Tesi di Laurea Magistrale in
Ingegneria delle Telecomunicazioni
Realizzazione di un sistema di
posizionamento indoor tramite UWB
Studente: Sciarretta Simone Relatori: Prof. Ing. Paolo Nepa
Prof. Ing. Giuliano Manara Dr. Ing. Alice Buffi
Indice
Ringraziamenti ... 4
Introduzione ... 5
1. Sistemi di posizionamento ... 6
1.1 Sistemi di posizionamento outdoor ... 6
1.2 Posizionamento indoor ... 8
1.3 Metodi di posizionamento... 10
1.3.1 Triangolazione ... 10
1.3.2 Trilaterazione ... 11
1.3.3 Cell of Origin ... 12
1.4 Possibili tecnologie per il posizionamento indoor ... 13
1.4.1 Wi-Fi ... 13
1.4.2 Bluetooth ... 14
1.4.3 Navigazione inerziale (Dead Reckoning) ... 15
1.4.4 Ultrasuoni ... 16
1.4.5 RFID passivi ... 17
1.4.6 UWB ... 18
2. Lo Standard IEEE 802.15.4a ... 19
2.1 Cenni storici ... 19
2.2 PHY alternativi ... 20
2.3 UWB PHY ... 21
2.3.1 Modulazione ... 22
2.3.2 Formato della trama ... 23
2.4 CSS PHY ... 24
2.4.1 Modulazione ... 25
2.4.2 Formato della trama ... 25
3. Sistema di localizzazione basato su tecnologia UWB... 26
3.1 Dispositivi di localizzazione UWB Decawave ... 26
3.1.1 Ancore ... 28
3.1.2 Tag ... 31
3.2 Setup sperimentale e misure di distanza preliminari ... 33
3.2.1 Misure in ambiente outdoor ... 33
3.2.2 Misure in ambiente indoor ... 36
3.3 Allestimento del muletto ... 44
4. Analisi sperimentale ... 49
4.1 Metodo LSE ... 50
4.1.1 Prestazioni per il caso di muletto fermo... 53
4.1.2 Prestazioni per il caso di traiettoria rettilinea ... 58
4.1.3 Prestazioni per il caso di traiettoria ad L ... 60
4.2 Metodo delle intersezioni delle sfere ... 62
4.2.1 Prestazioni per il caso di muletto fermo... 63
4.2.2 Prestazioni per il caso di traiettoria rettilinea ... 67
4.2.3 Prestazioni per il caso di traiettoria ad L ... 69
4.3 Metodo dei determinanti di Cayley-Menger ... 71
4.3.1 Prestazioni per il caso di muletto fermo... 74
4.3.2 Prestazioni per il caso di traiettoria rettilinea ... 78
4.3.3 Prestazioni per il caso di traiettoria ad L ... 80
Conclusioni ... 82
Ringraziamenti
Vorrei ringraziare in particolare i relatori di questa tesi, il Prof. Paolo Nepa, il Prof. Giuliano Manara, e la Dott.ssa Alice Buffi, senza i quali questo progetto di tesi non sarebbe stato possibile, e l’Ing. Andrea Motroni che ha dato un contributo fondamentale sia per la revisione sia per le prove effettuate.
Ringrazio anche le società ISE s.r.l. e Sofidel s.p.a. per la disponibilità dei magazzini e delle aree di prova, in particolare i miei tutor Antonino Gandolfo e Jacopo Bellucci che mi hanno assistito e aiutato nelle prove effettuate.
Un ringraziamento anche ai tecnici dell’officina OM Still di Livorno che hanno realizzato il montaggio finale di tutti i componenti necessari sul muletto in modo da rispettare tutte le normative di sicurezza.
Infine ringrazio i miei genitori e tutti i miei cari che mi hanno supportato durante tutto il progetto di tesi, nonché durante il percorso di studi.
Introduzione
Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo la realizzazione di un sistema di tracciamento della posizione in tempo reale in un ambiente indoor, in particolare la posizione di muletti operanti in magazzini estesi con alto indice di rotazione.
L’obiettivo viene raggiunto tramite l’utilizzo di dispositivi Ultra Wide Band (UWB) analizzandone in dettaglio il funzionamento e le prestazioni relativamente all’accuratezza della posizione stimata.
Il magazzino di interesse ha dimensioni 55 m x 80 m, ha sei colonne centrali di dimensione 50 cm x 50 cm e contiene al suo interno dei pallet di carta.
Una volta tracciata la posizione dei muletti corredata dai relativi istanti temporali, è possibile risalire a quale pallet sia stato inforcato ad un certo istante e, una volta rilasciato, risalire alla posizione del pallet stesso. Per questo, la specifica implicita è quella che l’errore massimo sulla posizione commesso dal sistema sia inferiore alla metà della dimensione di un pallet. Sapendo che i pallet in oggetto sono larghi 80 cm, la precisione richiesta sarà di almeno 40 cm.
Dopo una panoramica dello stato dell’arte delle principali tecnologie in uso, nel Capitolo 1, nel Capitolo 2 viene riassunto lo standard IEEE 802.15.4a che regolamenta i sistemi UWB facendo riferimento al livello fisico e al formato delle trame previsto.
Nel capitolo 3 viene descritto l’hardware utilizzato per il progetto, le funzionalità a disposizione, le prove empiriche effettuate per valutare il corretto funzionamento del sistema e il modo in cui viene allestito il muletto.
Nel capitolo 4 si descrivono alcuni algoritmi software sviluppati nel tentativo di cercare di migliorare il tracciamento della traiettoria del muletto, confrontandone le prestazioni in termini di precisione e di costo computazionale.
Infine si commentano le conclusioni a cui si è giunti e si illustrano i possibili sviluppi futuri. Le prove sono state effettuate principalmente nell’area di produzione di ISE s.r.l. a Migliarino Pisano (PI), e nel magazzino Soffass s.p.a. in località Tassignano (LU).
1. Sistemi di posizionamento
1.1 Sistemi di posizionamento outdoor
In ambiente outdoor esistono già diversi sistemi di posizionamento usati quotidianamente da ognuno di noi. Ad esempio il Global Positioning System (GPS) è oggigiorno uno dei sistemi più utilizzati poiché innumerevoli applicazioni per smartphone e tablet richiedono l’utilizzo della posizione o, più in generale, di un sistema di navigazione.
Figura 1: Illustrazione esemplificativa delle orbite descritte dai satelliti del GPS. Le orbite sono inclinate di circa 55 gradi rispetto al piano equatoriale.
Il GPS è stato realizzato dal Dipartimento della Difesa Statunitense (USDOD) nel 1973 e originariamente disponeva di 24 satelliti, più altri 3 satelliti di riserva.
Nel 1991 gli USA aprono al mondo il servizio per usi civili con il nome di Standard Positioning System (SPS), con servizio differenziato da quello riservato alle forze militari degli USA e denominato Precision Positioning System (PPS). Il segnale civile era intenzionalmente degradato allo scopo di ridurre l’accuratezza nella rilevazione, consentendo precisioni dell’ordine di 900 m. Questa degradazione è stata disabilitata nel Maggio 2000 dal presidente Bill Clinton, mettendo così a disposizione degli usi civili la precisione attuale di circa 10 m, e fornisce la posizione sulla terra a chiunque sia in possesso di un ricevitore GPS. Tuttavia, ancora rimangono delle limitazioni forti rispetto al sistema
utilizzato per scopi militari che sfrutta segnali con codici di cifratura differenti e bande diverse.
Attualmente il sistema GPS è costituito da 31 satelliti in orbita MEO (Medium Earth Orbit) che ruotano su 6 orbite circolari a circa 20.000 km dalla superficie terrestre ed inclinate di 55 gradi rispetto al piano equatoriale (Figura 1). Ciascuno di essi impiega circa 12 ore per fare un giro completo attorno alla terra.
La posizione di un ricevitore GPS sulla superficie terrestre viene calcolata misurando le distanze del ricevitore da almeno quattro satelliti in vista, e applocando un algoritmo di trilaterazione.
L’accuratezza nella posizione dipende fortemente da molti fattori, come le condizioni metereologiche, la posizione istantanea dei satelliti rispetto al ricevitore, la qualità e il tipo di ricevitore, gli effetti di rifrazione in ionosfera e troposfera e anche da effetti relativistici. Oltre al GPS, attualmente sono in uso o in fase di sviluppo altri sistemi come ad esempio il sistema russo GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS), anch’esso inizialmente utilizzato solo da militari russi e sovietici, fino a quando nel 2007 è stato reso pienamente disponibile anche per applicazioni civili.
