Published May 14, 2020 | Version v1
Publication Open

Characterization of an Ultrasonic Local Positioning System for 3D Measurements

Creators

  • 1. National Engineering School of Tunis
  • 2. Tunis University
  • 3. Tunis El Manar University
  • 4. Universidad de Alcalá
  • 5. University of Monastir

Description

Indoor location and positioning systems (ILPS) are used to locate and track people, as well as mobile and/or connected targets, such as robots or smartphones, not only inside buildings with a lack of global navigation satellite systems (GNSS) signals but also in constrained outdoor situations with reduced coverage. Indoor positioning applications and their interest are growing in certain environments, such as commercial centers, airports, hospitals or factories. Several sensory technologies have already been applied to indoor positioning systems, where ultrasounds are a common solution due to its low cost and simplicity. This work proposes a 3D ultrasonic local positioning system (ULPS), based on a set of three asynchronous ultrasonic beacon units, capable of transmitting coded signals independently, and on a 3D mobile receiver prototype. The proposal is based on the aforementioned beacon unit, which consists of five ultrasonic transmitters oriented towards the same coverage area and has already been proven in 2D positioning by applying hyperbolic trilateration. Since there are three beacon units available, the final position is obtained by merging the partial results from each unit, implementing a minimum likelihood estimation (MLE) fusion algorithm. The approach has been characterized, and experimentally verified, trying to maximize the coverage zone, at least for typical sizes in most common public rooms and halls. The proposal has achieved a positioning accuracy below decimeters for 90% of the cases in the zone where the three ultrasonic beacon units are available, whereas these accuracies can degrade above decimeters according to whether the coverage from one or more beacon units is missing. The experimental workspace covers a large volume, where tests have been carried out at points placed in two different horizontal planes.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تُستخدم أنظمة تحديد المواقع وتحديد المواقع في الأماكن المغلقة (ILPS) لتحديد موقع الأشخاص وتتبعهم، بالإضافة إلى الأهداف المتنقلة و/أو المتصلة، مثل الروبوتات أو الهواتف الذكية، ليس فقط داخل المباني التي تفتقر إلى إشارات أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية (GNSS) ولكن أيضًا في المواقف الخارجية المقيدة ذات التغطية المنخفضة. تتزايد تطبيقات تحديد المواقع الداخلية واهتمامها في بيئات معينة، مثل المراكز التجارية أو المطارات أو المستشفيات أو المصانع. تم بالفعل تطبيق العديد من التقنيات الحسية على أنظمة تحديد المواقع الداخلية، حيث تعد الموجات فوق الصوتية حلاً شائعًا بسبب انخفاض تكلفتها وبساطتها. يقترح هذا العمل نظام تحديد المواقع المحلي بالموجات فوق الصوتية ثلاثي الأبعاد (ULPS)، بناءً على مجموعة من ثلاث وحدات منارة فوق صوتية غير متزامنة، قادرة على إرسال الإشارات المشفرة بشكل مستقل، وعلى نموذج أولي لجهاز استقبال متنقل ثلاثي الأبعاد. يعتمد الاقتراح على وحدة المنارة المذكورة أعلاه، والتي تتكون من خمسة أجهزة إرسال بالموجات فوق الصوتية موجهة نحو نفس منطقة التغطية وقد تم إثباتها بالفعل في وضع ثنائي الأبعاد من خلال تطبيق التثليث القطعي. نظرًا لوجود ثلاث وحدات إرشادية متاحة، يتم الحصول على الموضع النهائي عن طريق دمج النتائج الجزئية من كل وحدة، وتنفيذ خوارزمية دمج تقدير الحد الأدنى من الاحتمالات. وقد اتسم هذا النهج، وتم التحقق منه تجريبياً، في محاولة لتعظيم منطقة التغطية، على الأقل للأحجام النموذجية في معظم الغرف والقاعات العامة الشائعة. حقق الاقتراح دقة تحديد المواقع أقل من الديسيمتر لـ 90 ٪ من الحالات في المنطقة التي تتوفر فيها وحدات المنارة فوق الصوتية الثلاث، في حين أن هذه الدقة يمكن أن تتحلل فوق الديسيمتر وفقًا لما إذا كانت التغطية من وحدة منارة واحدة أو أكثر مفقودة. تغطي مساحة العمل التجريبية حجمًا كبيرًا، حيث تم إجراء الاختبارات في نقاط موضوعة في مستويين أفقيين مختلفين.

