Onderzoek naar een goedkope, nauwkeurige indoor positioneringsmethode

Plaatsbepaling is geen nieuw probleem. De mensheid probeert al eeuwenlang haar locatie te bepalen met behulp van instrumenten zoals sextanten, klokken, kaarten, enz. Een van de grootste revoluties op dit gebied is waarschijnlijk de komst van het Global Positioning System (GPS), dat bijna overal op aarde positie-informatie kan verschaffen. Helaas kunnen GPS en soortgelijke satellietnavigatiesystemen niet binnenshuis worden gebruikt. De signaalsterkte wordt sterk gereduceerd door muren in gebouwen, waardoor de nauwkeurigheid van dergelijke systemen binnenshuis onbruikbaar wordt. Veel onderzoekers hebben geprobeerd een oplossing te vinden, maar een standaardtechnologie voor plaatsbepaling binnenshuis is echter nog niet bereikt. Elke oplossing heeft voor- en nadelen. De meest prominente afweging is die tussen nauwkeurigheid en kostprijs. Plaatsbepaling met zichtbaar licht kan daar misschien verandering in brengen. Bij VLP (Visible Light Positioning) wordt het zichtbare lichtspectrum gebruikt als een draadloos communicatiemedium. De uitgezonden signalen worden vervolgens gebruikt om de locatie van een ontvanger te bepalen. Een belangrijk voordeel van VLP is dat de bestaande verlichtingsinfrastructuur vaak kan worden hergebruikt. Bovendien vermindert het lokale karakter van het licht de invloed van reflecties, wat tot een hoge nauwkeurigheid leidt.

Veel van het VLP onderzoek van de laatste jaren is gericht op het verbeteren van de nauwkeurigheid, bijvoorbeeld door nieuwe modulatietechnieken, nieuwe ontvangerontwerpen, of andere technische ontwikkelingen. Hoewel dit werk zeker zijn nut heeft, zal deze thesis zich in plaats daarvan richten op het bredere kader. Door uit te zoomen in plaats van in te zoomen, beoogt dit doctoraat enkele toegangsbarrières voor VLP weg te nemen en het aantal potentiële toepassingen te vergroten. Daartoe heeft dit werk vier concrete doelstellingen.

Een VLP-systeem moet worden gekalibreerd voor gebruik. De plaats en identiteit van elke lichtbron moet nauwkeurig gekend zijn. De kalibratie wordt vaak handmatig uitgevoerd, wat een saai en foutgevoelig proces is. Kalibratie wordt zelden besproken in de literatuur maar is een integrale stap in het opzetten van een VLP-systeem. Daarom is de eerste doelstelling van dit werk de ontwikkeling van een eenvoudigere kalibratiemethode die kan worden gebruikt voor performante VLP-systemen. Er wordt een nieuwe methode voorgesteld die gebruik maakt van een mobiele robot. Experimenten tonen aan dat deze aanpak minstens even nauwkeurig is als handmatige kalibratie. Bovendien is robotkalibratie robuust onder verscheidene omstandigheden.

Onderzoek naar binnenhuispositionering gebruikt steeds vaker hybride systemen om de zwaktes van individuele technologieën op te vangen. Deze hybride systemen hebben echter zelden gebruik gemaakt van VLP. Het tweede doel van dit proefschrift zal daarom VLP fuseren met complementaire sensoren. Het samenvoegen van sensoren zal waarschijnlijk de nauwkeurigheid van VLP systemen verbeteren. Belangrijker is dat ook de robuustheid van een systeem zal toenemen. VLP is standaard alleen mogelijk als meerdere lichtbronnen worden gedetecteerd. De occlusie van één of meer lichten kan het tracken onderbreken. Extra sensoren kunnen deze tijdelijke onderbrekingen compenseren.

De ontwikkelde methoden zullen worden geëvalueerd met een mobiele robot. Het lokaliseren van autonome voertuigen is de meest uitdagende toepassing van indoor positioneringssystemen. Daarom is de derde doelstelling het nauwkeurig tracken van mobiele robots met zichtbaar licht tegen een lage kostprijs. Als aan deze hoge eisen kan worden voldaan, ligt het voor de hand dat VLP ook kan worden uitgebreid tot toepassingen met lagere eisen. Doelstellingen 2 en 3 worden gecombineerd in het lokaliseren van een mobiele robot door de combinatie van VLP- en encodergegevens. Drie algoritmen voor sensorfusie worden getest: een extended Kalman filter, een particle filter, en een hybride particle/Kalman filter. Experimenten zijn uitgevoerd in een spaarse verlichtingsinstallatie. Die evaluatie toonde aan dat de nauwkeurigheid hoog blijft. Bovendien worden de prestaties niet significant beïnvloed door externe factoren zoals omgevingslicht. Real-time werking op embedded computers is eveneens mogelijk.

VLP vereist aanpassingen aan de infrastructuur. Tussen elk licht en zijn stroombron moet extra hardware worden geplaatst die hoogfrequente modulatie mogelijk maakt. Daarom is het laatste doel van deze thesis om de mogelijkheden te onderzoeken van ongemoduleerd licht. Een nieuwe methode wordt voorgesteld die een mobiele robot lokaliseert door ongemoduleerd licht te fuseren met encoderdata. In vergelijking met gemoduleerd licht zijn de nauwkeurigheid en robuustheid van deze aanpak lager. Niet-gemoduleerd licht kan daarom het best worden gereserveerd voor toepassingen met bescheiden eisen.

Globaal genomen verlaagt dit werk enkele van de toegangsbarrières voor VLP. Toekomstig werk kan verder bouwen op de ideeën uit dit proefschrift om deze muren nog meer te doen vallen. VLP kan dan op een dag een alomtegenwoordige technologie voor plaatsbepaling binnenshuis worden.