In Cina è stato realizzato il sistema di posizionamento Beidou, per uso civile esteso a tutta l’Asia, ed il sistema di navigazione COMPASS il cui completamento è previsto per il 2020. Anche l’Unione Europea ha in progetto una propria rete di satelliti chiamata Galileo, per scopi sia civili sia militari, che ha un’evidente valenza strategica in quanto la rete GPS è proprietà dei soli Stati Uniti d’America ed è gestita da autorità militari, che, in particolari condizioni, potrebbero decidere discrezionalmente e unilateralmente di ridurne la precisione o bloccare selettivamente l'accesso al sistema.
Non è da escludere che in futuro anche altri Paesi sviluppino un proprio sistema di posizionamento outdoor satellitare e che le accuratezze nel calcolo della posizione di ciascun utente a terra vadano via via migliorando negli anni.
1.2 Posizionamento indoor
Oggigiorno la maggior parte delle persone trascorre la propria giornata all’interno di edifici, dove il GPS e, in generale, la ricezione di segnali da satelliti, riscontra delle problematiche dovute all’attenuazione sul segnale introdotta dalle pareti. Inoltre, in ambiente indoor, è richiesta una precisione maggiore, che può variare dal metro all’ordine di qualche centimetro in base all’applicazione.
Vi è quindi la necessità di trovare altre soluzioni con più elevata precisione per il posizionamento indoor. Gli ambiti applicativi che richiedono l’accesso a questo tipo di informazioni sono innumerevoli e possono riguardare la normale vita quotidiana, il marketing, fino ad arrivare al supporto in situazioni di emergenza.
Nel corso degli anni sono state proposte moltissime tecnlologie al problema del posizionamento indoor come ad esempio Wi-Fi, Bluetooth, Navigazione inerziale, Ultrasuoni, RFID, UWB, etc.
Tuttavia non esiste attualmente una soluzione che può essere definita migliore di tutte le altre, ma la scelta deve essere fatta in base all’applicazione di interesse e, eventualmente, utilizzando più di una tecnologia in modo da sfruttare al meglio i vantaggi di più soluzioni, e sopperire ai relativi svantaggi.
La sfida per il futuro sarà quella di cercare una soluzione unica capace di fornire un servizio di posizionamento accurato sia indoor sia outdoor, poco esigente per quanto riguarda la manutenzione e che sia in grado di scalare con il minore impatto possibile le infrastrutture. Un tale sistema potrebbe portare a numerosi miglioramenti nella vita di tutti i giorni.
Ad esempio potrebbe essere d’aiuto per le persone con deficit visivi, che con questa soluzione potrebbero riuscire ad orientarsi anche in posti sconosciuti in maniera molto più efficace.
In un supermercato o un magazzino potrebbe permettere l’utilizzo di applicazioni di navigazione che, una volta impostata la ricerca di un determinato prodotto, guidi l’utente passo passo verso la corsia e lo scaffale dove questo si trova.
Un’altra possibile funzionalità importante è quella della navigazione autonoma: si potrebbe realizzare un sistema che permetta di migliorare l'efficienza delle automobili a guida automatica permettendo, ad esempio, la navigazione in parcheggi interrati fino al più vicino posteggio disponibile.
Un altro utilizzo importante potrebbe essere quello applicato alle persone in pericolo ed ai mezzi di soccorso: in caso di emergenze o se intrappolate in edifici in fiamme, la posizione di chi è in pericolo potrebbe essere condivisa con i mezzi di soccorso per garantire un intervento più rapido e preciso.
Nell’edilizia e nell’architettura la localizzazione permetterebbe il monitoraggio in tempo reale delle deformazioni subite da ponti o edifici.
Un altro possibile scenario potrebbe essere in ambito della domotica e dell’automazione casalinga dove una casa intelligente potrebbe, in base alla posizione e ai movimenti dell’utente, prevedere le sue esigenze: possiamo immaginare ad esempio che mentre si sposta per cambiare stanza, le luci di quest’ultima si accendano automaticamente prima del suo ingresso.
1.3 Metodi di posizionamento
Per calcolare la posizione di un dispositivo mobile in maniera precisa, nel corso degli anni sono stati sviluppati diversi metodi che si basano sul calcolo delle distanze da alcuni punti fissi, sull’angolo di arrivo del segnale, sulla vicinanza a punti di interesse o su delle varianti di queste.
1.3.1 Triangolazione
La tecnica di triangolazione o multiangolazione si basa sulla misurazione degli angoli relativi tra la nostra posizione e punti fissi di cui conosciamo la posizione relativa.
Grazie alle proprietà dei triangoli è possibile determinare univocamente la posizione di un nodo: conoscendo l’angolo tra un punto di riferimento e la sua posizione e tracciando una retta che passa per questi due punti. Ripetendo l’operazione per più punti, si trovano rette che si intersecano esattamente nella posizione del nodo da stimare, ed è quindi possibile risolvere il problema tramite un sistema lineare.
Se gli angoli sono misurati con un certo errore, tali rette non si intersecano più in un punto, determinando un’area di intersezione (vedi area evidenziata in Figura 2).
Figura 2: Illustrazione del metodo di triangolazione. Per ritrovare la posizione 2D di un nodo in un piano bastano 2
rette che provengono da punti fissi, mentre per risolvere il problema in uno spazio a 3 dimensioni si devono tracciare le rette rispetto a 3 punti fissi. Le linee blu indicano le rette con angoli reali e in rosso quelle affette da errore. L’effetto di errori nel calcolo degli angoli porta ad avere una posizione stimata che sarà all’interno dell’area evidenziata.
1.3.2 Trilaterazione
La trilaterazione o multilaterazione si basa sulla misura delle distanze da più punti fissi la cui posizione sia nota.
Nel problema 2D, calcolando la distanza da un punto fisso la posizione del nodo si trova su una circonferza; calcolando due distanze relative a due punti diversi si ottengono due circonferenze che si intersecano in generale in 2 punti diversi dove si può trovare il nodo; Infine con una terza circonferenza si riesce a identificare univocamente una posizione sul piano (Figura 3).
Nel caso di problema in 3 dimensioni, si deve ragionare con le intersezioni tra sfere: in questo caso servono almeno 4 sfere per identificare univocamente un punto nello spazio 3D. Se le distanze sono misurate con un certo errore, le 3 circonferenze non si incontrano più in un punto ma si intersecano a formare una certa area in cui si può trovare il nodo.
Figura 3: Illustrazione del metodo di trilaterazione. Per ritrovare la posizione sul piano basta trovare l’intersezione tra
tre circonferenze. In blu si mostrano le circonferenze reali e in rosso quelle con raggio affetto da un certo errore. L’effetto di errori nel calcolo delle distanze porta ad avere una posizione stimata che sarà all’interno dell’area evidenziata. Per calcolare la posizione in uno spazio tridimensionale si deve calcolare l’intersezione tra almeno quattro sfere.
1.3.3 Cell of Origin
Un altro metodo per stimare la posizione di un nodo è stabilire dei punti di riferimento che siano più possibile univocamente riconoscibili, in modo che si possano identificare qualora ci si trovi nelle loro vicinanze. In questo caso la posizione viene stimata con la posizione del punto noto (Figura 4).
Questo approccio è anche quello comunemente usato in maniera istintiva dalla maggior parte degli animali, compreso l’uomo, in quanto non si basa su calcoli matematici ma sul semplice riconoscimento di caratteristiche ambientali. Inoltre viene utilizzato anche nelle trasmissioni radio a copertura cellulare, come ad esempio nelle tecnologie per la telefonia mobile GSM/UMTS per determinare la posizione del terminale mobile in base a quella della stazione radiobase di riferimento.
La precisione di questo metodo è variabile a seconda della grandezza delle celle di riferimento. Se l’area intorno al punto di riferimento è piccola si ha una maggiore precisione ma bassa probabilità di trovarsi all’interno di una cella e quindi di poter stimare la propria posizione; viceversa se l’area di caratterizzazione è grande aumenta la probabilità di poter stimare la propria posizione ma la precisione sarà più scarsa.
Figura 4: Illustrazione del metodo Cell of Origin. Gli utenti A e B riconoscendo di essere nelle vicinanze di Cell1 assumeranno che la loro posizione sia quella della cella stessa [3, 7], con un certo margine di errore. L’utente C invece riconoscendo di essere nelle vicinanze di Cell2 assumerà che la sua posizione sia [2, 8] con un errore molto minore.
1.4 Possibili tecnologie per il posizionamento indoor
1.4.1 Wi-Fi
La tecnologia Wi-Fi si basa sul campionamento dei dati ricevuti dagli Access Point (AP) presenti nell’area dove si svolge la localizzazione, che stima le distanze del nodo dagli AP in base alla potenza del segnale ricevuto.
