Técnicas de localização em ambientes exteriores

Data
2017-08-30
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Resumo
Nos últimos anos, tem-se verificado que as técnicas de localização mais utilizadas globalmente, seja através de equipamento especializado ou de um simples smartphone, são baseadas em satélite como o popular GPS (Global Positioning System). No entanto, obter um elevado grau de precisão através destes sistemas, implica um enorme custo em equipamentos, que por sua vez poderão ter dimensões relativamente elevadas, limitando a sua mobilidade, o que pode inviabilizar a sua utilização em diversas aplicações. Estes sistemas de localização baseados em satélite, poderão ser utilizados, por exemplo, na localização de diversos elementos/indivíduos em simultâneo, tanto no seguimento de animais em sistemas de vedação electrónica ou na monitorização de militares em missão num cenário de guerra ou treino. Tais ambientes de localização poderão ser baseados na localização em Redes de Sensores sem Fio (Wireless Sensor Networks - WSN), sendo esta uma rede composta por vários nós equipados com dispositivos com capacidade computacional e sensorial, que irão cooperar entre si para um determinado fim que neste caso será a localização de cada nó. Para tal, resume-se o problema de localização proposto, à localização de diversos nós de uma dada rede de sensores sem fio, sabendo à partida algumas posições absolutas de alguns nós (obtidas através de GPS ou outro tipo de sistema de localização) e as distâncias entre todos eles (obtidas por exemplo através de RSS - Received Signal Strength - dadas por dispositivos potencialmente mais baratos e práticos). Apresentam-se diversas metodologias, técnicas e tecnologias de localização que poderão servir de base a um sistema de localização que satisfaça o problema proposto, focando também os aspetos a ter em conta no seu desenvolvimento e implementação. Tendo em conta a complexidade de geração de dados relativos a cenários de localização deste tipo, propõe-se um sistema intuitivo e prático baseado na biblioteca JavaScript opensource de web-mapping OpenLayers, que permite gerar e simular tais dados, tendo como objetivo principal o teste de algoritmos de localização que consigam satisfazer a necessidade de cálculo de posição absoluta de todos os nós de uma dada rede. É proposto um algoritmo baseado em multilateração para o cálculo da localização neste tipo de cenários, testado e optimizado, através do sistema desenvolvido. Este, alimentando-se de dados compostos por algumas posições conhecidas e distâncias relativas entre nós, calcula a localização de toda a rede. Após a realização de diversos testes em ambientes controlados, variando restrições como o número de posições conhecidas à partida e o alcance a partir do qual um dado nó consegue ter informação relativa aos seus vizinhos, verificaram-se taxas de sucesso no processo de localização satisfatórias e elevada precisão e exactidão por parte do algoritmo. Os erros associados são próximos de zero, resultantes das conversões de coordenadas e arredondamentos.
Nowadays, the locating techniques most used worldwide, either through specialized equipment or through a simple smartphone, are satellite based techniques such as the ever popular GPS. However, high equipment costs are needed to achieve high precision with this technique, which might also have relatively bigger dimensions, limiting its mobility and denying its use in certain applications. These systems might be used in the localization of several elements/individuals simultaneously, as it happens when tracking animals in electronic fence systems or when tracking soldiers in a war or training situation. These tracking environments can be based on Wireless Sensor Networks (WSN), which is a network composed of several nodes, equipped with devices that have computational and sensorial capacities and that cooperate to achieve a given goal, which in this case is finding the location of each node. As such, the issue in locating the several nodes of a WSN is summed up by knowing beforehand the absolute positions of some of the nodes (obtained through GPS or another type of locating system) as well as the distance between them (obtained through Received Strength Indication) which is provided by potentially cheaper and more practical devices). Several methods, tracking techniques and technologies, which may serve as the foundation of a tracking system are presented in this work, focusing also on the aspects that one must have in mind during their development and implementation. Taking into account the complexity of creating data related to the aforementioned tracking scenarios, an intuitive and practical system is proposed, based on the web-mapping opensource library OpenLayers, which allows to create and simulate such data, with the main goal of testing algorithms and tracking which may satisfy the need for location finding of all the nodes of a network. A multilateration based algorithm is proposed for calculating the tracking in these types of scenarios and it is optimized through the developed system. The system, in turn, feeding on the data provided by some known locations of the network as well as the relative distances between the nodes, calculates the position of the network on its entirety. After performing several tests in controlled environments, varying constrains such as the number of known positions and the range from which a certain node can get information relative to its neighbour nodes, high-success rates were verified during the tracking process, as well as a high precision and accuracy rate of the algorithm. Associated errors are close to zero, resulting mainly from coordinate conversions and overall rounding.
Descrição
Dissertação de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Palavras-chave
Redes de sensores sem fios , Algoritmos , WSN , OpenLayers
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