Design of an indoor positioning and navigation system using UWB Technology

Sánchez García, Jesús (2021). Design of an indoor positioning and navigation system using UWB Technology. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM), Madrid.

Description

Title: Design of an indoor positioning and navigation system using UWB Technology
Author/s:
  • Sánchez García, Jesús
Contributor/s:
  • Pérez Yuste, Antonio
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación
Date: July 2021
Subjects:
Freetext Keywords: Navegación autónoma; Localización; Tecnología UWB
Faculty: E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM)
Department: Ingeniería Audiovisual y Comunicaciones [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Actualmente, el posicionamiento, navegación, y localización en espacios interiores están siendo cada vez más necesarios y utilizados en la industria para muchas aplicaciones como gestión de almacenes, seguimiento de mercancías o seguridad de las personas entre otras. Aunque el uso de servicios GNSS (Sistemas Globales de Navegación por Satélite, o en inglés Global Navigation Satellite Systems) como el GPS (Sistema de Posicionamiento Global, o en inglés Global Positioning System) americano o el Galileo europeo están muy extendidos en espacios exteriores donde se tiene una visión directa entre los dispositivos y los satélites, su uso en interiores hace la localización y la navegación imprecisa o incluso inviable debido a esa necesidad de visión directa. En este contexto, este proyecto trata de proponer una solución para el posicionamiento y la navegación autónoma en entornos interiores para obtener la posición de un vehículo a escala y hacer que se mueva autónomamente desde un punto de origen a un punto de destino mediante el uso de tecnología UWB (Ultra-Wide-Band), pudiendo ser utilizado en cualquier proceso o aplicación. Además, como un objetivo extra, se ha pretendido crear una comunicación entre el vehículo a escala y un host central para pasar desde el host al vehículo la posición de destino y el sistema de coordenadas a emplear en la navegación. El uso de la tecnología UWB en este proyecto, ofrece una precisión de centímetros en la localización además de un bajo consumo de energía permitiendo por tanto una navegación más precisa y eficiente. Para la realización del proyecto se han usado los módulos de desarrollo DWM1001-Dev de la casa Decawave que pueden ser configurados como ancla o tag, el firmware Positioning And Networking Stack (PANS) proporcionado por Decawave, que proporciona un posicionamiento en coordenadas cartesianas basado en la técnica SS-TWR (en inglés Single Sided Two Way Ranging), además de otras funcionalidades, un smartphone corriendo la aplicación DRTLS Manager de Decawave que permite configurar los módulos vía BLE (en inglés Bluetooth Low Energy), y una aplicación propia que implementa las funciones de la navegación. Para la solución de navegación, se ha propuesto el uso de un sistema en lazo cerrado cuyos bloques son implementados de forma gradual en software utilizando el System-on-Chip (SoC) nRF52832 de la casa Nordic Semiconductor incluido en la misma placa de desarrollo de Decawave antes citada. Esta navegación se realiza tanto en coordenadas cartesianas como en coordenadas hiperbólicas para compararlas posteriormente. Para la solución de la comunicación entre el vehículo a escala y el host central, se han propuesto dos opciones, una basada en tecnología BLE, y otra basada en el despliegue de un gateway con tecnología UWB para la comunicación. Tras verificarse que típicamente el error en el posicionamiento en coordenadas cartesianas usando el PANS de Decawave es de 10 centímetros, el error de aproximación del vehículo al punto de destino que se ha obtenido es de 8 centímetros de media aproximadamente. Para el caso de coordenadas hiperbólicas, y tras comprobar un error de aproximadamente otros 10 centímetros de media en la estimación de distancias entre ancla y tag, el error de aproximación del vehículo al punto de destino es de aproximadamente 16 centímetros de media. Abstract: Nowadays, positioning, navigation and location in indoor scenarios are becoming more and more necessary and useful in industry for many applications like warehouse management, supply chain management, inter-facility goods tracking, or people safety and security among others. Although the use of GNSS (Global Navigation Satellite Systems) services like the American GPS (Global Positioning System) or the European Galileo are very widespread on outdoor scenarios where exist LoS (Line of Sight) between the devices and the satellites, the use of these services in indoor scenarios makes the positioning and navigation inaccurately or even impossible due to needed of this LoS. Inside this context, this project tries to propose a solution for indoor positioning and autonomous navigation to get the position of a scale-model vehicle and to make it autonomously move from an origin point to a destination point by using UWB (Ultra-Wide-Band) technology, and which can be used in any process or application. In addition, as an extra goal, it has been pretended to stablish a communication between the scale-model vehicle and a central host for passing from the central host to the scale-model vehicle the target position and the coordinates system that will be used in the navigation. The use of UWB technology in this project offers a high accuracy (cm-level) in the positioning and location, in addition to a low power consumption, allowing a more accurately and efficiently navigation. For the development of this project, DWM1001-Dev development boards by Decawave which can be configured as anchor or tag, Positioning And Networking Stack (PANS) firmware provided by Decawave, which offers a positioning in cartesian coordinates based on the SS-TWR (Single Sided Two Way Ranging) ranging technique in addition to other functionalities, a smartphone running the DRTLS Manager app by Decawave which allows to configure the DWM1001 modules via BLE (Bluetooth Low Energy), and an own application which implements the navigation functionalities, are used. For navigation solution, it is proposed the use of a closed-loop system which blocks are implemented gradually in software using the SoC (System on Chip) nRF52832 by Nordic Semiconductor integrated in the same module aforementioned. This navigation is done in both cartesian and hyperbolic coordinates for a later comparison between them. For the scale-model vehicle to central host communication solution, two options are proposed. One of them based on BLE (Bluetooth Low Energy) technology and another one based on the deployment of a gateway with UWB technology for the communication. After verifying that the typical error in the positioning in cartesian coordinates using the PANS firmware is 10 centimeters, the scale-model vehicle’s approach error to the destination point obtained is approximately 8 centimeters in average. In hyperbolic coordinates case, and after verifying another error of approximately 10 centimeters in the distance estimation between anchor and tag, the scale-model vehicle’s approach error to the target point is approximately 16 centimeters in average.

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Item ID: 69260
DC Identifier: https://oa.upm.es/69260/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:69260
Deposited by: Biblioteca Universitaria Campus Sur
Deposited on: 13 Dec 2021 16:31
Last Modified: 13 Feb 2022 23:30
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