Gli AP operano secondo lo standard IEEE 802.11 sulla banda di frequenze ISM e prevedono l’invio periodico di pacchetti, detti Beacon, per coordinare la trasmissione dei client ad esso associati.
La presenza di molteplici Beacon è dovuta al fatto che sono spesso presenti molteplici AP per garantire la connettività nell’intera area.
Sono state sviluppate nel corso degli anni due tecniche per determinare la posizione del nodo: una si basa sul calcolo delle distanze tra il nodo stesso e gli AP, l’altra cerca di caratterizzare univocamente alcuni punti di interesse nell’ambiente, suddivide l’intera area di interesse in celle più piccole, e stima la posizione del nodo in base alla cella in cui si trova (Cell of Origin).
PRO:
• Molti AP sono spesso già presenti grazie all’enorme diffusione del Wi-Fi, e possono essere utilizzati come infrastruttura preesistente riducendo notevolmente i costi iniziali.
• All’utente è richiesto solo di avere un qualsiasi dispositivo dotato di scheda Wi-Fi. CONTRO:
• La precisione varia molto al variare del numero di AP ed è dell’ordine di qualche metro.
• La posizione e l’orientamento del nodo rispetto agli AP influenza notevolmente il segnale ricevuto e può introdurre ulteriori errori nel calcolo della posizione.
1.4.2 Bluetooth
Una soluzione basata su tecnologia Bluetooth consiste nel disporre un’infrastruttura di trasmettitori Bluetooth (o Bluetooth Low Energy, BLE) nell’area interessata, configurando ognuno di essi per emettere un segnale univoco e alcune informazioni aggiuntive.
Il dispositivo può risalire alla propria Cell of Origin grazie ai dati aggiuntivi ricevuti.
I protocolli Bluetooth e BLE sono diversi e non sono compatibili tra loro, ma oggigiorno quasi tutti gli smartphone di nuova generazione sono conformi ad entrambi gli standard, permettendo di utilizzare un semplice telefono cellulare alla portata di tutti come client. La precisione di questa tecnologia è simile a quella del Wi-Fi in quanto lo standard usa le stesse frequenze della banda ISM e sfrutta analogamente la potenza del segnale ricevuto per stimare la distanza, ma la sua facilità d’uso permette di comunicare all’utente la vicinanza a punti di interesse, ed eventualmente di effettuare azioni legate a quella particolare posizione. PRO:
• L’hardware è economico e facile da utilizzare. • Lo standard BLE garantisce consumi molto ridotti. • Durata delle batterie molto elevata.
CONTRO:
• La precisione è molto bassa dell’ordine di qualche metro, e non rappresenta una buona alternativa per applicazioni indoor.
• Essendo una tecnologia a bassa potenza, il raggio di copertura di ogni trasmettitore è solamente di qualche metro.
• Soluzione difficilmente scalabile per grandi ambienti. Infatti è necessario un elevato numero di trasmettitori, almeno uno per ogni stanza.
1.4.3 Navigazione inerziale (Dead Reckoning)
La navigazione inerziale è forse la più antica e la più intuitiva tra le tecniche presentate. Per calcolare la posizione sfrutta tre informazioni: il punto di partenza (noto a priori), la direzione dello spostamento, e la distanza percorsa.
Nel corso dei secoli è stata spesso utilizzata per orientarsi in mare aperto, ma ora può essere adattata anche per applicazioni indoor grazie all’utilizzo di accelerometri e giroscopi, ormai largamente diffusi e integrati in tutti gli smartphone.
Se la precisione dello strumento è abbastanza elevata, basterà integrare l’accelerazione nel tempo ottenendo la velocità, e conseguentemente lo spazio percorso.
Oltre alla posizione, questa tecnica consente anche di ottenere informazioni aggiuntive sul nodo, come ad esempio l’attività fisica svolta (camminata, corsa, etc.) o il mezzo di trasporto utilizzato dall’utente.
PRO:
• Non è necessario nessun tipo di infrastruttura esterna al nodo. • Non è soggetta ad interferenze esterne.
CONTRO:
• È richiesta la conoscenza di un punto di partenza che deve essere ricavato tramite l’utilizzo di altri sistemi o inserito manualmente dall’utente.
• Gli accelerometri e i giroscopi presenti negli smartphone non sono molto precisi e possono portare delle misure non abbastanza accurate.
• Dato che è una tecnica iterativa, l’errore commesso si accumula nel tempo, quindi un errore anche piccolo in partenza, può indurre a errori molto elevati nel lungo termine.
1.4.4 Ultrasuoni
Per ultrasuoni si intende qualsiasi vibrazione sonora la cui frequenza è superiore a 20 kHz. Questi suoni non sono percepibili dall’orecchio umano e grazie a questa caratteristica vengono usati in vari settori, dall’industria medica alle telecomunicazioni.
In questo caso si prevede la disposizione di due classi di componenti: un’infrastruttura di beacon statici disposta nell’ambiente, e dispositivi client mobili dotati di capacità ultrasoniche la cui posizione deve essere identificata.
Si parla di sistema attivo quando sono i nodi a emettere il segnale ultrasonico e i beacon dell’infrastruttura a riceverlo e calcolare la distanza. Questa metodologia ha lo svantaggio che all’aumentare del numero di nodi si ha un aumento notevole del rumore causato dalla trasmissione contemporanea di più segnali.
Nel caso di sistema passivo sono i beacon a emettere il segnale ultrasonico e i nodi a riceverlo e calcolare la propria posizione. Questo metodo è migliore di quello attivo in quanto è più semplice coordinare l’emissione degli impulsi da parte dell’infrastruttura. PRO:
• È uno dei sistemi più precisi, arrivando a errori dell’ordine di qualche centimetro. • È possibile utilizzare hardware comune per il calcolo del tempo di volo del segnale
ultrasonico. CONTRO:
• È necessario distribuire numerosi beacon all’interno di ogni stanza a causa dell’assorbimento del suono da parte di oggetti e pareti.
• La trasmissione sonora è molto più soggetta a rumore rispetto alle tecniche a radiofrequenza.
• L’utilizzo di molti trasmettitori aumenta il rischio che si incorra in collisioni e fenomeni di eco, a cui è necessario far fronte con protocolli e algoritmi più complessi.
• Gli ultrasuoni non sono percepibili dall’orecchio umano ma potrebbero essere percepiti e dare fastidio ad animali domestici.
1.4.5 RFID passivi
La tecnologia Radio Frequency IDentification (RFID) passiva consiste nell’utilizzo di tag non alimentati e di un lettore (reader) che invia segnali radio ad intervalli regolari.
Quando riceve il segnale trasmesso dal reader, il tag si attiva e risponde con il suo codice identificativo. La posizione può essere calcolata dai reader in base al livello di potenza ricevuto misurato tramite il parametro Received Signal Strength Indicator (RSSI), oppure adoperando la fase del segnale reirradiato dal tag.
Una possibilità è quella di distribuire vari reader in posizioni fisse, e dotare il nodo da localizzare con un tag all’interno dell’area di interesse. Questo però aumenta l’impatto ambientale e il costo totale dell’infrastruttura, in quanto tipicamente i tag sono molto più economici e meno ingombranti dei reader.
L’alternativa è quella di posizionare più tag RFID in posizioni fisse equipaggiando il nodo con un reader. L’utilizzo di tag passivi permette di avere delle dimensioni ridotte e spesso anche flessibili, del tutto simili alle comuni etichette adesive, il che ne riduce notevolmente l’impatto ambientale.
A differenza delle altre tecnologie, in questo caso la posizione è nota solo ai reader e non ai singoli tag.
PRO:
• Il consumo energetico del tag è nullo in quanto non è alimentato e viene attivato solo dall’energia che lo investe.
• L’impatto ambientale è molto basso. • Il costo dei singoli tag è basso. CONTRO:
• Il raggio di copertura è limitato a circa 10 metri.
• È necessario conoscere con elevata precisione la posizione di tutti i tag per ridurre l’errore nel calcolo della posizione del reader.
1.4.6 UWB
Con il termine Ultra Wide Band (UWB) si fa riferimento a segnali che occupano una larga porzione dello spettro elettromagnetico, e precisamente una banda maggiore di 500 MHz, o comunque maggiore del 20% della frequenza centrale.
