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Departamento de electronica Universidad de Alcala

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

    TítuloContribución al diseño de un LPS ultrasónico de amplia cobertura empleando técnicas de codificación
    Tipo de publicaciónPhD Thesis
    Año de publicación2013
    AutoresCarrizo, JMV
    Thesis Advisor(s)Ureña, J, Garcia, JJ
    Idioma de publicaciónSpanish
    UniversidadUniversidad de Alcalá
    Departamento académicoElectrónica
    Numero de volúmenes1
    CiudadAlcalá de Henares, Madrid
    Fecha de publicación25/01/2013
    Resumen

    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.

    Resumen

    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.

    AdjuntoTamaño
    tesis_villa_definitivo_portada_color.pdf11.32 MB