Robust airborne ultrasonic positioning of moving targets in weak signal coverage areas

Abstract

Los actuales sistemas ultrasónicos de posicionamiento local (LPS), basados en una infraestructura de balizas, pueden proporcionar una precisión centimétrica empleando la técnica del espectro ensanchado, que además añade robustez frente al ruido. Sin embargo, la fuerte atenuación de las ondas acústicas a altas frecuencias, la elevada direccionalidad de los transductores de ultrasonidos y el efecto Doppler causado por los objetivos en movimiento siguen afectando al correcto funcionamiento de los LPS. Estos fenómenos reducen la disponibilidad de estos sistemas en zonas de cobertura de señal débil, ya que no son capaces de distinguir las llegadas débiles de los picos espurios, fallando en el cálculo de la posición del objetivo. En este trabajo se abordan los problemas mencionados transmitiendo formas de onda Doppler resistentes junto con un código de validación basado en el Conjunto Complementario de Secuencias. Este código de validación se aprovecha en el receptor tras la compensación Doppler para reducir el número de candidatos a llegadas espurias y, por tanto, aumentar la disponibilidad del sistema. En comparación con un sistema sin validación, las pruebas experimentales con un robot en movimiento han demostrado que el sistema propuesto aumentó la disponibilidad del sistema en zonas de cobertura débil entre un 20 y un 25%. El error medio de posicionamiento 2D del robot en reposo y en movimiento fue de 4,6 cm y 6 cm, respectivamente.

Current ultrasonic Local Positioning Systems (LPS) based on an infrastructure of beacons can provide centimeter-level accuracy employing the spread spectrum technique, which also adds robustness against noise. However, the strong attenuation of the acoustic waves at high frequencies, the high directionality of ultrasound transducers, and the Doppler effect caused by moving targets still affect the correct performance of LPS. These phenomena reduce the availability of these systems in weak signal coverage areas, as they are no longer able to distinguish weak arrivals from spurious peaks, failing to calculate the position of the target. In this work, the aforementioned problems are dealt with by transmitting Doppler resilient waveforms together with a validation code based on Complementary Set of Sequences. This validation code is leveraged at the receiver after Doppler compensation to reduce the number of spurious arrival candidates and therefore increase the system availability. Compared to a system with no validation, experimental tests with a moving robot have shown that the proposed system increased the system availability in weak coverage areas between 20 and 25%. The robot’s average positioning 2D error at rest and in motion was 4.6 cm and 6 cm, respectively.