Data la banda molto larga, le trasmissioni impiegano tempi molto brevi (dell’ordine di 10-12
secondi) e sono molto più resistenti a rifrazioni dovute ad ostacoli nell’ambiente in quanto nel tempo aggiuntivo che impiega il raggio rifratto a raggiungere il destinatario, la trasmissione in Line Of Sigth (LOS) è già stata ricevuta. Infatti in questo caso per stimare la distanza del dispositivo mobile, si sfrutta il tempo di volo del segnale con tecniche di tipo Time of Arrival (ToA) o Time Difference of Arrival (TDoA).
È possibile identificare quali sono le comonenti di multipath, ovvero i segnali ricevuti dopo aver effettuato delle riflessioni su superfici presenti nell’ambiente, ed escluderli. Questa caratteristica è fondamentale in ambienti indoor in cui i fenomeni di multipath sono predominanti rispetto all’attenuazione dovuta alla distanza.
PRO:
• La probabilità di collisione è molto ridotta grazie all’elevata velocità di trasmissione. • La precisione nel calcolo della posizione è di ordine centimetrico.
• Il consumo energetico rimane relativamente basso. CONTRO:
• La penetrazione degli ostacoli risulta limitata a causa dell’alta frequenza utilizzata. • Necessita di hardware specifico, non presente all’interno di dispositivi come
smartphone e tablet.
• Elevato costo delle ancore UWB
2. Lo Standard IEEE 802.15.4a
2.1 Cenni storici
Le applicazioni che si basano sulla raccolta ed elaborazione di dati sensoriali hanno portato allo sviluppo delle reti di sensori wireless (Wireless Sensor Network, WSN) e stanno diventando sempre più popolari.
Lo standard IEEE 802.15.4 comprende una tecnologia ideale per soddisfare la domanda di tali applicazioni.
Dopo il rilascio dello standard, era evidente che una vasta gamma di applicazioni con basso bit rate sarebbe stata migliorata grazie alla capacità di misurare la distanza tra i dispositivi nella rete con precisione elevata.
Dato che questa capacità era preclusa ai dispositivi 802.15.4 a causa della banda limitata dei segnali, nel Marzo 2004 viene creato il gruppo Low Rate Alternative PHY Task Group (TG4a) con lo scopo di definire livelli fisici (PHY) alternativi in grado di fornire la capacità desiderata di misurare la distanza tra i dispositivi in maniera precisa, e di conseguenza adattare anche il livello Medium Access Control (MAC).
L’obiettivo era quello di arrivare ad una precisione inferiore a 1 metro, con consumo energetico ridotto ed elevato throughput.
Nel Marzo 2005 una specifica di base è stata approvata dal gruppo TG4a, che consisteva in due PHY alternativi: uno basato sulla trasmissione di impulsi radio a banda ultra larga (UWB), e l’altro basato sull’utilizzo di segnali chirp (Chirp Spread Spectrum, CSS).
La standardizzazione è stata completata nel Gennaio 2007 ed è stata approvata a Marzo dello stesso anno come IEEE 802.15.4a.
2.2 PHY alternativi
La grande varietà di applicazioni richieste non poteva essere soddisfatta dall’originale livello PHY 802.15.4. Molte nuove applicazioni richiedono distanze di comunicazioni maggiori e alte velocità di trasmissione dati che possono essere supportati con l’utilizzo degli impulsi radio UWB operanti nelle bande libere.
Inoltre il livello UWB PHY fornisce funzionalità opzionali per la misura precisa della distanza, come richiesto da varie applicazioni in molti ambiti applicativi.
Nonostante esistano altri sistemi di localizzazione indoor, come ad esempio sistemi che usano ultrasuoni, infrarossi, o misure di RSSI, queste sono costose e comportano difficoltà di installazione e di manutenzione, oltre ad avere una accuratezza inferiore. D’altra parte gli impulsi a brevissima durata dell’UWB si rivelano candidati ideali per la combinazione di comunicazione e posizionamento indoor, e soddisfano le richieste delle nuove applicazioni. Allo stesso tempo, altri tipi di applicazioni non necessitano di alti throughput ma richiedono la comunicazione a distanze maggiori, con dispositivi che si muovono a velocità elevata. Per questo tipo di applicazioni è stato aggiunto il livello fisico CSS che consiste nel trasmettere impulsi sinusoidali a frequenza variabile con un andamento lineare. Quest’ultimo può essere utilizzato anche per applicazioni militari dato che è molto difficile da rilevare e intercettare e opera a bassa potenza.
Una differenza fondamentale tra i due livelli fisici è la banda di frequenze utilizzate. Il livello UWB PHY utilizza tre distinte bande indipendenti, dove ognuna di queste bande ha diversi vincoli regolamentari nelle diverse regioni del mondo. Il livello CSS PHY invece, utilizza le frequenze intorno a 2450 MHz nella banda ISM (Industrial, Scentific and Medical) che è disponibile in quasi tutto il mondo.
Un’altra caratteristica che li distingue è la velocità di trasmissione: il livello UWB PHY supporta una velocità di 851 kb/s con velocità opzionali di 110 kb/s, 6.81 Mb/s, e 27.24 Mb/s, mentre il livello CSS PHY fornisce una velocità di 1 Mb/s con opzionali 250 kb/s. In entrambi i casi, la variazione della velocità di trasmissione dati è fornita grazie all’utilizzo di burst dati di lunghezza variabile.
2.3 UWB PHY
La forma d’onda UWB PHY è basata su segnali a impulsi radio a banda limitata e supporta tre diverse bande operative: la banda da 249.6 MHz a 749.6 MHz (Sub-gigahertz) che consiste in un solo canale {0}, la banda da 3.1 GHz a 4.8 GHz (Low band) che consiste in 4 canali {1-4}, e la banda da 5.8 GHz a 10.6 GHz (High band) che consiste in 11 canali {5-15} (Figura 5).
Figura 5: Bande assegnate ai canali UWB. Si nota che alcuni canali sono sovrapposti fra loro ma quelli obbligatori (disegnati in rosso) sono ben spaziati. Dal grafico si nota anche quanto i canali {4, 7, 11, 15} abbiano bande più ampie rispetto a quelle degli altri canali.
Un dispositivo conforme deve supportare almeno uno dei canali obbligatori {0, 3, 9}. Gli altri canali sono tutti opzionali e in particolare, i canali {4, 7, 11, 15} si distinguono per avere una larghezza di banda superiore ( > 500 MHz).
Dato che l’area di distribuzione di questi dispositivi potrebbe contenere altri tipi di reti wireless operanti nella stessa banda di frequenze, la capacità di riallocazione di canali è un fattore importante per il successo dei sistemi UWB. Per fare questo, il livello fisico contiene molte funzioni di basso livello, come ad esempio la rivelazione dell’energia ricevuta (ED), indicazione della qualità del collegamento (LQI) e funzioni di channel switching dopo interruzioni prolungate, che permettono stima di canale e agilità in frequenza.
2.3.1 Modulazione
Lo standard UWB prevede l’utilizzo di una combinazione di modulazioni Burst Position Modulation (BPM) e Binary Phase Shift Keying (BPSK), per supportare sia la ricezione coerente sia quella incoerente utilizzando uno schema di segnalazione comune. I vari data rates sono supportati attraverso l’utilizzo di burst a lunghezza variabile.
Un simbolo UWB PHY con modulazione BPM-BPSK trasporta 2 bit di informazione: uno utilizzato per determinare la posizione di un burst di impulsi, e uno per modulare la fase dello stesso burst.
Il calcolo della distanza è una capacità opzionale esclusiva del livello UWB PHY, anche se esistono altre soluzioni. Il protocollo utilizzato è il Two Way Ranging (TWR), illustrato in Figura 6, e permette la misura delle distanze senza l’utilizzo di un riferimento temporale comune.
Figura 6: Scambio di messaggi secondo lo schema TWR. Il dispositivo A riesce a calcolare la distanza relativa al
dispositivo B calcolando il tempo di propagazione tp e sapendo che il segnale viaggia alla velocità della luce.
Il dispositivo A inizia la comunicazione inviando un pacchetto di richiesta al dispositivo B. Quest’ultimo riceve il pacchetto e aspetta un tempo treplyB noto ad entrambi, prima di inviare
nuovamente un pacchetto di risposta al dispositivo A.
A questo punto il dispositivo A conosce il tempo totale di andata e ritorno del segnale troundA = 2tp + treplyB
e può ricavare semplicemente il tempo di propagazione tp rispetto al proprio riferimento
temporale. La banda larga del segnale UWB consente misure con accuratezza di 3 ns, che corrisponde a un errore inferiore a un metro.
2.3.2 Formato della trama
I dispositivi conformi allo standard IEEE 802.15.4a comunicano tramite il formato di pacchetti mostrato in Figura 7.