Translated Description (French)

Les systèmes de localisation et de positionnement intérieurs (ILPS) sont utilisés pour localiser et suivre des personnes, ainsi que des cibles mobiles et/ou connectées, telles que des robots ou des smartphones, non seulement à l'intérieur de bâtiments dépourvus de signaux GNSS, mais également dans des situations extérieures limitées avec une couverture réduite. Les applications de positionnement en intérieur et leur intérêt se développent dans certains environnements, tels que les centres commerciaux, les aéroports, les hôpitaux ou les usines. Plusieurs technologies sensorielles ont déjà été appliquées aux systèmes de positionnement intérieur, où les ultrasons sont une solution courante en raison de leur faible coût et de leur simplicité. Ce travail propose un système de positionnement local par ultrasons 3D (ULPS), basé sur un ensemble de trois balises ultrasonores asynchrones, capables de transmettre des signaux codés indépendamment, et sur un prototype de récepteur mobile 3D. La proposition est basée sur l'unité de balise susmentionnée, qui se compose de cinq émetteurs ultrasonores orientés vers la même zone de couverture et qui a déjà été éprouvée en positionnement 2D en appliquant une trilatération hyperbolique. Puisqu' il y a trois unités de balise disponibles, la position finale est obtenue en fusionnant les résultats partiels de chaque unité, en mettant en œuvre un algorithme de fusion d'estimation de vraisemblance minimale (MLE). L'approche a été caractérisée et vérifiée expérimentalement, en essayant de maximiser la zone de couverture, au moins pour les tailles typiques dans la plupart des salles publiques et des salles communes. La proposition a atteint une précision de positionnement inférieure aux décimètres pour 90% des cas dans la zone où les trois unités de balise à ultrasons sont disponibles, alors que ces précisions peuvent se dégrader au-dessus des décimètres selon que la couverture d'une ou plusieurs unités de balise est manquante. L'espace de travail expérimental couvre un grand volume, où des tests ont été effectués en des points placés dans deux plans horizontaux différents.

Translated Description (Spanish)

Los sistemas de localización y posicionamiento en interiores (ILPS) se utilizan para localizar y rastrear personas, así como objetivos móviles y/o conectados, como robots o teléfonos inteligentes, no solo dentro de edificios con falta de señales de sistemas globales de navegación por satélite (GNSS), sino también en situaciones exteriores restringidas con cobertura reducida. Las aplicaciones de posicionamiento en interiores y su interés están creciendo en determinados entornos, como centros comerciales, aeropuertos, hospitales o fábricas. Varias tecnologías sensoriales ya se han aplicado a los sistemas de posicionamiento en interiores, donde los ultrasonidos son una solución común debido a su bajo costo y simplicidad. Este trabajo propone un sistema de posicionamiento local ultrasónico 3D (ULPS), basado en un conjunto de tres unidades de baliza ultrasónica asíncronas, capaces de transmitir señales codificadas de forma independiente, y en un prototipo de receptor móvil 3D. La propuesta se basa en la mencionada unidad de baliza, que consta de cinco transmisores ultrasónicos orientados hacia la misma zona de cobertura y ya ha sido probada en posicionamiento 2D mediante la aplicación de trilateración hiperbólica. Dado que hay tres unidades de baliza disponibles, la posición final se obtiene fusionando los resultados parciales de cada unidad, implementando un algoritmo de fusión de estimación de probabilidad mínima (MLE). El enfoque se ha caracterizado y verificado experimentalmente, tratando de maximizar la zona de cobertura, al menos para los tamaños típicos en las salas y pasillos públicos más comunes. La propuesta ha logrado una precisión de posicionamiento por debajo de los decímetros para el 90% de los casos en la zona donde están disponibles las tres unidades de baliza ultrasónica, mientras que estas precisiones pueden degradarse por encima de los decímetros según falte la cobertura de una o más unidades de baliza. El espacio de trabajo experimental cubre un gran volumen, donde se han realizado pruebas en puntos colocados en dos planos horizontales diferentes.

Files

pdf.pdf

Files (7.1 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:f4d295346efd5f799205331cf9be9319
7.1 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
توصيف نظام تحديد المواقع المحلي بالموجات فوق الصوتية للقياسات ثلاثية الأبعاد
Translated title (French)
Caractérisation d'un système de positionnement local à ultrasons pour les mesures 3D
Translated title (Spanish)
Caracterización de un sistema de posicionamiento local ultrasónico para mediciones 3D

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3025502214
DOI
10.3390/s20102794

Is supplement to
https://openalex.org/W1926767291 (Other)
https://openalex.org/W3112404039 (Other)
https://openalex.org/W3134877484 (Other)
https://openalex.org/W2887704921 (Other)
https://openalex.org/W4385877649 (Other)
https://openalex.org/W189713034 (Other)
https://openalex.org/W2746900723 (Other)
https://openalex.org/W3016405810 (Other)
https://openalex.org/W2873204474 (Other)
https://openalex.org/W1618671149 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Tunisia

References

  • https://openalex.org/W432844638
  • https://openalex.org/W1604788933
  • https://openalex.org/W1655985764
  • https://openalex.org/W1971139493
  • https://openalex.org/W2005404790
  • https://openalex.org/W2017834411
  • https://openalex.org/W2022703029
  • https://openalex.org/W2044322720
  • https://openalex.org/W2141882927
  • https://openalex.org/W2144947802
  • https://openalex.org/W2160828984
  • https://openalex.org/W2528159758
  • https://openalex.org/W2604710118
  • https://openalex.org/W2604952726
  • https://openalex.org/W2769351829
  • https://openalex.org/W2774194853
  • https://openalex.org/W2799914042
  • https://openalex.org/W2804960575