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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Localização em ambientes internos utilizando múltiplas tecnologias sem fio
Authors: Moises Lisboa Rodrigues
First Advisor: Luiz Filipe Menezes Vieira
First Co-advisor: Mario Fernando Montenegro Campos
First Referee: Antonio Alfredo Ferreira Loureiro
Second Referee: Luiz Chaimowicz
Third Referee: Diogenes Cecilio da Silva Junior
Abstract: Localização é um problema fundamental em muitas áreas da computação como, por exemplo, robótica, computação móvel e computação sensível ao contexto. Em ambientes externos, o problema da localização é resolvido de forma razoável pela utilização do sistema de posicionamento global (GPS). Entretanto, o sinal de GPSnão pode ser usado em ambientes internos. O grande número de aplicações que se beneficiariam de informação de localização em ambientes internos gera a necessidade de desenvolver soluções que funcionem nesses ambientes. Por causa disso, o problema de realizar localização em ambientes internos tem sido muito pesquisadonos últimos anos. Recentemente, a utilização do sinal sem fio de radiofrequência (RF) para fazer a localização em ambientes internos foi proposta como uma alternativa para solucionar esse problema. As principais vantagens desse tipo de localização são seu baixo custo e o grande número de dispositivos sem fio existentes em prédios industriais, comerciais e campi universitários atualmente. Geralmente, apenas uma das diversas tecnologias sem fio disponíveis (Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, etc.) é utilizada para realizar a localização. Pouco foi estudado a respeito da utilização de múltiplas tecnologias desse tipo para realizar a localização. Sendo assim, neste trabalho serão investigadas as vantagens e desafios da utilização de múltiplas tecnologias RF (especificamente, são utilizados dispositivos RF compatíveis com as tecnologiasWi-Fi, Bluetooth e Zigbee) para fazer localização em ambientes internos. Dois métodos de localização são utilizados para viabilizar a investigação. O primeiro método é baseado em mapa de assinaturas (fingerprinting map). É proposta a fusão ente as informações das três tecnologias por meio da concatenação dos mapas de cada tecnologia. O algoritmo dos K vizinhos mais próximos (K-Nearest Neighbours - K-NN) é utilizado para gerar as estimativas finais de localização. A avaliação experimental do método baseado em mapa de assinaturas mostra que a combinação das tecnologias pode reduzir o erro de localização. É investigado o desempenho de cada tecnologia separadamente e também o desempenho da comxiii binação das tecnologias. Também é analisado como o número de dispositivos utilizados afeta a qualidade da localização. O resultado da análise mostra que, para todas as tecnologias, a utilização de mais beacons gera erros de localização menores. Finalmente, é mostrado como a interferência entre as tecnologias pode levar a uma redução na qualidade da localização. O segundo método é baseado em modelos de propagação do sinal de RF. O modelo estima a distância entre um beacon e o objeto alvo da localização baseado na potência do sinal recebido (RSSI). Essa estimativa de distância é então fornecida para um algoritmo de localização. São utilizados dois algoritmos: o primeiro é a trilateração e o segundo é o filtro de Kalman Estendido (EKF). Para esse método é feito um estudo qualitativo, em simulação, para avaliar quais os principais fatores que afetam a qualidade da localização. Os dois fatores principais são a configuração geométrica dos beacons no ambiente e a qualidade das estimativas de distância geradas pelo modelo de propagação. Também são apresentados resultados de experimentos reais que corroboram os resultados obtidos em simulação e mostram que o método produz resultados melhores que aqueles obtidos utilizando-se apenas a hodometria do robô. Os resultados também mostram como a utilização de múltiplas tecnologias pode contribuir para aumentar a disponibilidade do serviço de localização. As duas principais vantagens da utilização de múltiplas tecnologias RF para realizar a localização são a possibilidade de aumentar a exatidão e a disponibilidade do serviço de localização. Os dois principais desafios são descobrir como integrar as múltiplas tecnologias (qual a melhor forma de fundir as informações provenientes de diferentes tecnologias RF) e como evitar que efeitos adversos dessa integração possam degradar a qualidade da localização obtida (por exemplo, como evitar que a interferência entre as tecnologias prejudiquem os resultados de localização). A exploração dessas vantagens e a superação desses desafios são fundamentais para que sistemas de localização baseados em múltiplas tecnologias RF sejam mais eficazes.
Abstract: Localization is a fundamental problem in many areas of computer science such as robotics, mobile and context-aware computing. Outdoors, the localization problem can be reasonable solved by the use of the global positioning system (GPS). However, the GPS signal can not be used indoors. The large number of applications that would benefit from location information indoors generates the need to develop solutions that work in these environments. Because of this, the problem of indoor localization has been the subject of a great number of researches in recent years. Recently, the use of radio frequency (RF) signal to perform localization in indoor environments has been proposed as an alternative to solve this problem. The main advantages of this kind of localization method are its reduced cost and the large number of wireless devices present in industry commercial buildings and university campuses today. Generally, only one of the several available wireless technologies (Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, etc.) is used and little has been said about the use of multiple wireless technologies to perform the localization. Therefore, in this work we investigate the advantages and challenges of using multiple RF technologies (more specifically, Wi-Fi, Bluetooth and Zigbee compliant devices are used) to perform localization indoors. Two localization methods are used in order to do the research. The first method is based on fingerprinting. We introduce a merge process that can be used to fuse information from multiple wireless technologies when using this method. The merge process consists of concatenating each individual technology map. The K Nearest Neighbors (K-NN) is used to produce the final location estimates. The experimental evaluation of the fingerprinting method shows that the combination of technologies can reduce the localization error. It is investigated the performance of each technology separately and also the performance of the combination of technologies. It is also considered how the number of beacons used affects the localization quality. The results show that for all technologies, more beacons lead to less error. Finally, we show how interference among technologies may lead to lower localization accuracy. The second method is based on a RF propagation model. The model estimates the distance between a beacon and the robots location based on the received signal strength (RSSI). Then, this estimated distance is used by a localization algorithm. We use two algorithms: the first one is trilateration and the second one is the Extended Kalman Filter (EKF). We use simulation to perform a qualitative study in order to evaluate the main factors that affect the quality of localization. The two main factors are the beacons geometric configuration in the environment and the quality of the distance estimates generated by the RF propagation model. We also present results of real experiments that corroborate the results obtained in simulation and show that the method produces better results than those obtained using only the robot\\\\\\\'s odometer. Finally, we show how the use of multiple technologies can increase the availability of the localization service. The two main advantages of using multiple RF technologies to perform localization are the possibility of increase the accuracy and availability of the localization service. The two main challenges are finding the best way to integrate the multiple technologies (in other words, it is necessary to understand what is the best way to fuse information from different RF technologies) and to avoid the adverse effects of this integration that can diminish the localization quality (for example, how to prevent that the interference among technologies affects the results). The further exploration of these advantages and the overcome of these challenges are essential to create more effective localization systems based on multiple RF technologies.
Subject: Radiofrequênci
Computação
Redes de computação
Sistemas de comunicação sem fio
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SLSS-8KDQES
Issue Date: 14-Jul-2011
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