Figura 7: Formato della trama UWB PHY. I campi di lunghezza variabili permettono di utilizzare diverse velocità di
trasmissione dati. In particolare, a parità di lunghezza del campo dati, maggiore è la lunghezza dell’header SHR, minore sarà il data rate effettivo e viceversa.
Ogni pacchetto detto PHY Protocol Data Unit (PPDU) contiene un header di sincronizzazione (SHR), un header del livello fisico (PHR), e un campo dati (PSDU).
L’header di sincronizzazione è diviso in due parti: un preambolo, e un campo che delimita l’inizio della trama (SFD). La rivelazione del campo SFD è importante per riconoscere il tempo trascorso tra una trama e l’altra, e quindi per la misura accurata delle distanze.
Lo standard prevede un campo SFD corto e obbligatorio di 8 simboli per velocità dati medie e di default, oppure di 64 simboli per il data rate nominale di 110 kb/s.
La lunghezza del preambolo può variare secondo l’applicazione richiesta e può essere 16, 64, 1024 o 4096 simboli. Le lunghezze maggiori (1024 e 4096) sono preferibili per ricevitori non coerenti per aumentare il rapporto segnale-rumore (SNR).
Il campo PHR è lungo 16 simboli e trasporta informazioni necessarie per la corretta decodifica del campo PSDU come la lunghezza del preambolo corrente, e la lunghezza del campo dati che può variare da 0 a 1209 simboli.
Le diverse velocità dati fornite dal livello UWB PHY possono essere 0.11 Mb/s, 0.85 Mb/s, 6.81 Mb/s, o 27.24 Mb/s. Un dispositivo conforme deve supportare almeno il data rate obbligatorio di 0.85 Mb/s.
2.4 CSS PHY
Oltre al livello UWB PHY, lo standard introduce anche una soluzione alternativa basata sull’utilizzo di segnali chirp. La specifica CSS è progettata per fornire prestazioni affidabili e robuste per le applicazioni a basso data rate (LR-WPAN) e sfruttare le caratteristiche della forma d'onda per supportare collegamenti a elevata distanza e per dispositivi che si muovono ad alta velocità.
La soluzione chirp è mirata a sfruttare la disponibilità globale della banda a 2450MHz ed offre maggiore robustezza e coesistenza con i sistemi wireless. La banda è suddivisa in 14 canali, spaziati relativamente di 5 MHz l’uno dall'altro.
Un segnale chirp è un segnale a spettro espanso, simile al Direct Sequenze Spread Spectrum (DSSS) che consiste in una forma d'onda sinusoidale a frequenza variabile che aumenta o diminuisce in modo lineare in un certo intervallo di tempo.
Lo standard prevede la concatenazione di quattro chirp più brevi (o sub-chirps) che vanno a comporre un simbolo chirp più lungo come mostrato in Figura 8.
I data rate supportati sono 1 Mb/s e 250 kb/s e si può quindi scegliere la velocità che meglio si adatta all’applicazione di interesse.
Figura 8: Frequenze dei segnali chirp previste dallo standard. Ogni singolo chirp è suddiviso in 4 sub-chirp, ciascuno
2.4.1 Modulazione
Questa soluzione utilizza tecniche a spettro espanso per codificare le informazioni, insieme a una modulazione Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK).
A differenza delle tecniche DSSS e Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), questa tecnica non aggiunge nessun elemento pseudo-random al segnale per aiutare a distinguerlo dal rumore sul canale, ma si affida alla natura lineare degli impulsi chirp.
Il flusso di simboli DQPSK deve essere poi modulato dal flusso dei sub-chirp, conducendo a una modulazione detta Differential Quadrature Chirp Shift Keying (DQCSK).
2.4.2 Formato della trama
La trama CSS è formattata come mostrato in Figura 9.
Figura 9: Struttura della trama CSS. Il preambolo e il campo PHR hanno lunghezze variabili secondo la velocità di
trasmissione utilizzata. In particolare se il preambolo è di lunghezza 8 simboli si raggiunge una velocità di trasmissione dati di 1 Mb/s, mentre se è di 20 simboli si ottiene un data rate di 250 kb/s.
In questo caso il campo PHR è utilizzato per indicare la lunghezza del campo PSDU, che può essere lungo fino a 256 ottetti.
Il preambolo per la velocità dati di 1 Mb/s è formato da otto simboli chirp, mentre per la velocità dati di 250 kb/s è formato da 20 simboli.
3. Sistema di localizzazione basato su tecnologia UWB
Come anticipato, lo scopo di questo lavoro di tesi è la realizzazione di un sistema basato su tecnologia UWB per la localizzazione di un muletto all’interno di magazzini ad alto indice di rotazione
3.1 Dispositivi di localizzazione UWB Decawave
Nel sistema di localizzazione implementato in questa tesi verrà fatto uso di alcuni dispositivi commerciali, ovvero i Decawave DWM1001, che sono dei dispositivi a basso costo che comprendono anche un’antenna Bluetooth, e un sensore di movimento oltre all’antenna UWB.
Questi dispositivi sono facilmente configurabili tramite smartphone o tablet con un’applicazione dedicata per Android. Inoltre offrono anche la possibilità di personalizzarne il firmware secondo le necessità. Questi dispositivi funzionano sul Canale 5 della banda UWB (6.5 GHz).
Nel dettaglio i principali componenti dei dispositivi DWM1001 sono (Figura 10):
• Transceiver UWB DWB1000: utilizza un cristallo a 38.4MHz calibrato in fase di produzione per avere un errore di circa 3 ppm.
• Microprocessore BLE Nordic nRF52832: è un SoC (System on Chip) wireless a 2.4 GHz con potenza molto bassa, che contiene il transceiver della serie nRF52 e una CPU ARM Cortex M4 con 512 kB di memoria flash e 64 kB di memoria RAM. • DC-DC Converter: è un convertitore di tensione che fornisce l’alimentazione al
dispositivo. La tensione in ingresso può essere compresa tra 2.8V e 3.6V, l’uscita fornisce la tensione di 1.8V richiesta dai circuiti del DWM1000.
• Sensore di movimento STM LIS2DH12TR: è un accelerometro ad alte prestazioni e a bassissima potenza con una interfaccia seriale standard I2C/SPI. Permette di scegliere da parte dell’utente il range massimo di accelerazioni tra ±2g/±4g/±8g/±16g, riesce a misurare le accelerazioni con data rate da 1 Hz fino a 5.3 kHz e garantisce il corretto funzionamento da –40 °C a +80 °C.
• Firmware: il modulo DWM1001 ha gia un firmware precaricato a bordo che fornisce le funzionalità TWR e Real Time Location System (RTLS). Può essere configurato e
controllato tramite API. Decawave fornisce anche un ambiente di sviluppo per personalizzare le operazioni e, se necessario, aggiungere altre funzioni.
Figura 10: Schema di base del dispositivo Decawave DWM1001. Oltre al modulo UWB sono presenti anche un
modulo Bluetooth (BLE) e un accelerometro. Il DC-DC converter fornisce l’alimentazione al dispositivo con una tensione stabile di 1.8V.
Ogni dispositivo può essere configurato come ancora (dispositivo con posizione fissa) oppure come tag (dispositivo in movimento di cui si vuole tracciare la posizione in tempo reale).
Facendo riferimento al Datasheet, si legge che questi dispositivi hanno un raggio di copertura in LOS (Line Of Sight) di circa 60 metri in ambiente open space, mentre si riduce a circa 20 metri in un ambiente indoor dove le pareti, il soffitto, e in generale gli ostacoli presenti all’interno del magazzino, potrebbero causare riflessioni e/o impedimenti alla propagazione in linea retta del segnale. Per riuscire a tracciarne la posizione in tempo reale, è necessario che il tag sia sempre in vista di almeno 3 ancore, o preferibilmente 4.
La posizione del tag viene ricostruita tramite un algoritmo di trilaterazione calcolando le distanze del tag da ciascuna delle 3 o 4 ancore in vista, in base al tempo di volo del segnale, con un metodo che verrà spiegato più in dettaglio in seguito.
3.1.1 Ancore
Per i dispositivi configurati come ancora, è possibile indicarne uno o più di uno come
initiator. Ogni rete deve averne almeno uno. L’ancora initiator ha il compito di inizializzare
la rete, controllarla e permettere ad altre ancore di unirsi alla rete.
La posizione di ciascuna ancora può essere calcolata automaticamente tramite un algoritmo di auto-positioning, oppure inserita manualmente per avere una precisione maggiore.
