An indoor positioning system using ultrasonic waves

Abstract

Otomasyon ve robotiğin hızlı gelişmesiyle, bu alanlardaki bilgilerin önemliliğinebakılırsa iç mekan konumlandırmaya daha fazla vurgu yapılmaktadır. Dış konumlandırmaiçin, Global Konumlandırma Sistemi (GPS) farklı uygulamalarda yaygın olarakkullanılmaktadır. Bununla birlikte, GPS uyduları tarafından iletilen sinyallerin sınırlı gücesahip olmasından dolayı, güvenilir şekilde alınamayacağı için iç mekan konumlandırmadakullanılamaz. Ek olarak, GPS'in üç metrelik konumlandırma doğruluğu, bu uygulamalardanistenen görevleri yerine getirmek için daha kesin koordinatlara ihtiyaç duyulduğundandolayı, iç mekan uygulamaları için çok düşük olarak kabul edilir. İç mekan konumlandırmasıiçin farklı dalga tipleri ve mesafe ölçüm yaklaşımları kullanılarak farklı yöntemlerönerilmiştir. Bu çalışmada, ultrasonik dalgalar ve Varış Zamanı Farkı (TDOA) yaklaşımınıkullanan yeni bir iç mekan konumlandırma yöntemi önerilmiştir. Ortamdaki referansnoktalarına bir dizi alıcı-verici yerleştirilmiştir. Bu alıcı vericiler aynı denetleyiciye bağlanırve tüm alıcı vericilere aynı anda komutlar gönderilir. Bununla birlikte, yalnızca belirlenmişalıcı-verici ultrasonik bir dalga iletirken, kalan alıcı-vericiler komut onları hedeflemediğindebu sinyalleri dinlerler. Her referans noktasının konumu diğer tarafından bilindiğinden ve heralıcı-verici benzersiz bir frekansa sahip bir dalga ilettiğinden, bu dalganın vericiden diğeralıcı vericilere gitmesi için gereken süre mevcut ortam koşullarında ultrasonun gerçek hızınıhesaplamak için kullanılır. Nesne, kalan düğümler tarafından veya referans noktalarındanherhangi bir sinyal alındığında ultrasonik bir dalga iletir. Dalganın ölçülen hızı, nesnedengeçen alıcı ve verici arasındaki mesafeyi hesaplamak için elektriksel ve nesne sinyallerinin gelişi arasındaki zaman sapması ile birlikte kullanılır. Bu mesafeler daha sonra nesne ilereferans noktalarının her biri arasındaki mesafeyi ve nesnenin koordinatlarını hesaplamakiçin kullanılır. Önerilen yöntemin performansı, hesaplanan mesafelere bağlı olarak nesneninkoordinatlarını hesaplamak için iki farklı yaklaşım kullanılarak değerlendirilir. İlk yaklaşım,nesnenin koordinatlarının ortalama veya ortanca işlevini kullanarak bu listeden seçildiği birdizi aday koordinatını sonuçlandırmak için ayrı bir referans noktası olarak her hesaplananmesafeyle etkileşime girer. Diğer yaklaşım, aday koordinatların hesaplanmasındakullanılmadan önce nesne ile referans noktalarının her biri arasındaki mesafeyi tek birmesafede özetler. Aynı ortalama veya ortanca işlevi bu mesafeleri tek bir mesafedeözetlemek için kullanılır. Değerlendirme sonuçları, bir referans noktası başına tek birmesafenin ve bu mesafeyi ve nesnenin koordinatlarını seçmek için kullanılan ortalamafonksiyonun kullanılmasının, konumlandırma için sırasıyla 4, 5 ve 6 referans noktalarıkullanıldığı zaman 0.23, 0.20 ve 0.15 olan Ortalama Karesel Hatanın Karekökünün (RMSE)ortalama konumlandırması ile en iyi performansa sahip olduğunu göstermektedir. Sonuçlarayrıca önerilen yöntemin önceki çalışmalarda mevcut olan en gelişmiş yöntemlerden dahaiyi performans sergilediğini göstermiştir.Anahtar Kelimeler: İç Mekan Konumlandırma; Varış Zaman Farkı; Ultrason

With the rapid development of automation and robotics, more emphasis is being appliedto indoor positioning, according to the importance of such information in these fields. Foroutdoor positioning, the Global Positioning System (GPS) has been widely used in differentapplications. However, according to the limited power of the signals transmitted by thesatellites of the GPS, these signals cannot be used for indoor positioning, as they cannot bereliably received. Additionally, the positioning accuracy of three meters for the GPS isconsidered very low for indoor applications, according to the need for more precisecoordinates to accomplish the tasks required from these applications. Different approacheshave been proposed for indoor positioning, using different types of waves and distancemeasurement approaches. In this study, a new indoor positioning method is proposed, whichemploys ultrasonic waves and Time Difference of Arrival (TDOA) approach. A set oftransceivers is deployed in reference points in the environment. These transceivers areconnected to the same controller and commands are sent to all the transceiverssimultaneously. However, only the designated transceiver transmits an ultrasonic wave,while the remaining transceivers listen to such signals when the command does not targetthem. As the position of each reference point is known to the other and each transceivertransmits a wave with a unique frequency, the time required by the wave to travel from thetransmitter to the other transceivers is used to calculate the actual speed of ultrasound in thecurrent ambient conditions. The object transmits an ultrasonic wave when a signal is receivedfrom any of the reference points, which is also received by the remaining nodes. Thecalculated speed of the wave is then used with the time deviation between the arrival of the electrical and the object signals to calculate the distance between the receiver and thetransmitter through the object. These distances are then used to compute the distance betweenthe object and each of the reference points, which are then used to calculate the coordinatesof the object. The performance of the proposed method is evaluated using two differentapproaches to calculate the coordinates of the object based on the computed distances. Thefirst approach interacts with every computed distance as a separate reference point toconclude a set of candidate coordinates, where the coordinates of the object are selected fromthat list using the average or median function. The other approach summarizes the distancesbetween the object and each of the reference points into a single distance before being usedin the computations of the candidate coordinates. The same average or median function areused to summarize these distances into a single distance. The evaluation results show that theuse of a single distance per a reference point and the average function to select that distanceand the coordinates of the object has the best performance with a mean positioning RootMean Squared Error (RMSE) of 0.23, 0.20 and 0.15 when 4, 5 and 6 reference points areused for the positioning, respectively. The results also show that the proposed method hasbeen able to outperform the state-of-the-art methods existing the earlier studies.Keywords: Indoor Positioning; Time Difference of Arrival; Ultrasound