Localisation en environnements contraints

Localization in Constrained Environments

• Auteur / Autrice : Trifun Savic
• Direction : Thomas Watteyne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Soutenance le 22/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche de Paris (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Danny Hughes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Branko Kerkez, Serena Ivaldi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Consommation d'énergie

Internet des objets

Réseaux de capteurs (technologie)

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Localisation

Basse consommation

Réseaux sans fil

IoT

Localization

Low-power

Wireless networks

IoT

Résumé

Cette thèse se concentre sur la localisation à faible puissance dans des environnements contraints, sans nécessiter d'infrastructure de localisation. Nous considérons deux cas d'utilisation cibles: la localisation de bateaux dans un port de plaisance, et la localisation de robots mobiles dans un environnement intérieur. Nous commençons par évaluer deux systèmes de localisation en temps réel ("Real Time Localition System" en anglais, RTLS) basés sur les radiofréquences (Bluetooth Angle-of-Arrival et Ultra-Wide Band ranging). Leurs principaux inconvénients sont qu'ils nécessitent le déploiement préalable de points d'ancrage, et qu'ils ne sont pas à faible consommation, ce qui les rend peu compatibles avec nos cas d'utilisation cibles. Ce travail contribue à remédier à ces inconvénients en proposant deux nouveaux systèmes: WELOC et Blip. Nous proposons également RRDV, une solution de détection de rencontre de robots pour les systèmes multi-robots. WELOC est un système de localisation basé sur les ultrasons qui réutilise les capteurs de détection de présence des bateaux déjà présents dans la marina. Il comporte un système de programmation qui déclenche l'émetteur-récepteur ultrasonique de chaque capteur de présence à des moments précis. WELOC présente le design d'un appareil mobile alimenté par batterie, capable de communiquer en toute sécurité à la fois par ultrasons et par signaux radio, et conçu à partir de composants disponibles sur le marché. Des essais en conditions réelles dans un port de plaisance dans le sud de la France montrent que l'appareil mobile peut être localisé avec une précision de l'ordre du centimètre, tout en étant à une distance de 10 m des capteurs de présence. Blip est un système d'identification des bateaux dans un port de plaisance, qui ne nécessite qu'une mise à jour logicielle des systèmes de capteurs intelligents existants dans les ports de plaisance. Il utilise les informations fournies par les capteurs de surveillance des bateaux déjà présents (installés dans la cabine d'un bateau) et les combine avec les informations provenant de l'infrastructure fixe des capteurs de présence pour identifier les bateaux sur les emplacements. Lors de nos essais en conditions réelles, le système a fait preuve d'une précision de 100 % dans l'identification des bateaux. Cette thèse propose également RRDV, un système de détection de rencontres entre robots dans un système multi-robots. De nombreux robots sont déjà équipés d'un capteur à ultrasons pour mesurer leur distance à des objets devant eux. RRDV est une mise à jour logicielle pour ces robots, leur permettant d'utiliser ces capteurs à ultrasons pour détecter les rencontres avec d'autres robots. En testant RRDV sur un système multi-robots réel, il détecte correctement 96.7% des fois où deux robots se font face pendant 5 s ou plus. La thèse contribue au domaine de recherche croissant de la localisation et des communications sans-fil à faible consommation, en proposant des solutions innovantes pour des systèmes de localisation précis et à faible consommation dans des environnements contraints. Ces solutions ont des applications non seulement dans l'industrie maritime mais aussi dans les systèmes multi-robots. La thèse démontre l'efficacité des systèmes basés sur les ultrasons et met en évidence le potentiel du matériel ubiquitaire prêt à l'emploi pour le développement de systèmes de localisation.

This thesis focuses on low-power localization in constrained environments, without the need for localization infrastructure. We consider two target use cases: localizing boats in a marina, and localizing mobile robots in an indoor environment. We start by evaluating two RF-based Real-Time Localization Systems (RTLS), based on Bluetooth Angle-of-Arrival and Ultra-Wide Band ranging. Their main drawbacks are that they require the prior deployment of anchors and are not low power, making them poorly compatible with our target use cases. This work contributes to addressing these drawbacks by proposing two novel systems: WELOC and Blip. We further propose RRDV, a robot encounter detection solution for multi-robot systems. WELOC is an ultrasound-based localization system that re-purposes boat presence detection sensors already deployed in the marina. It features a scheduling scheme that triggers each presence sensors' ultrasonic transceiver at specific times. WELOC introduces a battery-powered mobile device capable of securely communicating with both ultrasound and radio signals, designed entirely from off-the-shelf components. Real-world tests in a real-life marina in the South of France show a mobile device can be localized with cm-level accuracy when it is up to 10 m away from presence sensors. Blip is a system for boat identification in a marina, which only requires a software update to existing smart marina sensor systems. It uses the information from already installed boat monitoring sensors (mounted in a boat's cabin), and combines that with the information from the fixed infrastructure of presence sensors to identify boats on slips. In our real-world tests, the system exhibits 100 % boat identification accuracy. This thesis further proposes RRDV, a system for detecting robot-to-robot encounters in a multi-robot system. Many robots are already equipped with an ultrasound sensor for measuring the distance to objects in front of them. RRDV is a software update to those robots, allowing them to use those ultrasound sensors for detecting encounters with other robots. When testing RRDV on a real-world multi-robot system, it correctly detects 96.7% of the times two robots face one another for 5~s or more. The thesis contributes to the growing research field of localization and low-power wireless by proposing innovative solutions for low-power and accurate localization in constrained environments. While these solutions have countless applications well beyond the ones outlined in this thesis, we chose the use cases of localization of boats in marinas and localization of robots in an indoor environment to remain perfectly focused. The thesis demonstrates the effectiveness of ultrasound-based systems and highlights the potential of ubiquitous off-the-shelf hardware for the development of localization systems.