In particolare se si fa uso dell’auto-positioning, l’ancora initiator sarà posta sempre nell’origine del sistema di riferimento, le altre ancore devono essere ordinate in senso antiorario con gli assi del sistema di riferimento rivolti come in Figura 11:
• L’asse X dalla posizione dell’initiator verso la seconda ancora inserita • L’asse Y perpendicolare all'asse X e in direzione della terza ancora inserita • L’asse Z orientato di conseguenza seguendo la regola della mano destra
Figura 11: Esempio di sistema di riferimento ottenuto tramite auto-positioning. I triangoli identificano le ancore e in
L’orientazione degli assi e la posizione dell’origine possono essere modificate a piacimento indicando le posizioni di ciascuna ancora manualmente. In questo modo anche l'ancora
initiator non è vincolata ad essere nell’origine degli assi ma può essere in una posizione
qualsiasi.
Ad esempio, considerando la configurazione delle ancore in Figura 11, con l’auto-positioning si dovrebbero ordinare le ancore in senso antiorario (A1, A2, A3, A4), ottenendo un sistema di riferimento centrato sull’initiator (A1), con l’asse X rivolto verso l’ancora A2, e l’asse Y rivolto verso l’ancora A4.
Il sistema utilizza una tecnica TDMA per l’accesso multiplo delle ancore alla rete, con un superframe di durata 100 ms. Il superframe è formato da:
• 30 Beacon (BCN) che contengono informazioni relative all’attuale utilizzo degli slot all’interno del Superframe. Quando un’ancora utilizza uno sloto BCN, le viene assegnato un seat number univoco da 0 a 29. La durata di ogni slot BCN è di 0.5 ms. • 2 slot di servizio (SVC) utilizzati per le richieste di accesso alla rete e per indicare le
versioni di hardware e firmware del dispositivo.
• 15 slot TWR utilizzati per lo scambio di informazioni tra le ancore e i tag. La durata di ogni slot TWR è di 3 ms.
• 30 Bridge Node Beacon (BN_BCN) utilizzati per informare i tag se ci sono dei dati in downlink per loro. La durata di ogni slot BN_BCN è di 0.5 ms.
• Un intervallo di guardia (Idle Time) prima di iniziare il superframe successivo. La struttura del superframe è mostrata in Figura 12.
Figura 12: Struttura del superframe. La durata totale è di 100 ms e al suo interno ci cono 30 slot BCN, 2 slot di
Prima che un’ancora si iscriva alla rete, vengono fatti dei controlli preliminari, ovvero: • che i 30 BCN non siano tutti occupati;
• che tutte le ancore vicine confermino che il posto richiesto è libero e non ci sono collisioni con altre ancore che stanno accedendo alla rete;
• che il firmware sia compatibile con la versione dell’ancora initiator;
• che il livello di clock delle ancore vicine sia inferiore a 127 (le ancore vicino all’initiator hanno livello di clock 1, le successive hanno livello di clock 2, ecc…). Da notare che ogni ancora utilizza un certo slot BCN, e siccome ce ne sono solamente trenta, significa che al più trenta ancore possono operare nella stessa area. Questo non significa che il sistema è limitato a trenta ancore: l’importante è che nessuna ancora sia in vista di due ancore con lo stesso numero di slot BCN.
In Figura 13 viene mostrato un esempio con una rete in cui sono presenti già 30 ancore, e una trentunesima che vuole iscriversi alla rete.
Figura 13: Iscrizione di una 31a ancora alla rete UWB. Affinché l’ancora si iscriva correttamente alla rete prendendo il
seat number 0, si deve verificare che nessuna delle ancore all’interno del suo raggio di azione sia nel raggio di azione
3.1.2 Tag
Per i dispositivi configurati come tag, è possibile indicare la frequenza con la quale inviano i dati verso le ancore, e anche se tracciare il tag solo quando è in movimento o anche quando è fermo (funzionalità fornita grazie all’accelerometro interno).
Inizialmente il tag è in fase di sleep, e si “sveglia” periodicamente “in ascolto” dei messaggi dalle ancore, dopodiché torna in fase di sleep e riprova successivamente. I periodi di sleep durano inizialmente 10 s, e vengono aumentati gradualmente fino a 60 s.
Quando il tag riceve un messaggio valido, prima di tutto controlla che la sua versione di hardware e firmware sia compatibile, dopodiché continua con la prenotazione di uno slot TWR.
Ogni tag può funzionare in 2 diverse modalità:
• Low power mode: il tag è messo in una modalità DEEPSLEEP per minimizzare il consumo di potenza, e viene “svegliato” appena prima dello scambio di messaggi TWR con le ancore.
• Responsive mode: il tag non va in modalità low power, ma resta con clock attivo e continua a cercare messaggi TWR all’interno dei superframe.
Ogni tag riceve una mappa degli slot TWR liberi da ciascuna ancora, e tra quelli ne sceglie uno da utilizzare all’interno del superframe. Se non ci sono slot liberi, riprova ogni 60 s. Il tag invia in broadcast un messaggio Group Poll che contiene una lista di 4 indirizzi di ancore dalle quali vuole misurare le distanze, e una mappa di bit (bitmap) che indica il seat
number delle ancore.
Ogni ancora presente in quella lista risponde con un altro messaggio di conferma e riserva uno slot TWR per quel tag.
Una volta che il tag riceve il messaggio di conferma da un’ancora, può calcolare la distanza da essa, e quando ne riceve tre o più, utilizza il suo algoritmo di localizzazione interno per calcolare la posizione.
In Figura 14 viene illustrata la struttura degli slot TWR all’interno del superframe:
Figura 14: Slot TWR all’interno del superframe. La durata totale di ogni slot è di 3 ms. Il primo campo Group Poll contiene gli indirizzi delle 4 ancore da cui si vuole misurare le distanze. Ognuna di quelle 4 ancore risponde confermando che hanno uno slot libero nel successivo superframe e riserva lo slot TWR per quel tag. A questo punto il tag può calcolare la sua distanza dall’ancora stimando il tempo di volo di andata e ritorno del segnale.
3.2 Setup sperimentale e misure di distanza preliminari
3.2.1 Misure in ambiente outdoor
Le prime prove sono state fatte in un ambiente outdoor per verificare il corretto funzionamento del sistema. In questo caso si fa uso di cinque ancore e di un tag, con le ancore poste a una distanza relativa di circa 15 m l’una dall’altra, tutte a un’altezza di circa 2 metri, utilizzando come supporto una recinzione metallica e dei supporti di legno in modo che ogni ancora fosse 50 cm più alta della recinzione (Figura 15).
Figura 15: Illustrazione del posizionamento delle ancore nella prova outdoor con l’utilizzo della recinzione metallica e
di alcune sbarre in legno.
Da notare che l’ambiente outdoor considerato è leggermente diverso da un ambiente open space per via della presenza della stessa recinzione metallica, di macchine presenti in un parcheggio nelle vicinanze delle ancore e di vegetazione circostante. Questi ostacoli potrebbero influire sul corretto funzionamento della rete limitandone il raggio massimo di copertura. Il tracciamento del tag è stato monitorato tramite l’applicazione dedicata per Android.
E’ stato quindi fatto uso di alcuni supporti di legno per le ancore, rialzandole rispetto alla recinzione metallica di circa 50 cm e posizionandole a una distanza di 15 m l’una dall’altra.
In Figura 16 si riporta una piantina che illustra il posizionamento delle ancore e le posizioni del tag.
Figura 16: Posizionamento ancore nella prova outdoor. Le posizioni T1, T2, T3, T4 sono punti fissi in cui si sono
effettuate le misure dell’errore commesso. In questo caso il punto T4 rappresenta il limite fisico della rete realizzata
Nella Tabella 1 si riportano gli errori commessi dal sistema Decawave nel calcolo delle distanze in ambiente outdoor.
Distanza reale (m) Distanza stimata (m)
T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T4 A1 8.4 25 - - 7.8 25.4 - - A2 8.8 10 25 - 8.5 9.5 25 - A3 22.9 4.9 14.6 19 23 2.18 14.5 20 A4 - 17.3 9.7 22.5 - 16.8 9.7 23 A5 15.8 19.4 23.3 35.5 15.7 19 23 36
Tabella 1: Verifiche sull’errore commesso nelle distanze. Si nota che gli errori maggiori si hanno quando il tag si trova
vicino ad un’ancora. La massima distanza che è stato possibile misurare era 36 metri nella posizione T4 rispetto all’ancora A5, e rappresenta il limite fisico per questa configurazione outdoor.
Dai risultati ottenuti si notano le seguenti cose:
• Aver distanziato le ancore dalla rete metallica, e averle avvicinate tra loro ha reso la rete UWB più stabile e ha reso possibile la stima della localizzazione del tag.
