Design of ultrasound device-free systems for indoor human positioning

Resumen

Los sistemas de localización tradicionales, que requieren que el usuario porte un dispositivo electrónico, pueden resultar intrusivos en aplicaciones orientadas a personas. Ante esta problemática, los sistemas de localización libres de dispositivos permiten localizar a una persona sin que ésta porte ningún dispositivo o deba realizar una colaboración explícita. Entre las tecnologías disponibles, los sistemas ultrasónicos presentan un gran potencial debido a su inmunidad a la luz ambiental y a interferencias electromagnéticas. Estas propiedades, junto a su baja velocidad de propagación, permiten desarrollar soluciones de alta precisión con requerimientos hardware de bajo coste para rangos cortos de operación. En este contexto, la presente tesis contribuye al diseño de sistemas de localización ultrasónicos libres de dispositivos orientados a la detección de personas. Las diferentes propuestas han sido validadas por un simulador basado en métodos geométricos que modela la propagación de ondas ultrasónicas en interiores. En primer lugar, se ha propuesto un sistema sonar compuesto por cuatro emisores y un receptor no colocalizados. Este sistema, de fácil ampliación, detecta las reflexiones causadas por el cuerpo humano al interactuar con las ondas emitidas. Asimismo, se ha definido e implementado una arquitectura heterogénea basada en un dispositivo FPGA para estimar la posición del usuario en tiempo real. Por último, se ha diseñado un sistema alternativo basado en la oclusión de enlaces ultrasónicos, aprovechando la atenuación de las señales en el cuerpo humano. En ambos sistemas se han evaluado diferentes esquemas de transmisión basados en señales ortogonales de espectro ensanchado, empleando secuencias Kasami, Zadoff-Chu y chirps, con el objetivo de proporcionar altas tasas de actualización, elevada resolución y tolerancia al efecto Doppler. Las etapas de recepción se han basado en la estimación de rangos mediante procesos de filtrado, filtros acoplados y detectores adaptativos robustos, con el fin de medir tiempos de llegada. Estas medidas se han empleado para el diseño de algoritmos de localización geométricos en ambos sistemas. Las propuestas realizadas han sido exhaustivamente validadas mediante pruebas experimentales, obteniéndose errores de localización inferiores a 10 cm con el sistema sonar en espacios reducidos, y menores de 30 cm con el sistema de oclusiones en áreas interiores de amplia cobertura.