esta tesis se presenta la contribución al diseño de un sistema de posicionamiento local ultrasónico (ULPS) de amplia cobertura que emplea técnicas de codificación. Entre los principales objetivos de la tesis se encuentra el diseño de una baliza ultrasónica, para ser ubicada en el techo de un espacio interior, a partir de la elección de un transductor comercial, que mejore su patrón de radiación con objeto de aumentar la zona de cobertura sobre el suelo. También el desarrollo de un sistema completo ULPS con codificación y detección de señal basadas en la técnica de Acceso Múltiple por División en el Código y Tiempo, que mejore la capacidad de detección de la señal ultrasónica emitida por las balizas, prescindiendo de un sincronismo externo entre el móvil a posicionar y las balizas.

  Una característica importante en cualquier LPS es su cobertura. La elección del transductor óptimo no es tarea fácil, cuando además ha de cumplir una serie de características, como es en este caso un amplio ancho de banda, para poder utilizar técnicas de espectro ensanchado. A partir de la elección de un transductor comercial, se plantea un estudio de diseño de un reflector cónico con el objetivo de mejorar su lóbulo de radiación o patrón de emisión y obtener una mayor área de cobertura con cierta homogeneidad en el nivel de señal recibida con objeto de poder implementar un sistema de balizamiento con el menor número de balizas posibles.

  Para comprobar el comportamiento del ULPS se realiza un análisis y simulación desde el punto de vista de detección de las señales emitidas por las balizas en la posición del móvil, teniendo en cuenta que se utilizan balizas ultrasónicas codificadas que emiten de forma continua y periódica, considerando los distintos efectos introducidos por el emisor, canal y receptor, y que puede estar sometido además, a diversos tipos de ruido. Se proponen diversas técnicas de detección, tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia, valorando sus características más sobresalientes. Además, se ha hecho un análisis de las interferencias MAI e ISI que aparecen en los sistemas multiacceso, las técnicas habituales empleadas en su mitigación, y se ha propuesto una nueva forma de emisión que mejora el comportamiento del sistema ante este tipo de interferencias.

  Con objeto de comparar los resultados obtenidos en la simulación con datos reales, se ha realizado una propuesta de diseño e implementación de un ULPS real. De las medidas reales realizas en posiciones fijas del entorno y sobre un robot en movimiento se han validado dichos resultados tras verificarlos con los obtenidos en simulación.

• English

  This thesis presents the contribution to the design of an Ultrasonic Local Positioning System (ULPS) for expanded coverage employing encoding techniques. One of the main objectives of the thesis is the design of an ultrasonic beacon to be placed on the ceiling of an indoor space, by means of a selected commercial transducer, in order to improve its radiation pattern to increase the area of coverage on the floor. Another objective is the development of a complete ULPS with encoding and detection signal based on Time Code Division Multiple Access, which improves the detection capability of the emitted ultrasonic signal by the beacons, without using an external synchronism between the mobile and the beacons.

  An important feature in any LPS is its coverage. The choice of an optimal transducer is not an easy task, and more difficult when it has to meet special requirements, such as in this case a large bandwidth, in order to use spread spectrum techniques. Once a commercial transducer is selected, it is proposed the design of a conical reflector in order to improve its emission pattern and to have a larger coverage area. This permits to keep a certain consistency in the received signal level, so a lower number of beacons can be used for implementing the positioning system.

  The behavior of the ULPS has been theoretically analyzed, and then, it has been simulated from the mobile standpoint (it has to detect the signals transmitted by the beacons), considering that ultrasonic beacons transmit continuously at regular intervals. For the study, several types of noise and different effects introduced by the transmitter, channel, and receiver have been taken into account. Several time and frequency domain techniques have been proposed, analyzing their more outstanding features. In addition, a MAI and ISI interference analysis has been carried out, including usual mitigation techniques. In order to improve the performance of the system against these interferences, a new emission technique has been proposed.

  For comparing simulated results with real data, a real-ULPS has been developed based on the mentioned proposals. All the algorithms have been validated by means of measurements carried out in fixed environment positions and on a moving robot.