• Il tag esegue il calcolo della posizione non appena è in vista di 3 ancore. Se una quarta è disponibile la usa per migliorare l’accuratezza della posizione stimata. • Minore è la distanza tra il tag e un’ancora, maggiore è l’errore commesso.
• La posizione T4 rappresenta il limite fisico della rete realizzata. In quella posizione il tag vede le sole ancore A3, A4, A5. Superata la distanza di 36 metri dall’ancora A5 si perde il numero minimo di ancore per eseguire la localizzazione.
• Occorre misurare con più precisione le posizioni delle ancore per ridurre gli errori. Queste prove sono state utili per capire quanto gli ostacoli metallici potrebbero influenzare il corretto funzionamento dei dispositivi UWB, e per avere delle prime linee guida su come posizionare le ancore nel progetto finale. In particolare bisognerà cercare di posizionare tutte le ancore il più possibile distanti da strutture metalliche, in posizioni in cui il tag non possa passare troppo vicino a nessuna delle ancore, e misurare le coordinate di ciascuna ancora con maggiore precisione in modo da evitare errori troppo grandi.
3.2.2 Misure in ambiente indoor
Successivamente sono state realizzate delle misure all'interno del magazzino ISE s.r.l. dove sono presenti molti più ostacoli dovuti alle pareti, al soffitto, alle scaffalature metalliche, e ad altri materiali presenti. In un ambiente di questo tipo ci si aspetta di avere un effetto sull’errore dovuto al multipath maggiore rispetto al caso outdoor. Per questo motivo si pensa di dover posizionare le ancore a una distanza inferiore l’una dall’altra.
Il magazzino in esame è formato da due stanze, separate da una parete divisoria. Inizialmente si cerca di posizionare le ancore solamente nella prima stanza, come mostrato in Figura 17, dopodiché di cercherà di estendere la rete per coprire anche la seconda stanza.
Figura 17: Piantina del magazzino di I.S.E. srl. Viene evidenziata la prima stanza dove vengono fatte le prove indoor. Inizialmente vengono posizionate 4 ancore UWB ai vertici della stanza e tutte a una altezza di circa 2.50 metri.
In un primo momento sono state posizionate quattro ancore ai vertici della prima stanza, ad un’altezza di circa 2.5 m, e a una distanza relativa di circa 10 m l’una dall’altra e il tag è stato spostato all’interno del magazzino.
Le coordinate delle ancore sono state inserite manualmente per evitare eventuali errori commessi dall’algoritmo di auto-positioning dovuti al fatto che alcune ancore non fossero esattamente in LOS tra loro.
In questa prova si riusciva a tracciare gli spostamenti del tag in quasi tutta la stanza, eccetto alcune zone di ombra che si creavano quando si passava in mezzo tra due scaffalature metalliche. In tal caso sarebbe necessario spostare le ancore o eventualmente aggiungerne altre.
Per dare una valutazione dell’errore commesso, si posiziona il tag in alcuni punti ben precisi della stanza, si prendono le coordinate reali dei punti in questione, e si confrontano con le coordinate misurate dall’applicazione di Decawave (Tabella 2).
Coordinate reali Misure con l’applicazione Decawave
X Y X Y
2.40 5.50 2.45 5.35
6.30 4.00 6.15 4.20
10.15 3.50 10.05 3.65
8.70 9.20 8.55 9.35
Tabella 2: Confronto tra le coordinate misurate dal sistema Decawave e le coordinate reali per le misure in ambiente
indoor.
In questa configurazione l’errore commesso nel calcolo della posizione, rimaneva comunque intorno ai 20-30 cm che è sufficiente per la nostra applicazione.
Provando a uscire dalla prima stanza ed entrando nella seconda, il tracciamento si interrompe. Questo era un risultato atteso per via della parete divisoria, e per l’assenza di ancore nella seconda stanza.
Per cercare di riuscire a tracciare il tag in movimento nelle due stanze, si posizionano altre tre ancore nella seconda stanza e si ripete la prova di attraversare la parete. Stavolta le ancore sono state messe al centro delle pareti della seconda stanza, ad altezze diverse come specificato in Tabella 3.
Le coordinate di ogni ancora, come nel caso precedente, vengono inserite manualmente per evitare errori dovuti all’impedimento della LOS tra le ancore.
L’area che si vuole coprire in questa prova viene evidenziata in Figura 18.
Figura 18: Piantina del magazzino di I.S.E. srl. Viene evidenziata la zona delle due stanze dove vengono fatte le prove
indoor. Le ancore già presenti nella prova precedente sono state spostate al centro delle pareti per migliorare il tracciamento nella zona critica della porta.
Anche in questa prova si è notato che il tracciamento del tag si interrompeva quando si transitava attraverso la porta di divisione tra le due stanze.
Questo effetto potrebbe essere imputato alla parete divisoria che, essendo molto vicino alle ancore, ne modifica il diagramma di radiazione delle antenne nel semispazio dietro la parete stessa.
Per ovviare questo problema sono state spostate le ancore della prima stanza, e anch’esse sono state messe in posizioni centrali rispetto alle pareti della stanza, mantenendo ancora le distanze relative di circa 10 m tra le ancore. In questo modo solo una di quelle ancore era a contatto con la parete divisoria, mentre le altre 3 erano distanti rispettivamente 5 metri (A1), 4.5 metri (A3), e 11 metri (A4).
Ancora Coordinata X (m) Coordinata Y (m) Coordinata Z (m) A1 6.80 0.53 2.50 A2 11.30 5.00 2.50 A3 7.65 9.50 2.50 A4 0.05 5.20 2.12 A5 13.80 0.00 1.90 A6 24.00 4.25 1.90 A7 20.60 9.65 1.90
Tabella 3: Coordinate delle 7 ancore posizionate per le misure in ambiente indoor con due stanze.
Notare che con l’auto-positioning, spostare le ancore nella prima stanza avrebbe significato anche cambiare il sistema di riferimento. Inserendo le coordinate delle ancore manualmente invece, si può mantenere il sistema di riferimento originale e più intuitivo, con gli assi paralleli alle pareti laterali del magazzino.
Con questo accorgimento si sono notati dei miglioramenti nel tracciamento, e si riusciva a monitorare gli spostamenti del tag anche attraverso la porta, seppur con qualche picco di errore nella posizione, che in ogni caso potrà essere corretto tramite algoritmi software. Risultati sperimentali vengono mostrati in Figura 19, in cui si vede la traiettoria del tag che viene tracciata per questa prova indoor.
Figura 19: Risultati sperimentali nella stima della traiettoria tag. In questo esempio il nodo mobile si è mossi in una
3.2.3 Misure presso il magazzino di Sofidel
Per testare il funzionamento del sistema su aree indoor più grandi ci si è spostati in un magazzino di Sofidel s.p.a. a Tassignano, che ha dimensioni 55 m x 80 m ed è diviso in 2 corridoi longitudinali separati da 6 colonne centrali di dimensioni 50 cm x 50 cm.
In Figura 20 si riporta una piantina in scala 1:500 del magazzino.
Figura 20: Piantina in scala 1:500 del magazzino Sofidel s.p.a. di Tassignano. Le dimensioni reali sono 55 metri x 80
metri. Al centro del magazzino sono presenti delle colonne di dimensioni 50 cm x 50 cm e all’interno sono presenti dei pallet di carta.
In prima battuta si è ipotizzato che questo ambiente fosse più favorevole per il tracciamento indoor rispetto al magazzino di ISE in quanto non c’era alcuna parete divisoria, e il contenuto del magazzino erano solamente pallet di carta. Dato che la costante dielettrica relativa della carta è bassa, specialmente per la carta poco densa come quella presente nel magazzino di interesse (εr ≈ 2), in prima approssimazione si suppone che l’onda riesca a
penetrare completamente gli ostacoli dei pallet in quanto, alla frequenza utilizzata di 6.5 GHz, si ottiene un coefficiente di riflessione Γ ≈ 0.03.
Una prima prova è stata quella di posizionare le ancore sulle pareti e sulle colonne centrali del magazzino, ad una altezza di circa 2.80 m e rispettando una distanza relativa tra le ancore di 30 m. Con questa configurazione però non si riusciva a configurare la rete delle ancore.
Anche provando a ridurre la distanza tra le ancore a 20 m non si è risolto il problema, quindi si è concluso che l’ipotesi iniziale sul coefficiente di riflessione non fosse corretta.
Si è provato quindi ad alzare la posizione delle ancore fissandole alle sei blindosbarre presenti sul soffitto tramite degli appositi ganci e delle sbarrette in vetronite per distanziarle dai supporti metallici. Con questo accorgimento le ancore erano tutte in LOS tra loro, poste ad una distanza di 15 m l’una dall’altra e ad un’altezza di circa 5 m dal suolo.
In un primo momento si è estesa la rete fino ad un numero di dodici ancore, come mostrato in Figura 21, in modo da coprire quasi per intero il primo corridoio del magazzino.
Figura 21: Piantina del magazzino Sofidel s.p.a. Le linee longitudinali rappresentano le blindosbarre presenti, mentre i
In seguito si estenderà la rete a tutto il resto del magazzino utilizzando fino a 24 ancore distanziate di circa 20 m l’una dall’altra come mostrato in Figura 22.
Figura 22: Piantina del magazzino Soffass s.p.a. con evidenziate le blindosbarre e il posizionamento dell’intera rete di 24 ancore UWB. In questa configurazione le ancore sono distanziate di circa 20 metri l’una dall’altra.
3.3 Allestimento del muletto
Dopo aver fatto le prove preliminari, è stato attrezzato un muletto reale con tutto il sistema UWB insieme ad altri sensori.
Per montare tutti i componenti necessari bisogna tener conto anche di alcune norme di sicurezza, e verificare che non ci siano interferenze con gli altri sistemi già presenti. Le operazioni di montaggio sono state fatte presso l’officina OM Still di Barboncini Nello a Livorno.
All’interno del progetto verranno allestiti un totale di quattro muletti, di cui solamente due attrezzati anche con l’elettronica necessaria per l'elaborazione di tutti i dati, in una scheda di sviluppo, e gli altri due attrezzati solamente con i cablaggi e le antenne necessarie al sistema.
I componenti elettronici verranno chiusi in una scatola di plastica chiamata E-box per proteggerli da agenti atmosferici. Quest’ultima dovrà essere anche facilmente estraibile, in modo che, in caso di guasto di un muletto, possa essere installata su uno degli altri muletti già cablati.
Dalla E-box uscirà il cavo Ethernet per la connessione a un tablet che riceverà i dati e li salverà in un file di log, pronti per essere analizzati.
Oltre al sistema UWB verranno montati anche altri sistemi ausiliari in modo da poter confrontare i risultati ottenuti. In particolare verrà installato anche un sistema RFID passivo per confrontare i risultati di posizionamento con quelli del sistema UWB e per il riconoscimento del carico, un sensore di prossimità per il riconoscimento degli eventi di carico e scarico dei pallet, e un sensore di velocità per validare i dati di spostamento ottenuti dagli altri sistemi e eventualmente utilizzare anche un algoritmo di navigazione inerziale. Nel seguito vengono illustrate le posizioni scelte per ognuno di questi componenti hardware e ne vengono descritte alcune caratteristiche principali.
In Figura 23 viene mostrato l’allestimento del muletto con tutti i dispositivi installati. Di seguito in Figura 24 si riporta uno schema a blocchi che illustra il funzionamento del sistema e i cavi utilizzati per le connessioni.
Figura 23: Allestimento finale del muletto. Sul tettuccio vengono montati la E-box comprensiva del tag UWB, l’antenna RFID che punta verso il tetto, e le due antenne frontali per il reader RFID. Frontalmente viene messo anche un sensore ultrasonico di prossimità; Sul fondo viene installato un sensore di movimento ottico. Di fronte alla postazione dell’operatore viene messo un tablet che visualizza i dati ricevuti da tutti i sistemi.
Figura 24: Schema a blocchi del sistema. La E-box è collegata direttamente a ognuno dei sistemi utilizzati, e a un tablet
per l’interfaccia grafica con l’utente. Eventualmente è possibile includere altri sistemi già presenti a bordo utilizzando lo stesso tablet.
Un tag UWB DWM1001 viene posizionato all’interno della E-box.
Tenendo conto che le ancore UWB nel magazzino verranno posizionate in prossimità del soffitto, il tag viene posizionato più in alto possibile in modo da risultare più possibile vicino al piano delle ancore, tenendo conto del diagramma di irradiazione delle antenne mostrato sul Datasheet. Per questo si sceglie di montare la E-box sopra il tettuccio facendo attenzione che non oscuri il lampeggiante. Non potendo forare il tettuccio del muletto per motivi di sicurezza, si sceglie di fissarla con del nastro apposito molto resistente. Questa è una soluzione che, oltre a garantire la stabilità della E-box senza rischio di caduta, consente anche di sostituirla in maniera semplice e veloce in caso di guasto.
La E-box viene collegata a un tablet tramite un normale cavo di rete Ethernet, per poter visualizzare sullo schermo lo spostamento del muletto all’interno del magazzino.
Per il fissaggio delle ancore si fa uso di alcune sbarrette metalliche, a cui si fissa una ultima terminazione in vetronite per evitare interferenze di oggetti metallici in prossimità delle ancore. Questa soluzione permette di agganciare tutte le ancore necessarie alle blindosbarre in modo che restino in LOS tra di loro, e che siano abbastanza stabili.
Un sensore di prossimità viene posizionato di fronte al muletto per riconoscere gli eventi di carico e scarico di pallet (Figura 25).
Il sensore utilizzato è della serie UK6C e riconosce ostacoli a distanza da 6 cm a 80 cm. Quando viene misurata una distanza inferiore a 80 cm si attiva l’antenna frontale del sistema RFID per il riconoscimento del carico.
Figura 25: Sensore ultrasonico UK6C per riconoscimento di ostacoli a distanza minima di 6cm fino a una distanza
Oltre al sistema UWB viene montato anche un sistema RFID in banda UHF. Il reader Impinji Speedway Revolution R420-UE12M1 (Figura 26) viene montato all’interno della E-box e viene collegato a tre antenne presenti sul muletto di cui una che punta verso l’alto, e due che puntano frontalmente (Figura 23).
L’idea è quella di porre dei tag RFID passivi sui pallet per il riconoscimento del carico con le antenne frontali, mentre l’antenna in alto serve per cercare di correggere l’errore commesso nel calcolo della traiettoria, eventualmente fissando dei tag al soffitto.
Le antenne frontali sono Advantenna-p11 fornite da Keonn (Figura 27a), mentre quella che punta al soffitto è della serie ALR-A0501 fornita da Alien (Figura 27b).
Figura 26: Reader Impinji Speedway Revolution R420-UE12M1. Opera nella banda UHF. Ha una sensitività massima
di –84 dBm e 4 porte per connettere le antenne, estendibili fino a 32 antenne con l’uso di Impinji Speedway Antenna Hub. La potenza trasmessa può variare da +10dBm a +30 dBm secondo le normative EU.
Figura 27: Antenne utilizzate per il sistema RFID. (a) Advantenna-p11 con un guadagno di 3.2 dBi e un fascio a –3 dB
di 100° sia in azimuth sia in elevazione; (b) ALR-A0501 con un guadagno di 6 dBi e un fascio a –3 dB di 105° sia in azimuth sia in elevazione.
Viene installato sul forklift anche un sensore ottico di velocità sul fondo, con l’obiettivo di calcolare lo spostamento di quest’ultimo lungo le coordinate x e y del magazzino tramite un algoritmo di navigazione inerziale (Dead Reckoning) conoscendo la posizione e la direzione iniziale di partenza.
Il sensore scelto è un ADNS-3080 di Avago Technologies (Figura 28) capace di misurare accelerazioni fino a 15 g. Questo sensore unito a una lente ADNS-2120 forma un sistema di tracciamento completo e compatto che può essere utilizzato anche per un i mouse ottici. Il sensore acquisisce immagini di dimensioni 30 x 30 pixel con un frame rate fino a 6400 fps e le elabora per determinare la direzione e la distanza percorsa. Inoltre garantisce il funzionamento a temperature che variano da –15 °C a +55 °C.
Figura 28: Sensore di movimento ottico ADN-3080. Acquisisce immagini di dimensione 30 x 30 pixel e riesce a
misurare accelerazioni fino a 15 g con frame rate fino a 6400 fps.
Questo sensore viene inserito all’interno di una scatola in plastica con uno schermo di plexiglass per proteggere la lente da polvere o altri agenti atmosferici, e sarà posto a 15.5 cm di altezza da terra.
Per ridurre gli errori negli spostamenti è necessaria una corretta messa a fuoco del sensore per la distanza utilizzata. Inoltre è opportuno che l’area inquadrata dalla telecamera sia ben illuminata, per questo si utilizzano delle guide luce per portare le luci dei led fino al piano dello schermo in plexiglass, in modo da evitare la formazione di coni d’ombra dovuti all’obiettivo che sporgeva davanti ai led stessi.
